工程测量学-第1章绪论.ppt

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1、,赵兴旺安徽理工大学测绘学院,第 一 章 绪 论,工程测量学,多媒体课件,教学目的：使学生了解工程测量学的内容，任务及测量的基本工作，工程测量学发展现状与趋势教学方法：以主讲为主，课后要求查阅相关文献。重 点：工程测量学的定义、内容、发展沿革与方向。难 点：工程测量学发展现状与趋势。学 时：4学时。,第1章 教学分析,第1章 目录,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,1.2 工程测量学的内容,1.3 工程测量学的特点,1.4工程测量学与相邻课程的关系,1.5工程测量学的发展概况,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,定义一：工程测量学是研究各种工程在规划设计、施工

2、建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。,1.1.1 学科定义,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段所进行的 地形和有关信息的采集和处理，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科，它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。,1.1 工程测

3、量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,评价：定义一比较大众化，易于理解；定义二较定义一更具体、准确，且范围更大；定义三更加概括、抽象和科学。定义二、三除建筑工程外，机器设备乃至其它几何实体都是工程测量学的研究对象，且强调工程测量学所研究的是与几何实体相联系的测量、测设的理论、方法和技术，而不是研究各种测量工作。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,评价：精密工程测量代表工程测量学的发展方向，大型特种精密工程是促进工程测量学科发展的动力。,工程测量学,工程测量,工业测量,工程建筑,机器设备,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,1.1.2 学科地位,二级学科,大地测

4、量学工程测量学,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,1.1.3 研究应用领域,工程测量学（德国，德文原著）：测量仪器和方法 线路、铁路、公路工程测量 高层建筑测量 地下建筑测量 安全监测,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,国际测量师联合会(FIG)之第六委员会工程测量委员会之初：四个工作组：测量方法和限差；土石方计算；变形测量；地下工程测量（矿山、隧道测量）。一个特别组：变形分析与解释。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,国际测量师联合会(FIG)之第六委员会工程测量委员会之后：六个工作组：精密工程测量技术与方法；线路工程测量与优化；变形测量

5、；激光技术在工程测量中的应用；工程测量信息系统；电子科技文献和网络。两个专题组：专用测量仪器；工程测量标准。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,工程测量国际学术讨论会(德国、瑞士、奥地利)1988年前的专题：1.测量仪器和数据获取；2.数据解释、处理和应用；3.高层建筑物和设备安装测量；4.地下和深层建筑物测量；5.环境和工程建筑物变形监测。1992年的专题：1.测量理论与测量方案；2.测量技术和测量系统；3.信息系统和CAD；4.在建筑工程和工业中的应用。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,工程测量国际学术讨论会(德国、瑞士、奥地利)1996年的专题：1.

6、测量和数据处理系统；2.监测和控制；3.在工业和建筑工程中的质量问题；4.数据模型和信息系统；5.交叉学科的大型工程项目。2004年的专题：1.大型工程测量项目；2.测量和数据处理技术；3.监测和风险管理；4.瑞士阿尔卑斯山特长隧道,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,中国测绘学会下设有工程测量分会。每2年举办一次全国性的学术会议。各省的测绘学会，下设有工程测量专业委员会。,1.1 工程测量学在测绘学中的定位 和研究应用领域,小结：工程测量学的研究、应用领域很广，涉及到建筑工程和工业中的大型工程项目。既要研究测量的理论、技术与方法，又要研究数据的获取、处理与应用。既有专用测量仪

7、器的研制，又有信息系统的建立。既相对稳定性，又不断发展、与时俱进。,1.2 工程测量学的内容,工程测量按工程建设的规划设计、施工建设和运营管理三个阶段分为“工程勘测”、“施工测量”和“安全监测”。1.规划设计阶段：主要是提供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质勘探，水文地质勘探以及水文测验等进行测量。对于重要的工程区的稳定性监测。,1.2.1 按工程建设阶段划分,1.2 工程测量学的内容,2、建设施工阶段：建立施工控制网，工程建筑物定线放样，施工质量控制，开挖 与建筑方量测绘，工程竣工测量、变形观 测以及设备的安装测量等。3、运营管理阶段：工程建筑物的变形观测-水平位移、沉陷、倾斜以及摆动等

