大跨径桥梁精密定位.ppt

1、大跨度桥梁精密定位教学大纲课程内容本课程主要介绍国内外大跨度桥梁精密定位的研究现状和精密定位观测的数据处理方法、全站仪平面定位精度分析、全站仪三角高程测量精度分析、大气折射系数的确定及其遗传神经网络预测、桥梁控制测量和大跨度桥梁施工精密定位案例分析。本课程要求掌握大跨度桥梁精密定位方法的基本原理和方法，以及精密定位方法在大跨度桥梁施工控制和健康检查中的实际应用。学习本课程的预期目标是学生勤于思考，勇于创新，在解决大跨度桥梁施工控制和健康检查中的实际问题时，能够显著提高学生分析和解决实际问题的能力。本课程重点是全站仪极坐标平面定位法的精度分析，全站仪三角高程单向观测法、反向观测法、中间观测法和挠

2、度测试法的精度分析，大跨度桥梁平面控制网的布设形式，高程控制网的建立和跨河水准测量，大跨度桥梁施工的精密定位案例分析。本课程的难点是用遗传神经网络预测大气折射系数。教科书1。杨国清。控制测量。北京：测绘出版社，2005年参考书1。聂让。高等级公路控制测量。北京：人民交通出版社，2001年2月。朱海涛。桥梁工程实用测量。北京：中国铁路出版社，连月泉，2004年3月。桥梁施工控制三角高程测量中间观测方法研究，武汉理工大学学报，2004年4月。连月泉，基于人工神经网络的大气折射系数实时校正方法J.武汉理工大学学报，2005年5月。连月泉.基于人工神经网络的桥梁施工三维坐标定位方法.武汉理工大学学报，

3、2005 .评估方法与要求.本课程考试方法要求.论文的撰写应符合科技论文的规范，具有完整的体系，新颖的内容，正确的论点，清晰的组织和流畅的文理。第一章绪论工程测量仪器分为通用仪器和专用仪器。一般仪器通常使用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、数字水准仪和全球定位系统接收器。传统的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪已逐渐被全站仪和电子水准仪所取代。全站仪是一种集电子经纬仪、测距仪和微处理器于一体的电子测量仪器。它灵活方便，可以同时测量角度和距离。计算测量结果，获得距离、高度差和坐标增量，并自动显示在液晶显示屏上。在工程测量中，它改变了传统的测量思想，直接测量点的坐标。它能自动记录、存储和输出测量结

4、果，并与计算机进行双向数据传输，促进了测绘自动化，大大提高了测绘工作效率，减少了人工读写数据的误差，实现了内外测量的一体化，使其测量数据信息成为地理信息的重要组成部分。全站仪广泛应用于各种工程测量中。全球定位系统(GPS)是美国军方于20世纪70年代初在“子午卫星定位系统”技术基础上发展起来的一种全球卫星定位系统，具有全天候、超长距离和地面障碍物定位等无可比拟的优势。1984年，美国将全球定位系统技术应用于斯坦福粒子加速器的工程测量，拉开了全球定位系统技术工程应用研究的序幕。利用全球定位系统技术建立平面控制网，通常采用载波相位静差技术来保证毫米精度。应用全球定位系统技术建立公路隧道工程控制网具

5、有明显的优势。使用全球定位系统技术，因为不需要国际该测量机器人能够像机器人一样自动发现并准确瞄准目标，一秒钟内观察一个目标点，连续重复观察数百个目标，可广泛应用于变形监测和施工测量。将全球定位系统接收器与电子全站仪或测量机器人连接起来称为超级站仪器。它将全球定位系统实时动态定位技术RTK与全站仪灵活的三维极坐标测量技术完美结合，无需控制网即可实现各种工程测量。随着全站仪和全球定位系统接收机的改进和性价比的不断提高，高精度全站仪三角高程测量和全球定位系统精密水准测量的实现将会给现行的土木工程测量方法和规范带来变化，也表明全站仪和全球定位系统技术在高程控制测量中具有巨大的应用潜力和良好的经济效益。

6、1.1测量基准和高程系统控制测量是在一定区域内选择合适的控制点，并准确确定这些控制点的平面位置(坐标)和高程，作为测绘该区域地形图的依据和进行各项工作施工放样的依据。在施工阶段，必须建立符合精度要求的施工控制网，将图纸上设计的工程建筑物放在现场，以指导施工，保证施工质量。在工程竣工后的运营阶段，需要建立专门的变形观测控制网，对建筑物的变形进行监测。由于施工阶段地面的原始状态发生了变化，建筑物本身对基础及其周围环境施加了一定的力，导致基础下沉变形，建筑物也会在基础变形及其外荷载和内应力的影响下发生变形。这种变形在一定范围内是正常现象，但如果超过一定限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时甚至会危及

