第一章绪论(工程测量).ppt

1、工程测量学（A） 胡吉平北京交通大学土建学院道路与铁道工程系,2020/8/17,2,本课程的意义及要求,1学习本课程的意义。 所有土木工程的设计、施工、竣工、扩建维修及变形监测均要进行测量工作。 交通工程的规划、设计、施工和营运都离不开测量工作，特别是运输管理更需要测量支撑。,2020/8/17,3,学习好本课程的要求。 认真听课； 做好课堂练习； 独立完成作业； 认真参与实验课。,2020/8/17,4,第一章 绪论 本 章 学 习 要 点 1、测量学的定义及其分类； 2、测量学的主要任务在工程建设中的作用； 3、地面点位的表示方法；(难点) 4、测量的基本工作和工作原则。,2020/8/

2、17,5,目 录,第一节 测量学的任 务及作用 第二节 测量学的发 展及现状 第三节 地面点位的 表示方法 第四节 水平面代替 水准面的范围 第五节 测量工作的 程序和原则 第六节 测量中常用 的计量单位,2020/8/17,6,一、测量学的定义 测量学是研究地球形状和大小以及如何测定地面点的空间位置，或将地球表面的地形及其它信息测绘成图的科学。 二、分类 l大地测量学：研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及建立广大区域控制网的理论、技术和方法的学科。又分为常规大地测量学和卫星大地测量学，在研究中考虑地球曲率的影响。 l普通测量学：研究地球局部表面的形状和大小的学科，不顾及地球曲率的影响。

3、,1.1 测量学的任务及作用,2020/8/17,7,l摄影测量学：研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定其形状、大小和空间位置的学科。又分为地面摄影测量学、航空摄影测量学、水下摄影测量学和航天摄影测量学 l海洋测量学：研究以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作的学科。 l工程测量学：研究工程建设在设计、施工和管理各阶段进行测量工作的理论、技术和方法的学科。 l地图制图学：利用测量、采集和计算所得的成果资料，研究各种地图的制图理论、原理、工艺技术和应用的学科。研究内容包括地图编制、地图投影学、地图整饰、印刷等。 本课程所介绍的内容：大地测量、普通测量、工程测量各一部分，后两

4、者为重点。,2020/8/17,8,l 测定：是指按照一定方法，使用测量仪器和工具，通过测量和计算确定地面点的位置（三维坐标），或把地球表面的形状测绘成地形图。这些资料可供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用，是认识自然的过程。 l测设（又称放样）是指通过测量把图纸上设计好的建筑物或构筑物标定于实地。这是改造自然的过程。 测定(Location) 地面图纸 测设(Setting-out),三、测量学的主要任务测定和测设,2020/8/17,9,四、测量在交通运输领域中的作用,在规划设计阶段：为交通规划设计提供详细的地面资料 （地形图和纵、横断面图）； 在施工阶段： 将设计好的交通工程测设

5、标定于实地并指 导施工和变形监测； 在峻工阶段： 进行竣工测量，为交通工程的扩建、改建 提供竣工图； 在运营阶段： 进行维护测量，以便对工程进行维护保 养，确保运营安全。,2020/8/17,10,1.2测量学的发展与现状,测量学的发展简史 测量学的发展现状,2020/8/17,11,一、 测量学的发展简史,世界最早的测量记载： 公元前21世纪史记.夏本记 记载“准、绳、规、距” 世界最早的地球球体说：公元前6世纪，古希腊 毕达哥拉斯，地球自转 世界最早的测量仪器：公元前3世纪中国四大发明之一 司南，即指南针 世界最早提出大地测量名词：公元前3世纪古希腊 亚里士多德提出 世界最早的地图论著：公

6、元前3世纪古希腊埃拉托色尼 地理学提出经纬图，地球周长 世界最早的天文测量仪器：公元100年，中国东汉张衡， 混天仪,2020/8/17,12,世界最早的地图制图规范：公元265年，中国西晋裴秀 禹贡地域图序言“制图六体” 世界最早的地形模型：公元421年，中国南朝谢庄 制造木方丈图 世界最早的近代地球仪：1429年，德国白海姆制作 世界最早的地球投影：1569年，德国墨卡托投影 世界最早的望远镜： 1608年，荷兰，汉斯发明望远镜 世界最早的近代测量工作：1617年，荷兰，斯纳尔 在世界首次进行三角测量 世界最早的地球椭球论： 1672年，法国里歇通过观测钟摆周期的实验，推论地球是椭球；16

