1、2020/8/28,1,第一章 緒論,2020/8/28,2,第一章 緒論,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 地面上點位的確定 第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度 第四節(jié) 測繪工作的基本原則 第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,2020/8/28,3,第一節(jié) 概述,一、測繪學介紹 （一）定義 測繪學是研究地球形狀和大小、確定地球表面（包括空中、地表、地下和海洋）物體的空間位置，以及對于這些空間位置信息進行處理、儲存、管理的科學。 它包括測量和制圖兩項主要內(nèi)容。 測繪學按照研究對象及采用技術(shù)的不同，又可分為下列學科： 1、大地測量學 2、攝影測量學 3、工程測量學 4、海洋測量學 5、地圖制圖學,2020/8/28,4

2、,第一節(jié) 概述,一、測繪學介紹 （二）應用 主要應用在： 1）城鄉(xiāng)建設規(guī)劃； 2）國土資源的合理利用； 3）農(nóng)林牧漁業(yè)的發(fā)展； 4）環(huán)境保護以及地籍管理等工作中所進行的土地測量； 5）測繪各種類型、各種比例尺的地圖； 6）控制測量、礦山測量和線路測量等,2020/8/28,5,第一節(jié) 概述,二、工程測量學介紹 工程測量學是研究地球空間（地面、地下、水下、空中）中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現(xiàn)的理論方法和技術(shù)的一門應用性學科。 （一）發(fā)展歷史 中國漢代司馬遷的史記中關(guān)于夏禹治水(公元前21世紀)時的勘測情況的記載。1973年從長沙馬王堆漢墓出土的地圖是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早的地圖。

3、在國外，公元前二十七世紀建設的埃及大金字塔的精確建立說明當時就已有了放樣的工具和方法。公元前十四世紀，在幼發(fā)拉底河與尼羅河流域曾進行過土地邊界的劃分測量。 二十世紀初，以核子、電子和空間技術(shù)為標志的第三次技術(shù)革命，使工程測量學獲得了迅速的發(fā)展。20世紀50年代，世界各國在建設大型水工建筑物、長隧道、城市地鐵中，對工程測量提出了一系列要求，形成了施工測量的內(nèi)容；20世紀60年代，空間技術(shù)的發(fā)展和導彈發(fā)射場建設促使工程測量進一步發(fā)展；20世紀70年代以來，高能物理、天體物理、人造衛(wèi)星、宇宙飛行、遠程武器發(fā)射等所需建設的各種巨型實驗室，就是高精度工程測量。 二十世紀末，測量對象深入到地下、水域、空間

4、和宇宙，如核電站、摩天大樓、海底隧道、跨海大橋、大型正負電子對撞機等。 從工程測量學的發(fā)展歷史可以看出，它的發(fā)展經(jīng)歷了一條從簡單到復雜、從手工操作到測量自動化、從常規(guī)測量到精密測量的發(fā)展道路，它的發(fā)展始終與當時的生產(chǎn)力水平相同步，并且能夠滿足大型特種精密工程中對測量所提出的愈來愈高的需求。,2020/8/28,6,第一節(jié) 概述,二、工程測量學介紹 （二）研究內(nèi)容 工程測量的主要內(nèi)容包括： 1）提供模擬或數(shù)字的地形資料； 2）進行測量及其有關(guān)信息的采集和處理； 3）建筑物的施工放樣； 4）大型精密設備的安裝和調(diào)試測量； 5）工業(yè)生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢測和控制； 6）各類工程建設物、礦山和地質(zhì)病害區(qū)域的

5、變形監(jiān) 測、機理解釋和預報； 7）工程測量專用儀器的研制與應用； 8）與研究對象有關(guān)的信息系統(tǒng)的建立和應用等。,2020/8/28,7,第一節(jié) 概述,（1）地形圖測繪 一般工程使用1:1萬至1:10萬的國家地形圖系列。 大型工程：采用航空攝影測量，用模擬法、解析法或全數(shù)字化法測圖。 1:20001:5000的局部性或帶狀地形圖：采用地面測量方法用模擬的白紙成圖或數(shù)字化機助成圖法進行測繪。 （2）控制網(wǎng)布設 建立平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，目的是為工程建筑物的施工放樣、驗收及其他測量工作提供依據(jù)。 首級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)形式：高精度測角網(wǎng)、邊角網(wǎng)或電磁波導線等，再以插網(wǎng)、插點或?qū)Ь€加密；或可采用GPS建

