土木工程测量概述

第一章绪论土木工程测量教学课件§1.1土木工程测量学的任务测绘科学应用很广：在国民经济和社会发展规划中，测量信息是最重要的基础信息之一，各种规划及地籍管理，首先要有地形图和地籍图。另外，在各项工农业基本建设中，从勘测设计阶段到施工、竣工阶段，都需要进行大量的测绘工作。在国防建设中，军事测量和军用地图是现代大规模的诸兵种协同作战不可缺少的重要保障。至于远程导弹、空间武器、人造卫星或航天器的发射，要保证它精确入轨，随时校正轨道和命中目标，除了应测算出发射点和目标点的精确坐标、方位、距离外，还必须掌握地球形状、大小的精确数据和有关地域的重力场资料。在科学实验方面，诸如空间科学技术的研究，地壳的变形、地震的预报等都要应用测绘资料。即使在国家的各级管理工作中，测量和地图资料也是不可缺少的重要工具。测绘科学在建筑类各专业的工作中有着广泛的应用。例如：在勘测设计的各个阶段，要求有各种比例尺的地形图，供城镇规划、选择厂址、管道及交通线路选线以及总平面图设计和竖向设计之用。在施工阶段，要将设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程测设于实地，以便进行施工。施工结束后，还要进行竣工测量，绘制竣工图，供日后扩建和维修之用。即使是竣工以后，对某些大型及重要的建筑物和构筑物还要进行变形、沉降观测，以保证建筑物的安全使用。§1.1土木工程测量学的任务测定——是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用。测绘(量)学——研究地球的形状和大小以及确定地面(包括空中、地表、地下和海底)物体的空间位置，以及对于这些空间位置信息进行处理、储存、管理的科学。它的内容包括测定和测设两个部分。§1.1土木工程测量学的任务测设——是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。大地测量学——研究整个地球的形状和大小，解决大地区控制测量和地球重力场问题。常规大地测量和卫星大地测量。§1.1土木工程测量学的任务测量学按照研究范围和对象的不同，产生了许多分支科学。普通测量学——测量小范围地球表面形状时，不顾及地球曲率的影响，把地球局部表面当作平面看待所进行的测量工作。摄影测量学——利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置的工作，属于摄影测量学的范畴。由于获得像片的方式不同，可分为地面、航空、水下和航天摄影测量学。海洋测绘学——以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作，属于海洋测绘学的范畴。工程测量学——研究工程建设中所进行的各种测量工作，属于工程测量学的范畴。§1.1土木工程测量学的任务制图学——利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印各种地图的工作，属于制图学的范畴。本课程主要介绍普通测量学和部分工程测量学的内容。学习本课程之后，要求达到掌握普通测量学的基本知识和基础理论，能正确使用工程水准仪、工程经纬仪等仪器和工具；了解大比例尺地形图的成图原理和方法，在工程设计和施工中，具有正确应用地形图和有关测量资料的能力和进行一般工程施工测设的能力，以便能灵活应用所学的测量知识为其专业工作服务。§1.1土木工程测量学的任务工程测量学的主要任务：⑴研究测绘地形图的理论和方法⑵研究在地形图上进行规划、设计的基本原理和方法⑶研究建(构)筑物施工放样、建筑质量检验的技术和方法⑷对大型建筑物的安全性进行位移和变形监测§1.2地球的形状和大小测量工作是在地球的表面进行的，而地球自然表面很不规则，有高山、丘陵、平原和海洋。其中最高的珠峰高出海水面达8848.13m，最低的马里亚纳海沟低于海水面达11022m。但是这样的高低起伏，相对于地球半径6371km来说还是很小的。再顾及到海洋约占整个地球表面的71%，因此，人们把海水面所包围的地球形体看着地球的形状。由于地球的自转运动，地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称为重力，重力的方向线称为铅垂线。铅垂线是测量工作的基准线。静止的水面称为水准面，水准面是受地球重力影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。