7、87年，英国牛顿在自然哲学的数学原理书中根据万有引力定律证明了地球是旋转椭球的理论,2020/8/17,13,高斯（C.F.Gauss，17771855年） 世界近代测量史的杰出代表，现代测量科学的奠基人，德国著名的数学家、物理学家、天文学家。,1794年，最早提出最小二乘法，奠定了的近代测量平差理论的基础，1809年正式发表（概率论创始人法国拉格朗日1806年发表最小二乘原理） 1822年，创立高斯投影理论，1912年由德国大地测量学家克吕格补充完善，正式建立高斯-克吕格投影和高斯-克吕格平面直角坐标系，简称高斯平面直角坐标系 1826年，创立三角测量控制网整体条件平差理论 1828年，提出

8、平均海水面概念，为全球建立大地水准面作为高程基准面打下基础,2020/8/17,14,二、 测量学的发展现状,望远镜的发明，推动了光学测量仪器（如光学水准仪、经纬仪）的发展和广泛使用 1859年第一台地形摄影机在法国制造，洛斯达开创了地面摄影测量方法 1903年飞机的发明，1915年第一台自动连续航空摄影机在德国蔡司测绘仪器厂研制成功，使航空摄影测量成为现实 1947年瑞典生产第一台光电测距仪，世界从此进入电子测量时代。随后相继出现了微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪等 电子经纬仪+光电测距仪+计算机=电子全站仪,2020/8/17,15,从游标经纬仪 光学经纬仪 电子经纬仪 电子全站仪数字智

9、能型全站仪 从光学水准仪自动安平水准仪电子水准仪数字水准仪 从地面摄影测量航空摄影测量数字摄影测量卫星遥感（RS） （Remote sense）图像处理三维激光扫描系统 从野外白纸测图计算机机助制图数字化自动成图地理信息系统（GIS）(Geographic information system) 从全球卫星定位系统（GPS） （Global positioning system） “3S”集成技术,2020/8/17,16,电子全站仪与工程测量,2020/8/17,17,光学自动安平水准仪与水准测量,2020/8/17,18,数字水准仪,2020/8/17,19,航空摄影测量,2020/8/1

10、7,20,卫星遥感图像处理,2020/8/17,21,三维激光扫描系统,2020/8/17,22,地理信息系统GIS建库,2020/8/17,23,GPS用于大地测量,2020/8/17,24,GPS用于军事,2020/8/17,25,GPS、GIS、RS“3S”集成,GIS,DTM 正射影像 制图 修测 可视化 影像分析 分类,地面处理,2020/8/17,26,1.3地面点位的表示方法,2020/8/17,27,一、地球形状与大小 1. 地球自然形体 1.不规则曲面:表面起伏较大的椭球 地球表面最大高差近20km 2. 地球又是一个近似光滑的水球 ：海洋面积占71 %,2020/8/17,

11、28,测量工作是在地球表面进行的。地球表面虽然很不规则，有高山、平原、丘陵、海洋等。但这些起伏相对于地球本身十分微小。,2020/8/17,29,重力方向线: 即铅垂线, 是测量工作的基准线 水准面：自由静止的水面，处处与铅垂线相垂直。水准面有无数个。,2020/8/17,30,大地水准面（mean sea level） ：与平静的平均海水 面相重合、并延伸通过陆地而形成的封闭 曲面。大地水准面是唯一的。 特性: 唯一性、等位面、 不规则曲面 大地体：由大地水准面所包围的代表地球形状和大 小的地球形体。,2020/8/17,31,由于大地水准面是一个不规则的曲面，不能用数学公式表述，因而需要寻

12、找一个理想的几何体代表地球的形状和大小。 该几何体必须满足两个条件： 形状接近地球自然形体； 可以用简单的数学公式表示。,2020/8/17,32,参考椭球体及参考椭球面,参考椭球体 一个非常接近大地体，并可用数学式表示 几何形体，作为地球的参考形状和大小。 它是一个椭圆绕其短轴旋转而形成的形体， 故又称旋转椭球体。,参考椭球面,参考椭球面 参考椭球体外表面， 是球面坐标系的基准面。,2020/8/17,33,旋转椭球体由长半轴a（或短半轴b）和扁率决定。 我国目前采用的参考 椭球体的参数为： 长半轴 a= 6378140m 短半轴 b= 6356755.3m 扁 率 = =,测量精度要求不高