8、定 期或持续监测。建立工程进管理、维护信 息系统。,1.2 工程测量学的内容,1.2.2 按服务对象划分,1.2 工程测量学的内容,主要内容：,模拟或数字的地形资料的获取与表达；工程控制测量及数据处理；建筑物的施工放样；大型精密设备的安装和调试测量；工业生产过程的质量检测和控制；工程变形及与工程有关的各种灾害的 监测分析与预报；工程测量专用仪器的研制与应用；工程信息系统的建立与应用等。,1.2 工程测量学的内容,1.2.3 按测量任务划分,1.2 工程测量学的内容,1）地形图测绘（第3章）,直接使用1:1万至1:10万比例尺的国家基本地形图。对于一些大型工程，往往还需要专门测绘1:2000到1

9、:5000比例尺的区域性或带状性地形图。规划设计阶段 在施工建设和运营管理阶段，往往需要用数字成图法测绘1:1000，1:500乃至更大比例尺的地形图或专题图。,1.2 工程测量学的内容,1）地形图测绘（第3章）,水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各种纵横断面图测绘。工程竣工图的测绘。目的是使设计、施工和生产管理人员掌握工程内部现有全部建筑物的平面与高程位置关系，设计要素的现状及场地地形地物的情况。,1.2 工程测量学的内容,2）工程控制网布设及优化设计（第2章）,分为测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网。网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用等质量准则问题。绝大多数首级工程控制网

10、都可采用GPS定位技术来建立。将现代卫星与地面测量技术相结合、取长补短。无加密控制网的控制测量将走进工程测量领域。精密工程控制网须进行网的优化设计。,1.2 工程测量学的内容,2）工程控制网布设及优化设计（第2章）,优化设计涉及：坐标系的确定基准选择仪器与方法选取网的质量准则问题(精度、可靠性、灵敏度和建网费用等),1.2 工程测量学的内容,3）施工放样技术和方法（第1章）,放样（测设）：抽象具体 几何实体点、线、面、体的放样。方法：方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、极坐标法、坐标法、偏角法、偏距法、投点法等。仪器：常规的光学和电子经纬仪、水准仪、全站仪，GPS技术、专用的测量仪器和工具

11、。施工放样一体化、自动化。,1.2 工程测量学的内容,4）工程的变形监测分析和预报（第8章）,工程建筑物的变形及与工程有关的灾害监测是工程测量学的重要内容。变形分析和预报属于多学科的交叉领域。变形监测网的布设；变形监测技术，除常规的仪器和方法外，大量地使用各种传感器和专用仪器。变形观测数据处理的内容和方法：监测网处理：参考点稳定性分析，目标点位移量计算。监测点上的时间序列观测数据处理方法。统计分析法与确定函数法：几何分析与物力解释。,1.2 工程测量学的内容,5）工程测量的仪器,经纬仪、水准仪、全站仪和GPS接收机是工程测量的通用仪器。专用仪器包括机械式、光电式及光机电（子）多传感器集成式仪器

12、或测量系统。基维线测量或准直测量：正锤、倒锤及垂线观测仪、引张线仪、各种激光准直仪、铅直仪自准直仪以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。距离测量：中长距离、短距离和微距测量。ME5000、铟瓦线尺测距仪DISTINVAR、应变仪DISTERMETER、双频激光干涉仪、CCD线列传感器测量，距离测量精度从毫米、微米级到纳米级。,1.2 工程测量学的内容,5）工程测量的仪器,高程测量：液体静力水准测量系统。倾斜测量（又称挠度曲线测量）。三维激光扫瞄仪：图像工程测量。混合测量系统工程测量专用仪器发展的显著特点。高精度(亚毫米、微米乃至纳米)、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可