与水准面相切的平面称为水平面。水平面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。由大地水准面所包围的地球形体，称为大地体。§1.2地球的形状和大小通常用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体(即地球椭球)来代替地球的形状，作为测量计算工作的基准面。地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称旋转椭球。§1.2地球的形状和大小这个旋转椭球体称为参考椭球体，为一规则的曲面体。可用数学公式表示：§1.2地球的形状和大小(1-1)式中a、b为参考椭球体几何参数。a为长半径，b为短半径。参考椭球体扁率α应满足下式：(1-2)我国目前采用的元素值为长半径 a=6378140m扁率α=1:298.275由于α很小，在精度要求不高时，可近似将地球当作圆球体，其半径为平均值6371km。并选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。由此而建立起来全国统一坐标系，这就是现在使用的“1980年国家大地坐标系”。由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km§1.2地球的形状和大小地面挖点的固空间并位置增都与亡一定待的坐面标系废统相萍对应秒。在故测量帖上常绕用的醋坐标绘系有空间劣直角薄坐标崇系、大地各坐标烈系、高斯芦投影浆平面贸坐标明系、平面阶独立果直角昂坐标狸系等。地面如点位斤常用烛三个引量表巧示。雨基准竟线、然基准交面。§1.3测量常用的坐标系统1.3.1大地坐标系以参宣考椭宴球体棉面为峰基准站面。排用大衣地经伟度L、纬浩度B、大灾地高H表示予地面登点的捆空间颠位置凉。基准勇线为繁法线酸。经度朴自零侍子午竭面向峡东为数正、墙向西遍为负就。纬钩度…椭球党体面盛上的任大地顾高为阀零。§1.3测量常用的坐标系统1.3.2空间直角坐标系地面嘉点位喝也可龄用空缺间直勉角坐哭标(织x,退y,夕z)蹈表示锐。x轴z轴y轴右手姿坐标耽系§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系要将午球面绢上的书大地丢坐标错按一雾定数刚学法路则归牵算到养平面群上，转即采历用地悼图投啊影的茅理论稀绘制牌地形辱图，罩才能抹用于捏规划布建设歼。地图禽投影壶有等角投影喷、等面狐积投影伏和任意投影浩三种滩。等角撞投影哥又称正形镰投影，它忠保证尼在椭烛球体拆面上经的微楚分图发形投溉影到禾平面拖后将暗保持绒相似鱼。这岸是地辽形图摸的基独本要茎求。桐正投束影有肚两个岔基本竟条件嗓：①保角蛇条件纯，即梢投影侨后角宗度大渠小不堪变。②长度珠变形晒固定碰性，携即长惑度投狂影后简会变揉形，纯但在熊一点肢上各撇个方稿向的蛇微分生线段耀变形畜比m师是个呢常数仰k:m=寇ds辫/d假S=容k式中篮：d聋s—市—投戏影后羡的长朱度dS沃——宵球面捷上的便长度攀。§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系⑴高良斯投雅影的迎概念（正形长投影）①中键央子励午线顺是直线，其长度生不变喂形，离剖开中茂央子钱午线兼的其总他子辣午线因是弧披形，验凹向罚中央荒.子川午线屡。离袄开中废央子择午线苦越远疮，变天形越碰大。②投霞影后赤道引是一搜直线，并爷与中雪央子芬午线救正交电。③离赵开赤歪道的俱纬线棉是弧秩线，扫凸向伶赤道搜。在高索斯投阵影平挂面上：§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系高斯糕投影齐可将谋椭球堂面变妙成平艰面，冠但离倾开中徐央子帮午线喝越远挂变形慎越大族，这犬种变算形将舒会影贱响测木图和些施工吹的精糟度。刘为对党长度剖变形狸加以寨控制券，测擦量中蕉采用农限制羽投影灿宽度事的方功法—泳—分赴带投痕影。懒投影们带宽胳以相眼邻两置子午脂线的侧径差l来划教分。号有6°恶、3错°带等停不同莲投影筑方法伸。6°誉带何投强影是冰从英斤格林唐尼治驱子午花线开皱始，那自西踏向东果，每衬隔6躬°投跟影一延次。揉将椭贴球分链成6蝴0个姑带，馅编号缝为1婚～6镇0带竿。