6、立平面施工控制網(wǎng)以及施工放樣工作。 高程控制網(wǎng)：高精度的水準網(wǎng)。 （3）建筑物施工放樣 施工放樣：將設計的抽象的幾何實體放樣（或稱測設）到實地上去，成為具體幾何實體所采用的測量方法和技術(shù)。 放樣方法：方向交會法、距離交會法、方向距離交會法、極坐標法、坐標法、偏角法、偏距法、投點法等。 儀器：光學、電子經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀以及GPS技術(shù)等。,2020/8/28,8,第一節(jié) 概述,（4）建筑物竣工測量 竣工測量：工程建設項目竣工驗收時所進行的測量工作。 目的：根據(jù)控制網(wǎng)點測定已有建筑物的實際位置以及部分建筑物的幾何形體，以檢驗施工質(zhì)量，為工程的驗收、決算、維護等工作提供依據(jù)。 竣工測量的成果主要

7、包括：竣工總平面圖、分類圖、輔助圖、斷面圖以及道路曲線元素、細部點坐標、高程明細表等。 （5）建筑物變形監(jiān)測 工程建筑物及與工程有關(guān)的變形的監(jiān)測、分析和預報是工程測量學的重要研究內(nèi)容。變形分析和預報除了需要對變形觀測數(shù)據(jù)進行處理外，還涉及到工程、地質(zhì)、水文、應用數(shù)學、系統(tǒng)論和控制論等學科，屬于多學科的交叉領(lǐng)域。變形監(jiān)測技術(shù)幾乎包括了全部的工程測量技術(shù)，除常規(guī)的儀器和方法外，還大量的使用各種傳感器和專用儀器。,2020/8/28,9,第一章 緒論,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 地面上點位的確定 第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度 第四節(jié) 測繪工作的基本原則 第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,2020/8/28,1

8、0,第二節(jié) 地面上點位的確定,一、地球的形狀和大小 （一）大地水準面 假想有一個靜止的海水面，向陸地延伸形成一個封閉的曲面，這個曲面稱為水準面。平均高度的海水面，稱為大地水準面。大地水準面所包圍的形體稱為大地體，它代表地球的一般形狀。,圖1-1 大地水準面和參考橢球面,（二）參考橢球面 旋轉(zhuǎn)橢球面所包含的形體稱為旋轉(zhuǎn)橢球體，同大地水準面最為接近的橢球面稱為平均地球橢球面。旋轉(zhuǎn)橢球體是由橢球面NWSE繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的形體（見圖1-1），其形狀和大小取決于長半軸a、短半軸b和扁率=(a-b)/a。 如圖1-1所示，地面上選一點P，令P點的鉛垂線和橢球面上相應點P0的法線重合，并使P0點的橢球

9、面與大地水準面相切。這里的P點稱為大地原點，旋轉(zhuǎn)后的橢球面稱為參考橢球面，其包圍的形體稱為參考橢球體。 大地水準面和鉛垂線是測量外業(yè)所依據(jù)的基準面和基準線，參考橢球面及其法線是測量計算所依據(jù)的基準面和基準線。,2020/8/28,11,第二節(jié) 地面上點位的確定,表1-1 地球橢球參數(shù),2020/8/28,12,第二節(jié) 地面上點位的確定,圖1-2 大地坐標系,圖1-3 WGS-84坐標系,二、地面點位置的確定 在測繪工作中，常用的坐標系統(tǒng)有大地坐標系、高斯投影平面直角坐標系、獨立平面直角坐標系等。 （一）大地坐標系 如圖1-2所示，地心空間直角坐標系(X，Y，Z)的Z軸與地球平均自轉(zhuǎn)軸重合，與Z

10、軸垂直的平赤道面構(gòu)成XY平面；XZ平面是包含平均自轉(zhuǎn)軸和格林威治平均天文臺的平面；Y軸的指向使該坐標系成為右手坐標系。橢球的短軸與地心空間直角坐標系的Z軸重合，起始子午面和赤道面分別與該坐標系的XZ平面和XY平面重合。P點沿橢球面法線到橢球面上的投影是Q，PQ=H，稱為P點的大地高程，過P點的大地子午面和首子午面所夾的兩面角稱P點的大地經(jīng)度L；過P點的法線與赤道面的夾角稱P點的大地緯度B。P點的大地坐標（L，B，H）和地心空間直角坐標(X，Y，Z)之間存在著嚴密的數(shù)字關(guān)系，可以互相換算。 目前，我國常用的大地坐標系統(tǒng)有： （1）1954年北京坐標系 （2） 1980年國家大地坐標系 （3） W