13、作精密定位测量、准直测量，可测量坐标、偏距、倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测量振动频度以及物体的动态变化等。,1.2 工程测量学的内容,6）工程测量学中的误差及测量平差理论,最小二乘法：经典最小二乘法、模型误差、自由网和拟稳平差。非最小二乘估计：稳健估计和有偏估计。参数估计、非参数估计、半参数估计；线性估计、非线性估计。,1.3 工程测量学的特点,“特殊与一般”、“纵向与横向处理”相结合的结构体系。“特殊”，指每一工程的特殊性，“一般”指各种工程的共性(一般性)，对于共性，进行统一讲解，对于特殊性，则针对某一工程进行具体描述。“纵向处理”，是指按工程建设的三个阶段阐述测量工作的理论、方

14、法和技术；“横向处理”是指按典型工程分别进行讲述。,1.3 工程测量学的特点,工程测量的特点：精度要求方面的不同。工程测量控制网的精度取决于工程建设的性质，一般其精度远高于测图控制网的精度 工程测量具有专用的测量仪器(如变形观测中的引张线、液体静力水准仪等)，并且其控制点的点位及标志的构造有其特殊之处(如倒垂线设置等)。工程测量较之常规测量时间性强、数据多、作业环境复杂等,1.4 工程测量学与相邻课程的关系,1.4 工程测量学与相邻课程的关系,大地测量学是工程测量学的理论基础：几何大地测量中的椭球体，国家控制网；物理大地测量大地水准面、重力异常、垂线偏差；卫星大地测量卫星轨道运动、GPS定位原

15、理。地图制图学：国家中、小比例尺的地形图系列；建立工程或专题信息系统，数字或电子地图；摄影测量与遥感：城市基本图、道路带状地形图测绘；近景摄影测量方法的应用。,1.4 工程测量学与相邻课程的关系,误差理论、测量平差、数理统计是工程测量各种观测数据处理的基础。高等数学：微积分、微分方程；物理学：电磁波传播、力学、光学等内容；光、机、电（子）以及传感器方面的基础知识。土建工程、机械工程、工程地质、水文地质和环境地质方面的知识。,1.4 工程测量学与相邻课程的关系,计算机科学与技术：海量数据处理、图形图像处理、信息系统以及基于知识的专家系统，软件设计和编程能力，计算机软硬件和网络方面的知识。人文管理

16、方面的知识：如为了加强国内外的学术交流，一至二门外语具有较好的听、说、阅读理解乃至思维能力。,1.5 工程测量学的发展概况,工程测量学是一门历史悠久的学科。公元前二十七世纪：埃及大金字塔。公元前十四世纪：在幼发拉底河与尼罗河流域进行过土地边界划分测量。公元前十五世纪：意大利都灵保存的金矿巷道图。,1.5 工程测量学的发展概况,我国早在四千多年前的夏商时代的夏禹治水描述：“陆行乘车，水行乘船，泥行乘撬，山行乘撵（j），左准绳，右规矩、载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山。”这里所记录的就是当时的工程勘测情景，准绳和规矩就是当时所用的测量工具，准是可揆（kui）平的水准器，绳 是丈量距离的工具

17、，规是画圆的器具，矩则是一种可定平，可测长度、高度、深度和画圆、画矩形的通用测量仪器。,1.5 工程测量学的发展概况,秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程。北宋时沈括为了治理汴渠，测得“京师之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”，是水准测量的结果。长沙马王堆汉墓出土的地图包括地形图、驻军图和城邑图三种，是目前世界上发现的最早的地图。殷周时期的土地测量，秦、汉的私田制。隋唐实行均田制，建立户籍册。宋朝按乡登记和清丈土地，出现地块图。到了明朝洪武年间的土地大清丈，编制鱼鳞图册(世界最早的地籍图册)。四大发明之一的指南针，从司南、指南鱼算起，有二千多年的历史。对矿山测量和其它工程勘测有很大的贡献。,

18、1.5 工程测量学的发展概况,在工程测量学的发展也受到了战争的促进。公元前210年秦始皇修建的“堑山堙谷，千八百里”直道,古罗马构筑的兵道，以及公元前218年欧洲修建的通向意大利的“汉尼拨通道”，中华民族的伟大象征万里长城修建于秦朝，这一规模巨大的防御工程，从整体布局到修筑，都要进行详细的勘察测量和施工放样工作，都是著名的军用道路。,1.5 工程测量学的发展概况,工程测量学的发展在很长的一段时间内是非常缓慢的。直到二十世纪初，由于西方的第一、二次技术革命和工程建设规模的不断扩大，工程测量学才受到人们的重视，并发展成为测绘学的一个重要分支。1964年国际测量师联合会（FIG）为了促进和繁荣工程测