7、建筑物的安全甚至损坏。因此，对于大型建筑，如大型桥梁和特大型桥梁，必须进行变形观测。即通过控制测量建立专门的变形观测控制网，并在建筑物上或周围的适当位置埋设一定数量的标志进行定期观测。由于工程建筑物的变形一般很小，为了准确测量这些微小的变形，要求变形观测控制网具有较高的精度。为了确定控制点的位置和绘制地形图，有必要将直接原位测量的结果标准化为参考平面，该参考平面必须尽可能与地球表面一致。因此，有必要知道地球的形状和测量的基准面。1.1.1大地水准面(1)地球上的任何一点都必须同时受到两种力的影响，一种是地球旋转引起的离心力；一是地球的引力。离心力和重力的合力是作用在这一点上的重力，重力的作用线

8、是铅垂线。自由静止的水面称为水平面。水准面必须垂直于重力方向，即各处的铅垂线，否则水面将会流动而不能保持静止。因此，水平面在任何地方都是垂直于重力方向(铅垂线)的连续表面。因为重力存在于地球表面附近的空间或地球内部的任何地方，所以通过不同高度的点有一个相应的水平。观测水平角度时，全站仪调平后，仪器的垂直轴位于铅垂线方向，水平标尺垂直于垂直轴，其平面为水平面的切面。因此，测量的水平角度实际上是水平面上观察方向线的投影线之间的夹角。测量水平距离时，也是基于铅垂线的，所以测得的水平距离是指水平面上不同高度的距离。两点之间的高度差用水准测量方法测量，测得的高度差是指经过这两点的水准面之间的垂直距离。可

9、以看出中国的珠穆朗玛峰高达8848米；低至西太平洋的马里亚纳海沟，深度为11022米。尽管如此，与地球的巨大体积相比，它仍然可以被认为是一个小的波动。另外，地球上的海洋面积占地球总面积的71%，所以静止的海面是地球上最大的水平面。可以假设有一个静态的平均海面延伸到陆地，形成一个封闭的曲面，这就是所谓的大地水准面，它所包围的形式称为大地测量体。实践证明，在不同水平上测得的水平角很小，当它们简化为大地水准面时可以忽略不计。因此，在地面上测量的角度值可以直接用作大地水准面上的角度值。虽然在地面上测得的边长不能直接作为大地水准面上的长度，但可以根据公式转换成大地水准面，地面点的高程直接从大地水准面计算

10、出来。因此，大地水准面可以作为野外测量的基准。1.1.2参考椭球由于地球的重力与地球内部的质量有关，而地球内部的质量分布是不均匀的，这就导致地面上各点的铅垂线方向发生不规则的变化，所以大地水准面实际上是一个不规则的表面，有轻微的起伏。大地水准面不是一个几何平面，所以不能用数学公式准确表达，所以不能准确地知道它的形状，也不能在这个平面上计算测量结果。从这个观点来看，有必要找到一个类似于地球的规则体，它可以用一个数学模型来表示，并可以作为计算测量结果的基准面。长期的测量实践证明，地球非常接近以椭圆短轴为旋转轴的旋转椭球体，旋转椭球体可以用数学公式严格表示。因此，世界上每个国家通常用一个旋转的椭球体

11、来代表地球的形状，这个椭球体叫做地球椭球体。地球椭球的大小和形状用长轴和短轴或扁率来表示。离地球最近的地球椭球被称为地球总椭球。地球总椭球必须根据全球天文、大地测量和重力测量数据来确定。然而，很难获得占地球面积71%的海洋表面的数据。因此，许多国家只能根据当地的测量数据计算出与本国或本地区大地水准面紧密匹配的地球椭球面，称之为参考椭球面。可以看出有许多参考椭球，而地球只有一个完整的椭球。目前，我国使用的参考椭球是1980年的国家大地参考系(1975年的国际椭球)，其长轴、短轴和展平比分别为6378140米、6356755.3米和1298.257米。目前，全球定位系统使用的坐标系是WGS-84。

