2023/7/201工程測(cè)量學(xué)

第二章工程控制網(wǎng)理論與方法主要內(nèi)容2.1概述2.2工程測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)2.3

工程控制網(wǎng)的基準(zhǔn)2.4坐標(biāo)變換與基準(zhǔn)變換2.5

工程控制網(wǎng)的建立2023/7/202本次課重點(diǎn)內(nèi)容：（1）工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟（2）施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)（3）常用坐標(biāo)系：空間直角坐標(biāo)系、空間大地坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系、地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系2023/7/2032.1概述2.1.1測(cè)量控制網(wǎng)的分類2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2.1.4施工控制網(wǎng)2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2.1.6安裝測(cè)量控制網(wǎng)2023/7/204

測(cè)量控制網(wǎng)由位于地面的一系列控制點(diǎn)構(gòu)成，控制點(diǎn)的空間位置是通過(guò)已知點(diǎn)的坐標(biāo)及控制點(diǎn)之間的邊長(zhǎng)（或空間基線）、方向（角度）或（和）高差等觀測(cè)量確定的。

全球控制網(wǎng)：由國(guó)際組織在全球范圍建立的大地測(cè)量參考框架，主要用于確定、研究地球的形狀、大小及其運(yùn)動(dòng)變化。及確定和研究地球板塊運(yùn)動(dòng)等。2023/7/2052.1.1測(cè)量控制網(wǎng)的分類2023/7/206國(guó)家控制網(wǎng)由各國(guó)測(cè)繪部門(mén)建立的區(qū)域性大地測(cè)量參考框架。提供全國(guó)范圍內(nèi)的統(tǒng)一地理坐標(biāo)系統(tǒng)；保證國(guó)家基本圖的測(cè)繪和更新；滿足大比例尺測(cè)圖的精度要求；為精密地確定地面點(diǎn)的位置提供已知點(diǎn)的及其特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。工程控制網(wǎng)是工程項(xiàng)目的空間位置參考框架，是針對(duì)某項(xiàng)具體工程建設(shè)測(cè)圖、施工或管理的需要，在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)的平面和高程控制網(wǎng)。2.1.1測(cè)量控制網(wǎng)的分類2023/7/207一、分類按用途分：測(cè)圖控制網(wǎng)施工（測(cè)量）控制網(wǎng)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝（測(cè)量）控制網(wǎng)2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/7/208按網(wǎng)點(diǎn)性質(zhì)分：一維網(wǎng)（或稱水準(zhǔn)網(wǎng)、高程網(wǎng)）二維網(wǎng)（或稱平面網(wǎng)）三維網(wǎng)按施測(cè)方法劃分：測(cè)角網(wǎng)測(cè)邊網(wǎng)邊角網(wǎng)GPS網(wǎng)2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟按坐標(biāo)系和基準(zhǔn)分為附合網(wǎng)（約束網(wǎng)）獨(dú)立網(wǎng)經(jīng)典自由網(wǎng)自由網(wǎng)2023/7/2092.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/7/2010按其他標(biāo)準(zhǔn)劃分：

首級(jí)網(wǎng)加密網(wǎng)特殊網(wǎng)專用網(wǎng)（如隧道控制網(wǎng)、建筑方格網(wǎng)、橋梁控制網(wǎng)等）2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/7/2011二、作用工程控制網(wǎng)也具有控制全局、提供基準(zhǔn)和控制測(cè)量誤差積累的作用。三、建網(wǎng)步驟遵循大地測(cè)量學(xué)的原理，要有坐標(biāo)系和基準(zhǔn)要構(gòu)成網(wǎng)要逐級(jí)布設(shè)等。2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟步驟主要是：①確定控制網(wǎng)的等級(jí)；②確定布網(wǎng)形式；③確定測(cè)量?jī)x器和操作規(guī)程（國(guó)家或行業(yè)規(guī)范）④在圖上選點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)，到實(shí)地踏勘；⑤埋設(shè)標(biāo)石、標(biāo)志；⑥外業(yè)觀測(cè)；⑦內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理；⑧提交成果。2023/7/20122.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/7/2013作用：控制測(cè)量誤差的累積；保證圖上內(nèi)容的精度均勻；相鄰圖幅正確拼接。測(cè)圖控制網(wǎng)的精度是按測(cè)圖比例尺的大小確定的，通常應(yīng)使平面控制網(wǎng)能滿足1:500比例尺測(cè)圖精度要求。2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2023/7/2014測(cè)圖控制網(wǎng)的等級(jí)：二\三\四等三角網(wǎng)；一\二級(jí)小三角網(wǎng)；一\二\三級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)；一\二級(jí)導(dǎo)線。GPS首級(jí)網(wǎng)@加密網(wǎng)盡量減少布網(wǎng)的層次，且一次性加密，便于控制起始數(shù)據(jù)誤差的影響，也使加密點(diǎn)精度趨于均勻；

@GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，首級(jí)、加密GPS或者首級(jí)GPS，加密傳統(tǒng)方法；

2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2023/7/2015測(cè)圖控制網(wǎng)中的大比例尺高程控制網(wǎng)：方法：通常是水準(zhǔn)測(cè)量；等級(jí)：二\三\四級(jí)；精度：規(guī)范對(duì)不同等級(jí)有不同要求；三角高程代替水準(zhǔn)時(shí)注意：@斜距<=1km；@有利時(shí)間觀測(cè)，需往返測(cè)且往返時(shí)間短，兩臺(tái)儀器對(duì)測(cè)；@各控制點(diǎn)的高程觀測(cè)應(yīng)組成閉合環(huán)以增加平差條件；@角度、儀器及標(biāo)靶按規(guī)范觀測(cè)。

2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2.1.4施工控制網(wǎng)2023/7/2016平面控制網(wǎng)根據(jù)地形條件布設(shè)：三角、邊角網(wǎng)：

起伏較大或跨越江河的地區(qū)；導(dǎo)線網(wǎng)：

平坦但通視困難的地區(qū)；建筑方格網(wǎng):建筑物或工業(yè)場(chǎng)區(qū)多為規(guī)則矩形的地區(qū)；GPS網(wǎng)：主流布網(wǎng)形式；GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)相結(jié)合的混合網(wǎng):高精度的施工控制網(wǎng)。控制的范圍較小，控制點(diǎn)的密度較大，精度要求較高；

范圍：點(diǎn)盡量控制整個(gè)區(qū)域，滿足放樣需要。大型水利樞紐工程<20km2,中小型<10km2,工業(yè)場(chǎng)地<1km2。精度高：點(diǎn)分布不均會(huì)導(dǎo)致邊長(zhǎng)相差大；放樣建筑物的軸線，偏差限制嚴(yán)格。2)使用頻繁；穩(wěn)定性、使用方便性及點(diǎn)位在施工期間的保存3)受施工干擾大；施工控制網(wǎng)的布設(shè)是工程的一部分，考慮布置情況及施工程序、方法；點(diǎn)位分布及密度恰當(dāng)，施工總平面圖做點(diǎn)位標(biāo)記。2023/7/20172.1.4施工控制網(wǎng)--施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/7/20184)控制網(wǎng)的坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系一致；施工坐標(biāo)系，就是以建筑物的主要軸線作為坐標(biāo)軸而建立起來(lái)的局部直角坐標(biāo)系。布網(wǎng)時(shí)盡量使用軸線作為控制網(wǎng)的一邊，施工控制網(wǎng)和測(cè)圖控制網(wǎng)關(guān)聯(lián)時(shí)需進(jìn)行坐標(biāo)換算。水利中的大壩；大橋橋軸線；隧道中心及切線；車間或設(shè)備的軸線等。5)投影面與工程的平均高程面一致；不是投影到平均海水平面或參考橢球所對(duì)應(yīng)的高斯平面上，而是投影到廠區(qū)平均的高程面上。投影到定線放樣精度最高的平面，保證設(shè)備、構(gòu)件的安裝精度；橋梁控制網(wǎng)要求化算到橋墩頂部的高程面上；隧道控制網(wǎng)應(yīng)投影至隧道平均高程上。2023/7/20196)有時(shí)分兩級(jí)布網(wǎng)，次級(jí)網(wǎng)可能比首級(jí)網(wǎng)的精度高。工程：各種建筑物、構(gòu)筑物、鐵路、公路、隧道等的綜合體。首先建立第一級(jí)控制網(wǎng)，放樣各建筑物的主軸線；其次根據(jù)各個(gè)工程項(xiàng)目放樣的具體要求建立第二級(jí)控制網(wǎng)。2.1.4施工控制網(wǎng)--施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/7/2020平坦地區(qū)：施工平面、高程控制點(diǎn)可以共享；起伏較大：施工平面、高程控制點(diǎn)單獨(dú)布設(shè)。首先布滿整個(gè)場(chǎng)地的基本高程控制網(wǎng)（三等）；其次根據(jù)各個(gè)施工階段的需要布置加密網(wǎng)（四等）。加密點(diǎn)一般為臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。2.1.4施工控制網(wǎng)--施工高程控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/7/2021變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)由參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)組成必要條件：