19、量，成立了工程测量委员会(第六委员会)，从此，工程测量学在国际上作为一门独立的 学科开展活动。,1.5 工程测量学的发展概况,“广义工程测量学”-“一切不属于地球测量，不属于国家地图集范畴的地形测量和不属于官方的测量，都属于工程测量”。大型特种精密工程建设和对测绘提出的愈来愈高的要求是工程测量学发展的动力。,1.5 工程测量学的发展概况,长江三峡水利枢纽工程,1.5 工程测量学的发展概况,隔河岩大坝外部变形观测,1.5 工程测量学的发展概况,北京正负电子对撞机,1.5 工程测量学的发展概况,武汉长江二桥,1.5 工程测量学的发展概况,杭州湾大桥(长达30多公里),1.5 工程测量学的发展概况,

20、上海东方明珠电视塔(高467.9 m),1.5 工程测量学的发展概况,淮南洞山隧道(长约1km),1.5 工程测量学的发展概况,国外的大型特种精密工程：德国汉堡的粒子加速器研究中心，1959年建的同步加速器，直径仅100m；1978年的正负电子储存环，直径743m；1990年的电子质子储存环，直径2000m。,1.5 工程测量学的发展概况,欧洲原子核研究中心1990年建成的环形正负电子对撞机，直径8.6km、周长27km，整个工程位于百米深的地下。美国的超导超级对撞机，其 直径就长达27km，为保证椭圆 轨道上的投影变形最小且位于 一平面上，采用了一种双重正 形投影，所作的各种精密测量 均考虑

21、了重力和潮汐的影响。,1.5 工程测量学的发展概况,德国的露天煤矿大型挖煤机开挖量动态测量计算系统是GPS、GIS技术相结合在大型特种工程中应用的一个典型例子。大型挖煤机长140m，高65m，自重8000吨，其挖斗轮的直径达17.8m，每天挖煤量可达10多万吨。,1.5 工程测量学的发展概况,南非某一核电站的冷却塔高165m，直径163m，在整个施工过程中，要求每一高程面上塔壁中心线与设计尺寸的限差小于50mm，在塔高方向上每10m的相邻精度优于10mm。,1.5 工程测量学的发展概况,瑞士阿尔卑斯山的哥特哈德特长双线铁路隧道长达57km。,1.5 工程测量学的发展概况,高耸建筑物方面。有人设

22、想，在21世纪将建造2000m乃至4000m的摩天大厦。,1.6工程测量学展望,主要内容：1 现代测绘学与广义工程测量学之间2 工程测量内外业一体化和自动化的含义3 工程测量学的发展趋势和特点重点：什么是广义工程测量学？工程测量学的发展趋势和特点是什么？,1.现代测绘学20世纪90年代以来，现代测绘科学技术已从单纯的与地形有关的测绘和资料收集发展到数据采集、传输、存储、处理的自动化，并对资料信息进行深加工、作出科学解释与管理，进行数字地图、数字专用图生产，建立各种信息管理系统等。现代测绘科学、定位技术、遥感和地理信息学等学科与现代计算机科学和信息科学、通讯科学等相结合的多学科集成，出现了新的学

23、科“Geomatics”，即“现代测绘学”或“地球空间信息学”。,1.6.1 现代测绘学与广义工程测量学,2 广义工程测量学工程测量的发展趋势是服务领域越来越广，和其他专业如空间科学、资源开发、房地产、地理、工程监理、设计制造、工业测量与工业计量等结合更加紧密。而不仅仅局限在传统的土木工程建设三阶段的测量工作。广义工程测量学是研究、提供、处理和表达地表上、下及周围空间建筑和非建筑工程几何物理信息和图形信息，以及研究抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用技术学科。,1.6.1 现代测绘学与广义工程测量学,1.6.2 工程测量内外业一体化和自动化,“一体化”：外业工作无论采用一种或多种