11、GS-84坐標系(圖1-3 WGS-84坐標系),2020/8/28,13,第二節(jié) 地面上點位的確定,（二）高斯平面直角坐標系 根據(jù)高斯-克呂格爾投影所建立的平面坐標系稱高斯平面直角坐標系。 高斯克呂格爾投影屬于橫軸切圓柱正形投影?？梢栽O想將截面為橢圓的一個圓柱體面套在地球橢球的外面（見圖1-4），圓柱的中心軸EE1在赤道面內(nèi)，圓柱面同橢球面相切在中央子午線上。按正形條件將中央子午線東、西各一定經(jīng)度范圍內(nèi)的地區(qū)投影到圓柱面上，然后將該圓柱面展開成一平面，就得出中央子午線兩側(cè)的一部分地區(qū)在平面上的投影（見圖1-5）。地球橢球赤道的投影也是直線，且與中央子午線正交，以前者為橫軸，即y軸，東向為正；

12、后者為縱軸，即x軸，北向為正；兩者的交點O為原點，這就形成了高斯平面直角坐標系。,圖1-4 高斯克呂格爾投影,圖1-5 高斯克呂格爾投影展開,2020/8/28,14,第二節(jié) 地面上點位的確定,高斯克呂格爾將地球橢球面按子午線劃分成適當個數(shù)的投影帶，帶寬一般分為6、3和1.5等3種。每一投影帶采用各自獨立的高斯平面坐標系(見圖1-6)，并規(guī)定y坐標加上500公里，以避免出現(xiàn)負值。為了表示任一點所在的投影帶，又規(guī)定y坐標值前加上二位數(shù)，以表示投影帶號。x坐標值無論在哪一投影帶內(nèi)都是由赤道起算的實際值。,圖1-6 高斯克呂格爾投影分帶,2020/8/28,15,第二節(jié) 地面上點位的確定,地球表面上

13、一點所在分帶的中央子午線的經(jīng)度值可用下式計算： 6分帶： （1-1） 3分帶： （1-2） 式中 N投影帶帶號。 （三）高程系統(tǒng) 地面點到某一高程基準面的垂直距離稱為地面點的高程。常用的高程基準面有參考橢球體面和大地水準面，其相應的高稱為大地高和海拔高。地面上任意兩點之間的高程之差稱為高差。 1980年以前，我國主要采用“1956年黃海高程系”，它利用青島驗潮站19501956年觀測的潮位成果求得的黃海平均海水面作為高程的零點，因觀測時間短，準確性較差。后改用19531979年的觀測資料重新進行計算，并將計算結(jié)果命名為“1985年國家高程系統(tǒng)”（1987年5月26日正式公布使用）。由于高程基準

14、面發(fā)生了變化，因此，這兩個高程系統(tǒng)存在一定的差異，它們的關(guān)系如下： H85=H56-0.029 （1-3）,2020/8/28,16,第一章 緒論,第一節(jié):概述 第二節(jié):地面上點位的確定 第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度 第四節(jié) 測繪工作的基本原則 第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,2020/8/28,17,第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度,用水平面代替水準面的限度即在該限度內(nèi)，將橢球面作為平面所產(chǎn)生的誤差不能超過工程地形圖和施工放樣的精度要求。 一、地球曲率對水平距離的影響 如圖1-7所示，設地面上有A、B兩點，在水準面上的投影分別為A、B，在水平面上的投影為A、C。若以平面上的距離AC（設為t）代

15、替水準面上的距離（設為d），其誤差為： （1-4）,圖1-7 用水平面代替水準面,式中 R地球半徑，R=6371km；弧長d所對的圓心角。 將tg用級數(shù)展開，并取其前兩項可得：,因為， 所以可得：,2020/8/28,18,第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度,以不同的d值代入上式，求得相應的d列于表1-2。從表中可以看出，當距離為10km時，用水平面代替水準面產(chǎn)生的距離相對誤差為1/120萬，這個誤差小于目前精密量距的允許誤差（1/100萬）。因此，在半徑小于10km的區(qū)域內(nèi)，地球曲率對水平距離的影響可以忽略不計，可以用水平面代替水準面。,表1-2 地球曲率對水平距離和高程的影響,2020/8/

16、28,19,第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度,二、地球曲率對高程的影響 如圖1-7所示，地面點B在球面和水平面上的投影分別為B和C，并設這兩點的高差為h，從圖中可以看出，CAB=/2，因該角很小，若以弧度表示，則有： 因為 , 所以得： （1-6） 以不同的d代入上式，算得相應的h列于表1-2中。由表中數(shù)據(jù)可知，對高程測量來說，即使距離很短，也不能忽視地球曲率對高程的影響。,2020/8/28,20,第一章 緒論,第一節(jié):概述 第二節(jié):地面上點位的確定 第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度 第四節(jié) 測繪工作的基本原則 第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,2020/8/28,21,第四節(jié) 測繪工作的基本原則,