各带份中央雄子午美线经赤度(调L06)按疑下式戴计算挤：6°悠带(1-3)已知莲某点穴大地文经度误L，临可按织下式召计算浮所属竟的带腰号：(的整数商)+1(有余数时)(1-4)§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系3°挡带蜜是因在6带°带饮基础筛上划遗分的目，其株中央路子午鹅线在奇数带时淋与6眯°带识中央撤子午接线重葵合，井每隔览3°鞋为一紧带，舌共1劳20枣带，断各带棵中央电子午孔线经腹度为见：各带毙中央盖子午捆线经殿度(采L03)按萍下式者计算多：3°尖带(1-5)已知突某点也大地恒经度销L，许可按植下式仍计算燃所属基的带烫号：(的整数商)+1(有余数时)(1-5‘)§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系⑵高妄斯平迎面直笼角坐感标的食建立以赤妹道和退中央王的交廉点为阴坐标倾原点币O，杂中央不子午狭线方逆向为x轴，露北方勒向为仿正。池赤道份投影彼线为y轴，私东方激向为谁正。蔽象限左按顺向时针拼排列喂，同洗一投薯影带蛾内y眉轴有枯正有饮负。为使足y值纱都为昆正，喉将纵容坐标经轴西业移5侧00驳km衫,并蹈在y遗坐标效前面跟冠以诵带号蒸，第革20轰带，肯中央核子午化线以恳西P扛点：x’p=4吃42探97外57期.0缘瑞75距my’p=-信58槽26锣9.症59套3m在2领0带用中高测斯直贯角坐求标为狐：xp=4溉42铜97碗57经.0俱75颜myp=2涌04给41垫73验0.名40状7mx’p=4浑42沾97按57加.0撞75责my’p=-58么26代9.缘瑞59起3mxp=4扰42菠97森57酸.0引75膀myp=2044俱17慢30骆.4窜07形m§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系⑵高浑斯平免面直浩角坐骄标的段建立高斯旺直角邮坐标痒系与糊数学茫中的棒笛卡鸭尔坐蛛标系拜不同繁。这样捕的做主法是柄为了纹将数挖学上乞的三假角和喘解析阿几何观公式葬直接廉用至交测量粥的计挺算上壮。§1.3测量常用的坐标系统1.3.4平面直角坐标系当测果区的拔范围斑较小恩时，旬可以授把测云区球慰面当驶作两燃面处忆理，双直接赢将地铸面点枪沿铅驾垂线线投影背到水络平面叛上，鼠用平娘面直运角坐瞒标来包表示崭。平犬面直稳角坐姥标原点一般现选在肃测区施西南口方，以该堵测区码子午丛线方敢向(真穿子午岭线或挥磁子也午线轰)为x猫轴，聋北方门向为氏正。元y轴谱与x邀轴垂窑直，垃东方嗽向为绵正。大地速高：以参考用椭球桂体面为高曾程基乓准面穷。大舌地高商是地皂面点桑沿法线到椭药球体碌面的合距离楚，用烫H大表示日。§1.3测量常用的坐标系统地面疮点的高程是指宋地面肃点到乓某一著高程减基准卫面的沃垂直万距离粥。1.3.5高程系统测量珍上常柔用的拾高程丢基准匹面有参考碑椭球队体面和大地米水准卵面。大地挪高海拔杆高：以大地面水准惕面为高到程基凯准面贿。即润地面摆点沿垂线到大逼地水涌准面别的距骗离，掏也称奥为绝对添高程，用谣H海表示召。海拔豪高在局口部地泊区特素殊条宿件下周，不饱需要捧和国支家高撞程系炼统联曲系，军可采取用一谊个假设炼水准惜面为高彻程起省算面硬。所巾得到宝的地粥面高价程称俭为假瞎设高防程或失相对税高程横。§1.3测量常用的坐标系统“1毯95洞6年尝黄海娇高程携系”虏，青岔岛市树观家喷山水蛙准原饥点高恐程为72评.2赚89叶m。1.3.5高程系统假设谣高程“1单98酿5年数国家盾高程暗基准井”，吹青岛侍市观动家山怨水准清原点鬼高程盼为72末.2蜡60誉m。1浸98怕7年半后启毛用此肿基准届。相对难高程地面宜两点戒的高疮程差夕称为笔高差做，用排h表穗示，奇图1胁-9替。A惠、B零两点凭的高昂差为字：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb海-Ha海由此博可见两点病间的徐高差咱与高缘瑞程起犬算面瞧无关。测量条中将暮地物所和地膊貌统即称为赠地合形。测定伞地物汁和地怠貌的蝴三维挪坐标大，并壶用平桑面图眠形表吴示，武称为梨地形衬图地貌蛮——粒指地女球表偶面高赚低起酒伏的燥形态枪，如勒山峰遮、河肝谷、览台地旅、悬诱崖等地物侍——下包括港地面六上人蚕造或月天然会固定料物体时，如宝房屋堆、道趋路、交河流等、湖葡泊等§1.4地面点位的确定地物地貌地形地形翠图地形巷测量凉是在矛地物蛇和地果貌上递选择窝一些池有代表请性的右点进行谦测量避，将立测量滔点投都影到毁平面越上，孟然后目用点秩、折火线、因曲线眨连接科起来外表示扫地物还和地幅貌。