13、时，可把地球看作 圆球，其平均半径 R =6371km,数学模型,2020/8/17,34,测量工作的基准线和基准面 测量工作的基准线铅垂线 。 测量工作的基准面大地水准面。 测量内业计算的基准线法线。 测量内业计算的基准面参考椭球面。,2020/8/17,35,二、确定地面点位的方法 地面点的空间位置可以用点在水准面或水平面上的位置（X，Y）及点到大地水准面的铅垂距离（H）来确定。 如地面点： A （X，Y，H）,2020/8/17,36,三、地面点的高程 地面点的高程： 地面点沿铅垂方向到 大地水准面的距离。 注：地面点在大地水 准面以上，H为正； 地面点在大地水准 面以下，H为负。 如图

14、：HA= 166.780m HB= - 136.680m,A,大地水准面,HA,B,HB,2020/8/17,37,绝对高程（海拔） ：某点沿铅垂线方向到 大地水准面的距离。如：HA、HC。 相对高程： 某点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。 如：HA、HC 。 高差： 地面上两点高程之差。 如：hAC = HC HA hAC = HC HA 当hAC为正时， C点高于A点； 当hAC为负时， C点低于A点；,2020/8/17,38,我国的高程系统： 水准原点 全国高程的起算点。 1985年国家高程基准 （72.260m ） 1956年黄海高程系 （72.289m） 目前我国统一采用 1985

15、年国家高程基准 。,水准原点,H0,验潮站,大地水准面,2020/8/17,39,四、地面点的坐标 地面点的坐标常用地理坐标、平面直角坐标或 空间直角坐标表示。 （一）地理坐标 以参考椭球面为基准面，以椭球面法线为 基准线建立的坐标系。 地球表面任意一点的经度和纬度，称为该 点的地理坐标，可表示为 A(L,B) 。 如：北京 东经11628北纬3954,2020/8/17,40,S,纬线,N,O,地 轴：地球的自转轴(NS)，N为北极，S为南极。,子午面：过地球某点与地轴所组成的平面。,子午线：子午面与地球面的交线， 又叫经线。,起始子午面：通过英国格林尼治天文台 的子午面NGS 。,纬 线：

16、垂直于地轴的平面与地 球面的交线。,赤道平面：垂直于地轴并通过 地球中心的平面WME。,赤 道：赤道平面与地球面 的交线。,W,E,赤道,赤道平面,起始子午面,起始子午线,G,椭球上的基本概念,2020/8/17,41,大地经度：过P点的子午面NPS与首子午面NMS所构成 的二面角叫做P点的大地经度，用L表示。,大地纬度：过P点的法线 Pn与赤道面的夹角叫做P点 的大地纬度，用B表示。,赤道平面,O,P,M,大地经度L,大地纬度B,n,L,B,起始子午面（首子午面）,S,N,L取值范围： 东经0180 西经0180 B取值范围： 北纬090 南纬090,2020/8/17,42,大地原点：全国

17、统一坐标的起算点。,1）1954年北京坐标系 大地原点在现在俄罗斯的普尔科沃 2）1980年国家大地坐标系 大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，,2020/8/17,43,（二）平面直角坐标,由于地理坐标是球面坐标，在工程建设规 划、设计 、施工中，测量和计算十分不便。 投影：将球面坐标按一定的数学法则归算到 平面上。 即 X= F 1（L，B） Y= F 2（L，B） 我国采用高斯平面直角坐标，小地区范围内 也可采用独立平面直角坐标。,2020/8/17,44,A.高斯平面直角坐标系:等角横切椭圆柱保角投影，使球面上的角度与投影平面上的角度保持不变。 它是由德国数学家高斯(Gauss，17771855)提出，后经德国大地测量学家克吕格(Kruger，18571923)加以补充完善，故又称“高斯克吕格投影”，简称“高斯投影”。,2020/8/17,45,测量中大量的角度观测元素，在投影前后保持不变，这样免除了大量投影计算工作； 保证在有限范围内使得地图上图形同椭球上原形保持相似，给识图用图带来很大方便。 投影能方便的按分带进行，并能用简单的、统一的计算公式把各带连成整体。,测量对地图投影的要求：,2020/8/17,46,N,S,c,中央,子,午线,赤道,高斯投影的原理,高斯投影采用分带投影。将椭球面按 一定经差分带，分别进行投影。,图形：高斯投影方法图一,20