土木工程测量学.ppt

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1、选课班级：鹿山学院 任课教师：杨晓云 E-mail：联系电话:日 期：,工 程 测 量,广西工学院土木与建筑工程系,学习“工程测量”,测量科学技术在国民经济建设和社会可持续发展以及国防建设中的重要地位不断提高，应用不断扩大。-宁津生课程的性质 工程测量，土木工程测量。专业基础课；土木工程等专业的基本技术；工程建设的主要导向技术。学习的方法 理论教学、实验教学、实习教学。根据理论教学需要开展实验教学，完成必要的作业；实习教学将作为独立课程在理论教学之后进行。通过理论教学、实验教学、实习教学达到掌握工程测量技术的目的。学习的目的 努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。,本书

2、主要章节及内容,第1章 绪 论,测量学基本概念：测绘学、测绘工程学及测量学的定义和研究内容,在国民经济建设中应用。地面点定位：定位技术过程（测绘、测设），定位元素,定位工作原则。坐标系统及高程系统：地球形状大小,用水平面替代水准面限度,坐标系统,高程系统。国家控制测量体系：国家控制网作用、布设方案。,学习目标：,1.1 建筑工程测量的任务与作用,一、什么是测量学 测量学研究地球表面局部地区内测绘工作的基本理论、技术、方法及应用。也称为测绘学。,测绘学,中国三维地形图,南宁市三维地图,二、测量学的任务,测定（测量）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

3、地形图。,测设（放样）利用测量技术手段把设计上拟定的地面点测定到实地上，这种技术过程称为测设，或称为工程放样，简称放样。,测量学,大地测量学,摄影测量学,地图制图学,工程测量学,海洋测绘学,地球形状与大小、坐标系、控制网,用摄影技术获取地形信息,地图投影、编制、印刷等,工程建设中的测绘技术,海洋及水体的测绘技术,三、测量学的学科分支,大地测量学（geodesy）研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。,椭球大地测量学,大地测量学,物理大地测量学,卫星大地测量学,动态大地测量学,摄影测量学（photogrammetry）研究利用摄影或遥感的手段获取

4、目标物的影像数据，从中提取几何的或物理的信息，并用图形、图像和数字形式表达测绘成果的学科。,航空摄影测量学,摄影测量学,航天摄影测量学,航空航天摄影测量学,地面摄影测量学,遥感影像,工程测量学（engineering surveying）研究在工程建设和自然资源开发各个阶段进行测量工作的理论和技术的学科。,地图制图学（cartography）研究模拟地图和数字地图的基础理论、地图设计、地图编制和复制的技术方法及其应用的学科。,海洋测绘学（hydrography）研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制理论和方法的学科。房地产测绘 是测绘与产籍管理业务相结合的专业测量。,地理信息系统GI

5、S(Geographical Information System)GIS是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。,研制期：上世纪70年代1994；组 成：（1）GPS卫星星座；（2）地面监控系统；（3）用户设备。特 点：全天候；高精度；自动化、高效益。应 用：（1）大地测量、工程测量、航空摄影测量；（2）运载工具导航和管制；（3）地壳运动监测、工程变形监测；（4）资源勘察、地球动力学等。,GPS全球定位系统（Global Positioning System）,GPS全球定位系统（Global Positi

6、oning System）,GPS全球定位系统的应用,1999年，欧洲提出“伽利略计划”，准备投资36亿欧元，向高度为2.4万公里的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。欧盟指出，该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1米的精确定位服务，2008年完成。另外，美国的GPS只为自己（尤其是军方）提供高精度定位，对其他用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务（特别是在战时）。伽利略是完全提供给民用的，定位精度比美国提供的高，不会无故关闭服务。,GAILILEO系统,北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄

7、罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统构成有：地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”。,“北斗”导航定位系统,“北斗”导航定位系统,四、测量学在土木工程建设中的地位,测量是土木工程规划建设的重要依据。测量是土木工程勘察设计现代化的重要技术。测量是土木工程顺利施工的重要保证。测量是房地产管理、工程综合质量检验、重要土木工程设施安全监视的重要手段。土木工程技术人员明确测量科学在工程建设中的重要地位，熟练掌握测量基本理论和技术原理，熟练掌握和应用工程测量基本理论和方法，是进行交通土木工程技术工作的基本条件。,1.2 地面点位的确定,地