可以由任意點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)，但至少有一個(gè)參考點(diǎn)、一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)或兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)；參考點(diǎn)在變形體外，是網(wǎng)的基準(zhǔn)，目標(biāo)點(diǎn)在變形體上，變形由目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述。布設(shè)網(wǎng)形：根據(jù)監(jiān)測(cè)的目的、變形體的形狀、環(huán)境及地形:一維網(wǎng)、二維網(wǎng)、三維網(wǎng)。監(jiān)測(cè)方法：三角網(wǎng)或邊角網(wǎng)、導(dǎo)線或?qū)Ь€網(wǎng)；GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)；GPS與地面測(cè)量網(wǎng)混合；三維激光掃描監(jiān)測(cè)等。2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2023/7/2022變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的坐標(biāo)系和基準(zhǔn)的選取原則變形體的范圍大且形狀不規(guī)則時(shí)，選擇已有的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：得到已知的歸化和投影改正；監(jiān)測(cè)網(wǎng)便于檢查。與已有的大地網(wǎng)聯(lián)測(cè)或?qū)⒁延械目刂泣c(diǎn)作為參考點(diǎn)，便于坐標(biāo)系及基準(zhǔn)的確定。優(yōu)點(diǎn)：一維一個(gè)已知點(diǎn)，二、三維兩個(gè)已知點(diǎn)；精度要求高，聯(lián)測(cè)時(shí)采用無(wú)強(qiáng)制連接方法，即固定一個(gè)點(diǎn)，二三維再固定一個(gè)定向方向。）2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2023/7/2023三.對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)作同時(shí)顧及精度、可靠性、靈敏度以及費(fèi)用進(jìn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)的布置、坐標(biāo)系、基準(zhǔn)及目標(biāo)點(diǎn)的精度要求，則網(wǎng)的精度得以確定。人機(jī)交互模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)方法或解析法確定優(yōu)化方案：增減觀測(cè)值修改測(cè)量方案改變觀測(cè)值精度等2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)四.對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)都要進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)每個(gè)周期觀測(cè)方案不變，消除周期觀測(cè)中的系統(tǒng)誤差；如中途改變方案（儀器、網(wǎng)形、精度等），則需在觀測(cè)周期同時(shí)采用兩種方案進(jìn)行觀測(cè)，以確定兩種方案間的差別，進(jìn)行周期觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理。2023/7/20242.1.6安裝測(cè)量控制網(wǎng)2023/7/20252023/7/2026作用：大型設(shè)備構(gòu)件安裝定位的依據(jù)；工程竣工后建筑物和設(shè)備變形觀測(cè)及設(shè)備調(diào)整的依據(jù)。條件：控制點(diǎn)的密度要能滿足設(shè)備構(gòu)件的安裝定位要求；點(diǎn)位的選擇要考慮設(shè)備的位置、數(shù)量、建筑物的形狀、特定方向的精度要求等2.1.6安裝測(cè)量控制網(wǎng)2.1.6安裝測(cè)量控制網(wǎng)2023/7/2027特點(diǎn)：通常是一種微型邊角網(wǎng)，邊長(zhǎng)從幾米至一百多米；整個(gè)網(wǎng)由形狀相同、大小相等的基本圖形組成；精度要求很高，其測(cè)量精度有時(shí)要達(dá)到計(jì)量級(jí)。2.1.6安裝測(cè)量控制網(wǎng)特例：直線型建筑物：直伸形網(wǎng)；環(huán)形地下建筑物：各類環(huán)形網(wǎng)；大型無(wú)線電天線：輻射狀控制網(wǎng)。2023/7/2028典型工程控制網(wǎng)舉例