17、圖1-8 測繪工作和原則示意圖,一、測繪的基本工作 測繪工作的主要任務是確定地面點與點之間的平面和高程位置的關(guān)系，也可將其分成測定和測設兩大部份。測定是將地物和地貌按一定的比例尺縮小繪制成地形圖，測設是將在圖紙上設計好的建筑物和構(gòu)筑物的位置在實地標定出來。,水平角、水平距離和高差是確定地面點位置關(guān)系的三個基本幾何要素，測量地面點的水平角、水平距離和高差是測量的基本工作,2020/8/28,22,第四節(jié) 測繪工作的基本原則,二、測繪的基本原則 由于一般測量工作的范圍都比較大，測量工作在一個控制點上通常是難以完成的，如圖1-8中工廠區(qū)在控制點A上就無法測到。以及圖1-9中，由于建筑物多且通視條件限

18、制，在點A上也不能完成所有控制工作，所以需再增加點。這就是“從整體到局部”的原則。,圖1-9 建筑物測設示意圖,2020/8/28,23,第一章 緒論,第一節(jié):概述 第二節(jié):地面上點位的確定 第三節(jié) 用水平面代替水準面的限度 第四節(jié) 測繪工作的基本原則 第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,2020/8/28,24,第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,“廣義工程測量學”，即“一切不屬于地球測量，不屬于國家地圖集的陸地測量和不屬于公務測量的應用測量，都屬于工程測量”。 工程測量的發(fā)展可概括為“四化”和“十六字”，前者即工程測量內(nèi)外業(yè)一體化；數(shù)據(jù)獲取及處理自動化；測量過程控制和系統(tǒng)行為的智能化；測量成果和產(chǎn)品的數(shù)字化。

19、后者為連續(xù)、動態(tài)、遙測、實時、精確、可靠、快速、簡便。,2020/8/28,25,第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,一、現(xiàn)代工程測量技術(shù) （一）GPS應用技術(shù) 在工程測量中，應用GPS單點定位的情形較少，相對定位是其主要模式。包括靜態(tài)、快速靜態(tài)、往返式重復設站、準動態(tài)、動態(tài)、實時動態(tài)（RTK）、主動控制模式等。由GPS、GIS、RS技術(shù)集成或綜合的“3S”技術(shù)，拓寬了信息采集與處理功能，保持了信息的現(xiàn)勢性與可靠性。 GPS實時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)，廣泛應用于石油勘探、數(shù)字測圖、施工放樣、管線測量等領(lǐng)域。,2020/8/28,26,第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,一、現(xiàn)代工程測量技術(shù) （二）全站儀應用技術(shù)

20、全站儀是一種集光電、計算機、微電子通訊、精密機械加工等高精尖技術(shù)于一體的先進測量儀器。 特點：同時具備電子經(jīng)緯儀測角和測距兩種功能；由電子計算機控制、采集、處理和儲存觀測數(shù)據(jù)，使測圖數(shù)字化、后處理全自動化。 應用：常規(guī)的控制測量、地形測量和工程測量，地表與地表構(gòu)筑物的變形測量，如地面沉降、深基坑開挖引起的環(huán)境變形、大壩變形以及工業(yè)目標的定位與變形測量等方面。 免棱鏡全站儀是高性能全站儀的典型代表之一，它把免棱鏡測距技術(shù)與傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合在一起，給測量工作帶來了很大方便。,圖1-10 Leica TCA2003全站儀,2020/8/28,27,第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,一、現(xiàn)代工程測量技術(shù) （三

21、）電子水準儀應用技術(shù) 電子數(shù)字水準儀是集電子光學、圖像處理、計算機技術(shù)于一體的當代最先進的水準測量儀器,它具有速度快、精度高、使用方便、勞動強度低及便于用電子手簿實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化的優(yōu)點,代表了當代水準儀的發(fā)展方向。 目前，世界上僅有少數(shù)廠家生產(chǎn)電子數(shù)字水準儀。常見的有以下幾種，如圖1-11所示。,徠卡DNA03/10,蔡司DINI10,拓普康DL101/102,索佳SDL2,圖1-11 電子水準儀,2020/8/28,28,第五節(jié) 工程測量現(xiàn)代進展,一、現(xiàn)代工程測量技術(shù) （四）激光三維掃描測量系統(tǒng) 三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標就是快速、方便、準確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以便對模型進行進一步的分析和數(shù)據(jù)處理。三維激光影像掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測繪儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復雜物體的二維表面的列陣式幾何圖形數(shù)據(jù)。,圖1-