《土木工程测量》第1章教案1课件

第1章绪论§1.1测量学简介测量学将地表物体分为地物和地貌。⑴

地物(feature)：地面上天然或人工形成的物体，它包括平原、湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁等；⑵

地貌(geomorphy)：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌总称为地形(landform)。测量学是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的科学。其主要任务是测定和测设。⑴

测定(location)：使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定的符号缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。⑵

测设(setting-out)：将在地形图上设计出的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。测量在国民经济建设中的应用：(1)城市规划、给水排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设的测量工作1)设计阶段：测绘各种比例尺的地形图，供结构物的平面及竖向设计使用；2)施工阶段：将设计结构物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据；3)工程完工后：测绘竣工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理应用，对某些重要的建筑物或构筑物在建设中和建成以后都需要进行变形观测，以保证建筑物的安全。(2)铁路、公路建设的测量工作1)为了确定一条最经济合理的路线，必须预先测绘路线附近的地形图，在地形图上进行路线设计，然后将设计路线的位置标定在地面上以指导施工；2)当路线跨越河流时，必须建造桥梁，在建桥之前，要测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、流速、流量和河床地形图以及桥梁轴线长度等，为桥梁设计提供必要的资料，最后将设计桥台、桥墩的位置用测量的方法在实地标定；2)当路线穿过山地需要开挖隧道时，开挖之前，必须在地形图上确定隧道的位置，根据测量数据计算隧道的长度和方向；隧道施工通常是从隧道两端相向开挖，这就需要根据测量成果指示开挖方向，保证其正确贯通。学习本课程，应掌握下列有关测定和测设的基本内容：⑴地形图测绘——运用各种测量仪器和工具，通过实地测量和计算，把小范围内地面上的地物、地貌按一定的比例尺测绘成图；大地水准面是有微小起伏的、不规则的、很难用数学方程表示的复杂曲面。将地球表面上的物体投影到大地水准面上，计算起来非常困难。通常选择一个与大地水准面非常接近的、能用数学方程表示的椭球面作为投影的基准面，这个椭球面是由椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球面，称为参考椭球(referenceellipsoid)，其表面称为参考椭球面。由于参考椭球的扁率很小，当测区范围不大时，可以将参考椭球看作半径为6371km的圆球。由地表任一点向参考椭球面所作的垂线称法线(normalline)，除大地原点以外，地表任一点的铅垂线和法线一般不重合，其夹角称为垂线偏差(deflectionofthevertical)。§1.3测量坐标系与地面点位的确定空间是三维的，表示地面点在某个空间坐标系中的位置需要三个参数，确定地面点位的实质就是确定其在某个空间坐标系中的三维坐标。测量学将空间坐标系分为参心坐标系和地心坐标系。“参心”意指参考椭球的中心，由于参考椭球的中心一般不与地球质心重合，所以它属于非地心坐标系，表1-1中的前两个坐标系是参心坐标系。“地心”意指地球的质心，表1-1中GPS使用的WGS-84属于地心坐标系。工程测量通常使用参心坐标系。§1.3.1确定点的球面位置的坐标系

测量上将空间坐标系分解成确定点的球面位置的坐标系(二维)和高程系(一维)。确定点的球面位置的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系两类。