2023/7/20292023/7/2030典型工程控制網(wǎng)舉例

洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)示意圖2023/7/2031某大橋G

P

S首級(jí)平面控制網(wǎng)典型工程控制網(wǎng)舉例

某大型水利樞紐工程施工控制網(wǎng)2023/7/2032某拱壩變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2023/7/2033高能離子加速器安裝測(cè)量控制網(wǎng)

2023/7/20342023/7/2035大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

地面控制網(wǎng)典型工程控制網(wǎng)舉例

2.2工程測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)2.2.1坐標(biāo)系的基本概念2.2.2幾種常用坐標(biāo)系2023/7/20362.2.1坐標(biāo)系的基本概念

所謂坐標(biāo)系指的是描述空間位置的表達(dá)形式，即采用什么方法來(lái)表示空間位置。人們?yōu)榱嗣枋隹臻g位置，采用了多種方法，從而也產(chǎn)生了不同的坐標(biāo)系，如直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等。在測(cè)量中常用的坐標(biāo)系有以下幾種：（1）空間直角坐標(biāo)系（2）空間大地坐標(biāo)系（3）平面直角坐標(biāo)系（4）地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系2023/7/2037(1)空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)位于參考橢球的中心Z軸指向參考橢球的北極X軸指向起始子午面與赤道的交點(diǎn)Y軸位于赤道面上且按右手系與X軸呈90°夾角。某點(diǎn)在空間中的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來(lái)表示。2023/7/20382023/7/2039(2)空間大地坐標(biāo)系緯度是空間的點(diǎn)與參考橢球面的法線與赤道面的夾角；經(jīng)度是空間中的點(diǎn)與參考橢球的自轉(zhuǎn)軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角；大地高是空間點(diǎn)沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離。2023/7/2040(3)平面直角坐標(biāo)系投影變換的方法有很多，如橫軸墨卡托投影、UTM投影、蘭勃特投影等。

在我國(guó)采用的是高斯-克呂格投影也稱為高斯投影。UTM投影和高斯投影都是橫軸墨卡托投影的特例，只是投影的個(gè)別參數(shù)不同而已。2023/7/2041(3)平面直角坐標(biāo)系高斯投影是一種橫軸、橢圓柱面、等角投影。從幾何意義上講，是一種橫軸橢圓柱正切投影。高斯投影滿足以下兩個(gè)條件：①它是正形投影；②中央子午線投影后應(yīng)為x軸，且長(zhǎng)度保持不變。2023/7/2042（4）地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系

經(jīng)典的大地定位采用的是地球參心坐標(biāo)系。

參考橢球面為基準(zhǔn)參考面，參考點(diǎn)為大地測(cè)量的起算點(diǎn)（或稱為大地原點(diǎn)），并且利用大地原點(diǎn)的天文觀測(cè)量，來(lái)確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向。

不過(guò)由此所選定的參考橢球的位置，其中心一般不會(huì)與地球質(zhì)心相重合。GPS定位使用的是地心大地坐標(biāo)系2023/7/20432.2.2幾種常用坐標(biāo)系（1）世界大地坐標(biāo)系WGS-84（2）1954年北京坐標(biāo)系（3）1980年西安大地坐標(biāo)系（4）CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系2023/7/2044（1）世界大地坐標(biāo)系WGS-84WGS-84(WorldGeodicalSystem-84)坐標(biāo)系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部制圖局建立，WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書(shū)參數(shù)等都是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。

原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點(diǎn)Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。2023/7/2045（1）世界大地坐標(biāo)系WGS-842023/7/2046a=6378137±2（m）；GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；J2=108263×10-8ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1f=0.003352810664（2）1954年北京坐標(biāo)系原蘇聯(lián)采用過(guò)的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。參考橢球是克拉索夫斯基橢球。高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的結(jié)果為起算值，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算.

高程又是