24、、相同类型或不同类型的测量仪器，通过统一的数据采集格式和内外业数据接口定义，从而使内业工作在外业结束时就能一起进行和完成。“自动化”：不是指外业测量工作的完全自动化，而是指测量数据的预处理、传输和通讯，从而形成电子数据的自动化流程过程中，不需人工干预和处理。实现内外业一体化的关键是统一的数据格式、数据标准、编码规则以及一体化作业相应的内外业软件等。,1.6.3 工程测量外业用计算机工程测量一体化依据计算机技术、数据库管理和处理技术，所使用的计算机类型主要有两类。一类是内业数据处理及管理用机，另一类是外业数据采集和预处理用机。外业用计算机基本上还是袖珍计算机、掌上计算机或专用计算机。目前袖珍计算

25、机已经基本淘汰，外业用机主要是掌上计算机。,对外业用机的选择要考虑以下一些原则：1.适合野外作业环境；2.采用主流操作系统，软件便于开发、可移植、可升级；3.有足够大的内存和外存；4.能与普通微机方便地进行通讯；5.主要消耗材料和配件的国产化程度要高;6.考虑机器的用途、机器的生命周期和市场供应等情况。,1.6.2 工程测量外业用计算机,在顾及到实用性和经济性两个方面的问题时，现阶段情况下选择掌上型计算机作为外业数据采集与预处理的机型是较为合适的。,野外测量数据远程通讯的特点：1.野外通讯条件参差不齐。通讯软件规模应尽可能小，使之能在袖珍电脑上运行。2.通讯时段较难统一。远程数据中心站点应随时

26、能接收野外测量数据，达到无人值守。3.对数据传输安全性和可靠性有较高的要求。4.任务较单一，传输数据文件是其主要的任务。,工程测量外业数据的远程传输,远程通讯的基本方法1.点对点的通讯方法2.一点对多点的通讯方法3.B/S通讯方法4.基于C/S模式的通讯方法,工程测量外业数据的远程传输,1.点对点的通讯方法,2.一点对多点的通讯方法,3.B/S通讯方法,4.基于C/S模式的通讯方法,“基于C/S模式的野外测量数据远程通讯方法”的实质：采用主、从站的模式,应用简单的主、从站的传输协议。具备这两个条件的通讯方法才能满足野外测量数据远程通讯特殊需要。方法：对点对点通讯方法的XMODEM 协议进行改造

27、，使改造后的协议既保留简单的特性又能适应主、从式的网络模型。按照上述思路，在微机上，可实现这一基于C/S模式的野外测量数据远程通讯方法。,工程测量学的发展趋势(重点掌握):测量内外业作业的一体化；数据获取及处理的自动化；测量过程控制和系统行为的智能化；测量成果和产品的数字化；测量信息管理的可视化；信息共享和传播的网络化。工程测量学的特点(重点掌握):精确、可靠、快速、简便、实时、持续、动态、遥测。,工程测量学的发展趋势,从工程测量整个学科的发展来看，精密工程测量的理论技术与方法、工程的形变监测分析与灾害预报、工程信息系统的建立与应用将是今后一段时间内工程测量学研究的主要方向。工程测量学的发展，

28、主要表现在从一维、二维到三维乃至四维，从点信息到面信息获取，从静态到动态，从后处理到实时处理，从人眼观测操作到机器人自动寻标观测，从大型特种工程到人体测量工程，从高空到地面、地下以及水下，从人工量测到无接触遥测，从周期观测到持续测量。测量精度从毫米级到微米乃至纳米级。,工程测量学的发展趋势,展望,测量机器人的应用范围将进一步扩大；在变形观测数据处理和大型工程建设中，将发展基于知识的信息系统；工程测量将从土木工程测量、三维工业测量扩展到人体科学测量；多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用；GPS、GIS技术将紧密结合工程项目，在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用；大型和复杂结构建筑、设备的三维测量、几何重构以及质量控制将是工程测量学发展的一个热点；数据处理中数学物理模型的建立、分析和辨识将成为工程测量学专业教育的重要内容。,1、工程测量学的定义是什么？他们之间的差异性在什么地方？2、工程测量学的发展趋势和特定是什么？3、如何才能学好工程测量学？,本章习题,