(1)地理坐标系(geographicalreferencesystem)地理坐标系又可分为天文地理坐标系和大地地理坐标系两种。1)天文地理坐标系天文地理坐标又称天文坐标，表示地面点在大地水准面上的位置，它的基准是铅垂线和大地水准面，它用天文经度(astronomicallongitude)λ和天文纬度φ(astronomicallatitude)两个参数来表示地面点在球面上的位置。过地面上任一点P的铅垂线与地球旋转轴NS所组成的平面称为该点的天文子午面(astronomicalmeridianplane)，天文子午面与大地水准面的交线称为天文子午线(astronomicalmeridian)，也称经线。称过英国格林尼治天文台G的天文子午面为首子午面(Internationalmeridianplane)。(2)平面直角坐标系地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。例如，在赤道上，1″的经度差或纬度差对应的地面距离约为30m。测量计算最好在平面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上的点位化算到平面上。地图投影有多种方法，我国采用的是高斯-克吕格正形投影(Gauss-Krugerconformalprojection)，简称高斯投影(Gaussprojection)。1)高斯平面坐标系高斯投影是高斯在1820~1830年间，为解决德国汉诺威地区大地测量投影问题而提出的一种投影方法。1912年起，德国学者克吕格(Kruger)将高斯投影公式加以整理和扩充并推导出了实用计算公式。高斯投影是将地球按经线划分成带，称为投影带，投影带是从首子午线起，每隔经度6°划分为一带(称为统一6°带)，自西向东将整个地球划分为60个带。带号从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线(centralmeridian)。第一个6°带的中央子午线的经度为3°，任意带的中央子午线经度与投影带号的关系为投影时是设想用一个空心椭圆柱横套在参考椭球外面，使椭圆柱与某一中央子午线相切，将椭球面上的图形按保角投影的原理投影到圆柱体面上，然后将圆柱体沿着过南北极的母线切开，展开成为平面，并在该平面上定义平面直角坐标系。我国领土所处的概略经度范围是东经73°27′~东经135°09′，根据(1-5)式和(1-9)式求得的统一6°带投影与统一3°带投影的带号范围分别为13~23，25~45。可见，在我国领土范围内，统一6°带与统一3°带的投影带号不重复。2)假定平面直角坐标系《城市测量规范》(CJJ8-99)规定，面积小于25km2的城镇，可不经投影采用假定平面直角坐标系统在平面上直接进行计算。将测区中心点C沿铅垂线投影到大地水准面上得c点，用过c点的切平面来代替大地水准面，在切平面上建立的测区平面直角坐标系称为“假定平面直角坐标系”。坐标系的原点选在测区西南角以使测区内点的坐标均为正值，以过测区中心的子午线为轴方向。将测区内任一点P沿铅垂线投影到切平面上得p点，通过测量，计算出的p点坐标就是P点在假定平面直角坐标系中的坐标。3)城市平面坐标系的选择一个城市只应建立一个与国家坐标系相联系的、相对独立和统一的城市平面坐标系，并经上级行政主管部门审查批准后方可使用。城市平面坐标系的选择应以投影长度变形值不大于2.5cm/km=1/4万为原则，并根据城市地理位置和平均高程而定。地面水平距离投影到高斯平面上的距离的长度相对变形为《城市测量规范》规定，当长度变形值不大于2.5cm/km时，应采用高斯投影统一3°带的平面直角坐标系统；当长度变形值大于2.5cm/km时，可依次采用①投影于抵偿高程面上的高斯投影统一3°带的平面坐标系；②高斯投影任意带的平面坐标系，投影面可用黄海平均海水面或城市平均高程面；③假定平面直角坐标系。所谓抵偿高程面，就是当城市所处的统一3°带平面坐标系的高斯投影距离变形值大于2.5cm/km时，通过适当选择距离投影的高程面，使计算出的K值仍能满足小于2.5cm/km的要求。其高程Hm称为抵偿高程面。§1.3.2确定点的高程系地面点沿铅垂线到大地水准面的距离称为该点的绝对高程或海拔，简称高程(height)，通常用加点名作下标表示,如HA、HB。§1.3.3WGS-84坐标系WGS英文意义是“WorldGeodeticSystem”(世界大地坐标系)，它是美国国防局为进行GPS导航定位于1984年建立的地心坐标系，1985年投入使用。WGS-84坐标系的几何意义是：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。WGS-84地心坐标系可以与1954北京坐标系或1980西安坐标系等参心坐标系相互转换，其方法之一是：在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程。其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。具体参见文献[23]。§1.5测量工作概述测量的任务是测定和测设。测定是将地物和地貌按一定的比例尺缩小绘制成地形图(topographicmap)。如图1-10所示，测区内有山丘、房屋、河流、小桥、公路等，测绘地形图的过程是先测量出这些地物、地貌特征点的坐标，然后按一定的比例尺、规定的符号缩小展绘在图纸上。例如要在图纸上绘出一幢房屋，就需要在这幢房屋附近、与房屋通视且坐标已知的点(如图中的A点)上安置测量仪器，选择另一个坐标已知的点(如图中的F点或B点)作为定向方向，才能测量出这幢房屋角点的坐标。地物、地貌的特征点又称碎部点(detailpoint)，测量碎部点坐标的方法与过程称为碎部测量(detailsurvey)。如平面三角控制网是按一等、二等、三等、四等、5″、10″和图根网的级别布设，而城市导线网是在国家一等、二等、三等或四等控制网下按一级、二级、三级和图根网的级别布设。一等网的精度最高，图根网的精度最低。控制网的等级越高，网点之间的距离就越大、点的密度也越稀、控制的范围就越大；控制网的等级越低，网点之间的距离就越小、