8、球的形状和大小：,不规则曲面；平均半径6371km；珠峰8848.43m，马里亚那海沟11022m，海洋71%。,1、水准面 设想有一个自由平静的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，我们把就自由平静的海水面称为水准面。水准面是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。,一、定位的基准面,2.大地水准面 完整的水准面是被海水包围的封闭曲面。这样的水准面有无数个，其中最接近地球形状和大小的是通过平均海水面的那个水准面，这个唯一而确定的水准面叫大地水准面，也就是测量的基准面。大地水准面包围的地球形状，称为大地体。,一、定位的基准面,3.参考旋转椭球体面 由于地球内部质量分布不均匀，导致地面上各点的重力方

9、向即铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。在测量上选用椭圆绕其短轴旋转而成的参考旋转椭球体面，作为测量计算的基准面，如右图所示。,一、定位的基准面,我国采用的椭球体元素（IUGG75）：a6 378 140m b=6356752m f=1/298.257,参考椭球体 某一国家或地区为处理测量成果而采用与大地体的形状大小最接近，又适合本国或本地区要求的旋转椭球。,二、地面点位的测量坐标系统,主要的坐标系统包括：大地坐标系 即地理坐标系，用大地经度，大地纬度表示。空间直角坐标系平面坐标系 高斯直角坐标系 工程独立直角坐标系,1.大地地理坐标系 Geodeti

10、c Geographical Reference System,P,H,B,L,P点坐标：(B，L，H）,子午面,子午线,起始子午面,大地经度,赤道面,大地纬度,子午面（Meridian Plane）包含椭球体旋转轴的平面。子午面与椭球面的交线为经线。大地经度（Geodetic Longitude）过地面点 P 的子午面与起始子午面间的夹角，用 L表示。从起始子午面算起，向东为正，由0至180 称为东经；向西为负，由0至180称为西经。赤道面（Equatorial Plane）垂直于椭球体旋转轴，且与椭球的长轴重合的平面。与椭球体旋转轴垂直的平面与椭球面的交线为纬线。,大地纬度（Geodeti

11、c Latitude）过地面点P的椭球面法线与赤道面的夹角，用B表示。从赤道面算起，向北为正，由0至90 称为北纬；向南负，由0至90 称为南纬。大地高（Geodetic Height）地面点P沿椭球面法线到椭球面的距离，用H表示。从椭球面算起，向外为正，向内为负。,2.空间直角坐标系（Spatial Rectangular Coordinate system）,Z,Y,X,P,Z,Y,X,P点坐标（X,Y,Z）,起始子午面,坐标转换公式,说明：同一点的大地地理坐标与大地空间直角坐标间可互换。,野外数据采掘,2.高斯投影与高斯平面直角坐标系,使用不便,什么是地图投影？,x=f1(j,l)y=f

12、2(j,l),按照一定的数学法则，将地球表面上的元素转换到平面上，使地面点位的地理坐标与平面的平面直角坐标建立起一一对应的函数关系。,设想将一个椭圆柱横套在地球表面的外面，并与地球面上某一条子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭圆柱的轴通过椭球体中心。,(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）,中央子午线,以椭球中心为投影中心，将中央子午线两侧一定经差范围内的图形正形投影到圆柱面上，再顺着过南、北极的圆柱母线将柱面剪开，展成平面，这个平面就是高斯投影平面。,经差为3或 6,(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）,N,S,c,中央,子,午线,赤道,投影带：规定以经差6、3、1.5或更小的经差为准来限定高

13、斯投影的范围，每一投影范围叫一个投影带。分带投影的目的是为了限制投影变形，如长度变形较为严重。,高斯投影的相关概念,6带是从0子午线算起，以经度每隔6为一带，将整个地球划分成60个投影带，并用阿拉伯数字1，260顺次编号，叫做高斯6投影带(简称6带)。高斯投影6带中央子午线经度L0与投影带号Ne之间的关系式为：L0=Ne63,高斯投影带的相关概念,3带是从1.5子午线算起，以经度每隔3为一带，将整个地球划分成120个投影带，其中央子午线经度L0与投影带号Ne的关系为L=Ne 3。,高斯投影带的相关概念,解：据题意，其高斯投影6带的带号为：e=INT（11624/6+1）=20(INT取整数）中

14、央子午线经度为：L0=2063=117,例：某城市中心的经度为11624，求其所在高斯投影6带的中央子午线经度L0和投影带号Ne。,中央子午线投影后为直线，且长度不变；赤道投影后为直线，且长度改变。,长度不变,长度改变,x,y,o,(2)高斯投影的特点,其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午线为对称轴，投影后长度改变；其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴，投影后长度改变。,长度改变,长度改变,(2)高斯投影的特点,离中央子午线愈远，长度变形愈大。,子午线1,子午线2,(2)高斯投影的特点,采用分带投影后，由于每投影带的中央子午线和赤道的投影为两正交直线，故可取两正