躬这些暂能表通现地身物和糊地貌占特征拉的点棚称为特征支点。所竭以测岔量实短际是藏测定旱这些束特征内点的语三维滥坐标闲。代表孕性的扎点特征岔点§1.4地面点位的确定特征老点的刷测定姐方法遭：§1.4地面点位的确定卫星立定位几何肥测量诸定位利用饰卫星判信号抗接收咱机，痰同时烫接收江多颗拐定位受卫星樱发射伞的信销号进屑行定眉位，委称为卫星点定位。若在恼待测谢点P良安置渐卫星饱接收镜机，准在某称时刻杯同时疫接收珠三颗粗卫星味信号搭，测渐定卫腿星至厨接收脚的距滔离Rip。已宗知该玻时卫动星空忆间三虾维坐撑标，净即可采用下猪式求蓝出待践测点债三维览坐标六：(1-7)几何送测量吓定位：§1.4地面点位的确定如地企面上丢有三扇个点棍A、砍B、席C，为其中麻A点谎坐标拦已知侵，待抖求点嚼为B葛、C研，见套图1唐-1机2。查测定佣a、尿b间情平距Dab,及辜x纵屠坐标创北方璃向与神ab旋边的敞夹角αab(称码为方培位角该)，哗即可拐求定满b点践平面稍坐标轻：若已活知A汪、B拆坐标厘，只餐要测抛定β锋角和净距离蹈Dbc,即叔可确岛定C君点位笨置。(1-8)常规阅测量猴中，量距掩、测牢角和蚀测高丽差是确只定地渡面点慢位的基本尊测量坝工作。测量岂工作辛遵循虹的原售则§1.4地面点位的确定不论兔地物习或地宰貌，滚它们医的形反状和妄大小愉都是迈由一层些特征索点的位舱置所逃决定断。这烘些特丝式征点捷也称摘为碎部得点。测集图时烦，主滔要是测定这些虏碎部杆点的平平面质位置骨和高液程。测定忠碎部蛙点的银位置喘，其追程序贝通常稳分为乳两步晃：①控制芹测量，图崇1-滋10色。先紫在测检区内战选择雀若干急具有竿控制回意义州的点狸作为发控制悲点，舍以较鞭精确筐的仪肆器和例方法印测定参各控笋制点呆的距议离D、各控鸟制边弯之间喂的水肢平夹慌角β、某一偶条边皂的方南位角α，设点控2的法坐标愁已知乌，则肾可计自算出璃其它津控制习点的锣坐标查，以泊确定倘其平面由位置。同泼时还亡要测泳出各插控制雕点之翠间的高差。②碎部超测量，是改根据成控制么点测头定碎冻部点洁的位逐置(平面彼位置遭和高宾程)。碎部谢点控制糊测量碎部风测量测量烛工作奔遵循览的原挡则§1.4地面点位的确定这种色“从整纺体到哲局部”、攀“先控局制后海碎部”的园方法丛是组缠织测早量工锐作应馒遵循哈的原躲则，铁它可压以减抛少误业差累惕积，赶保证永测图那精度撒，而矿且可稻以分着幅测津绘，夕加快基测图抬进度斯。从上榴述可冠知，菊当测买定控做制点饼的相避对位准置有沃错误机时，斩以其展为基踩础所云测定煌的碎讯部点道位也俯就有贴错误聋，碎挂部测厕量中妖有错姿误时发，以赖此资皂料绘搬制的茂地形尊图也坛就有固错误演。因倍此，单测量庭工作漂必须盾严格弱进行勒工作阅，故虚“前一馋步测应量工搭作未学作检奥核不垮进行度下一府步测锈量工升作”是忆组织坦测量惊工作雕应遵陕循的者又一屋个原陶则，粉它可掌以防半止错炊漏发聚生，机保证易测量恒成果事的正角确性纷。综上浓所述堪，无完论控摆制测声量、获碎部碧测量温和施霞工测用设，畏其实炭质都碑是确股定地杨面点拾的位则置，厘但控制常测量是碎则部测为量和遮测设荣工作灶的基坊础。碎部俊测量是把抚地面咱上各糠点测版绘到你图纸压上并秒绘制风成地塘形图爆，而测设工作征是将牢图设胜计的套建筑拆物和牛构筑赛物的箭位置脖放样俗到地喇面上震，作稳为施她工的挽依据风。而趋地面案点间甲的相喝互位耽置关失系，况是以伶水平链角(熟方向朋)、界距离船和高酸差来宰确定慢的，般因此弹，高程萍、水水平角搭和距蹲离测场量是旁测量擦学的递基本适内容，测高因程、环测角境和量蓄距是贯测量愉的基葛本工根作，观测俯、计踏算和麻绘图那是测累量工锄作的锦基本适技能律。§1.4地面点位的确定§1.5用水平面代替水准面的限度用水侦平面兆代替抄水准以面，参使测汤量和毕绘图坟工作御大为摸减化络，下根面来由讨论停由此纵引起戏的影辩响。1.5.1对距离的影响如图耗，由磁平面挣代替盏曲面商产生减的误垮差为虑ΔD旧。ΔD=ab’-ab=D-S=Rtanθ-Rθ=R(tanθ-θ)(1-10)在小璃范围蓄测区兰θ角搂很小揭。t伐an然θ用垄级数洪展开散，略肚去五蚁次方疫项，穿则(1-11))用θ温=D狡/R块代入缓，则(1-12)§1.5用水平面代替水准面的限度1.5.1对距离的影响取地磁球半贫径R恭=6贷37课1k锡m。毙D用放不同况距离封代入见，计抹算结槽果如煮下：(1-12)1/19万12.83251/30万6.57201/54万2.77151/120万0.8210-----0.00