12、WGS-84椭球采用国际大地测量学和地球物理学联合会第17届大会推荐的大地常数：6378137米、6356752.3142米、1298.257米。1.1.3垂直偏差和大地水准面之间的差异大地水准面是一个在任何地方都与其垂直线正交的表面。由于地球质量分布不均匀，大地水准面不可能是简单的几何表面。因此，不可能使两个表面完全重合，无论是用一般椭球面与大地水准面匹配，还是用参考椭球面与部分大地水准面匹配，所以我们只能寻求最佳匹配，使各处的差异最小化，但差异总是存在的。标志大地水准面和椭球面之间差异的量是垂直偏差和大地水准面差异。所谓的垂直偏差是从地面上的一点到大地水准面的铅垂线和从该点到椭球面的法线之

13、间的角度。大地水准面间隙是指大地水准面超出椭球面的高度。1.1.4高度系统(1)大地高度系统大地高度系统是以地球椭球面为基准面的高度系统，与大地坐标系属于同一系统。m点的大地高是指m点到椭球体沿参考椭球体通过该点的法线的距离。地球的高度随选定的参考椭球而变化。全球定位系统采用WGS-84(世界大地测量系统l984)椭球体。利用全球定位系统定位技术，可以直接测量WGS84中观测站的地球高度。坐标系由坐标原点的位置、坐标轴的方向和比例来定义。在全球定位系统定位测量中，坐标轴的原点取地球的质心，因此地球坐标系也称为地心坐标系。坐标轴的方向在一定程度上是有选择性的，但为了使用方便，全球坐标系的坐标轴方

14、向是由全世界一致决定的，所以这种共同确定的坐标系称为协议坐标系。WGS-84坐标系是公认的地球(中心)坐标系，由美国国防部开发和建立，自1987年1月10日开始使用。如图所示，WGS-84坐标系的原点是地球的质心m，简称为常规国际原点(CIO)，z轴指向BIH1984.0(BIH是国际时间局的缩写，在法国巴黎的地址)，x轴指向BIH1984.0定义的零子午线平面与CTP对应的赤道的交点，y轴垂直于ZXM平面，与z轴和x轴形成右手坐标系。虽然大地高系统在工程测量中尚未得到广泛应用，但它对于结合水准测量数据和重力测量数据研究大地水准面的形状，以及结合高程异常数据确定点的正常高度具有重要意义。(2)

15、正交各向异性系统正交各向异性系统是以大地水准面为基准面的高度系统。地面点m的高程是指从点m的垂直线到大地水准面的距离。由于地面点和大地水准面之间的水平面不平行，垂直于地面点和大地水准面的铅垂线实际上是一条曲线，受地球内部质量分布的影响。因此，严格来说，真正的高度是无法精确测量的。(3)正常高系统和正高系统的区别在于，它不是代表从地面到大地水准面的垂直距离，而是代表从地面到非常接近大地水准面的表面的垂直距离。这个表面被称为似大地水准面。从这个角度来看，正常高系统是基于似大地水准面的高度系统。由于无法精确获得正射高度，因此无法精确测量大地水准面，因为正射高度系统是以大地水准面为参考平面的高度系统。

16、然而，可以精确地获得正常高度，并且可以精确地测量似大地水准面。似大地水准面与参考椭球面之间的高差一般称为似大地水准面高程异常。它可以用天文重力水准测量法测量，所以正常高度和大地高度可以相互转换。实践证明，正常高度与真实高度之差，即似大地水准面与大地水准面之间的距离，在山区最多只有2m，而在平原地区只有几厘米，因此似大地水准面与大地水准面之间的差异一般较小。正常高度系统是中国通用的高度系统。1.2国内外精密定位研究现状虽然全站仪和全球定位系统技术在国内土木工程中的应用起步较晚，但自引入以来，其在高边坡、大跨度桥梁、长隧道、高等级公路和高层建筑的定位控制和健康监测中的应用方兴未艾。1.2.1我国研

17、究现状(1)高边坡变形监测三峡水利枢纽的变形监测和库区的地壳形变、滑坡、崩塌和水库诱发地震的监测是世界上最大的。它不仅采用了国内外最成熟、最先进的仪器和技术，而且在实践中发展了新的技术和方法，如研究滑坡变形和失稳的计算机智能模拟系统；三峡库区滑坡泥石流预测3S工程涉及精密工程测量。湖北省隔河岩大坝全球定位系统变形监测系统于1998年3月投入使用。整个系统包括三个部分：数据采集、数据传输和数据处理。该系统在1998年8月特大洪水期间的监测运行表明，该系统安全可靠，抗干扰能力强，监测精度高。用1hGPS观测数据计算的监测点的水平精度和垂直精度分别优于1和1.5。用6hGPS观测数据计算的监测点水平精度优于0.5，垂直精度优于1