15、交直线的交点为坐标原点。中央子午线的投影线为坐标纵轴X轴，向北为正；赤道投影线为坐标横轴Y轴，向东为正，这就是全国统一的高斯平面直角坐标系。,(3)高斯平面直角坐标系,在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值（赤道上）约为330km，为了避免出现负的横坐标值，可在横坐标上加500 000m。此外还应在坐标前面冠以带号。例如某点Y=19 123 456.789m，该点位于19带，其相对于中央子午线的横坐标：先去带号19，再减去500 000m，最后得y=-376 543.211m,该点在西侧。,(3)高斯平面直角坐标系,当测量的范围较小时，可以把该测区的球面当作平面看待，直接将地面点沿铅垂线投影到水

16、平面上，用平面直角坐标来表示它的投影位置。,3.平面坐标系（Horizontal Coordinate System）(1)独立平面直角坐标系,测量上选用的平面直角坐标系，规定纵坐标轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横坐标轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；坐标原点可假定，也可选在测区的已知点上。象限按顺时针方向编号。,独立平面直角坐标系的建立,x,y,O,C,P,测区中心点,Y,X,P,C,H,（X,Y,H）,(2)施工坐标系（Constrcution Coordinate System）,x,y,O,桥轴线方向,(3)极坐标系(Polar coordinate system)测绘工作中，常在

17、局部范围内使用极坐标，O为极点，OX为极轴，为矢径，为极角。使用极坐标的优点是解算两点之间的相互关系时较为简便。,X,O,P,测量学直角坐标系与数学直角坐标系异同,三、地面点的高程（高程系统）,1.高程系统的概念,正高系统：以大地水准面为基准面的高程系统；正高表示地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离。正高绝对高程或海拔，简称高程。,2.绝对高程和相对高程,绝对高程：地面任一点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。相对高程：地面点沿铅垂线至假定水准面的距离。高差：地面上两点之间的高程之差。,3.国家高程基准,1956年黄海高程系 水准原点起算高程：72.289m。1985国家高程基准 水准原点起算高

18、程：72.260m。,国家水准原点（山东青岛）,72.260m,1985年国家高程基准,采用青岛验潮站19521979年潮汐观测资料计算的平均海水面为国家高程起算面。,地球曲率对水平距离的影响,1.3 水平面代替水准面的限度,当S=10km时，s/s=1/1217700，小于目前精密测距的容许误差。因此在半径为10km的范围内进行距离测量时，可不考虑地球曲率的影响。,地球曲率对水平角的影响 式中，P为多边形面积，R为地球曲率半径，为206265 当P为100Km2时，=0.51。由此可知：在面积为100Km2范围内，地球曲率对水平角的影响只有在精密测量中才考虑，一般测量工作不必考虑。,地球曲率

19、对高差的影响 上式中可用s代替t，h与2R相比，可忽略不计，则上式可写成：当s=100m时，h=0.8mm，由此可见：地球曲率对高差的影响，即使在很短的距离内也必须加以考虑。,一、测量的基本工作,角度测量、距离测量、高程测量是地面点定位的测量基本技术工作。测量得到的角度()、距离(D)、高差(h)是地面点定位的基本元素，称为定位元素。,1.4 测量工作概述,测量距离,二、测量工作的基本原则,整体原则：从整体到局部控制原则：先控制后碎部检核原则：步步有检核精度原则：先高级后低级,1.5 国家大地控制网概述,基本任务：国家大地控制网是由国家统一建立，以全国统一的坐标系和高程系为参照系，是全国性地图

20、测制和各种工程测量的控制基础。布设原则：分级布网、逐级控制 足够的精度 足够的密度 应有统一的规格,一、国家大地控制网的基本任务及布设原则,二、国家大地控制网的布设方案,我国水平大地控制网的基本形式为传统的三角网,按精度的不同分为四个等级:一等三角锁是国家平面控制网的骨干;二等三角网布设于一等三角锁环内，是国家平面控制网的全面基础;三、四等三角网为二等三角网的进一步加密。,1.平面大地网,国家大地原点（陕西泾阳）,2.高程大地网,布设原则：从高级到低级，从整体到局部，逐级控制，逐级加密。布设等级：一等水准网是国家高程控制网的骨干。二等水准网布设于一等水准环内，是国家高程控制网的全面基础。三、四等水准网为国家高程控制网的进一步加密。,国家水准原点（山东青岛）,3.GPS三维大地网,“2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度的GPS A、B级网，总参测绘局布设的GPS一、二级网，中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，共2609个点。,较传统大地控制网的优势：,有精度高、速度快、费用省、操作简便；克服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点。,本章重点,测量学基本概念；坐标系统及高程系；地面点定位。,