1、 第二講 工程測(cè)量學(xué)的原理、方法和技術(shù)Theory,way,technology of engineering surveying主要內(nèi)容：觀測(cè)量和測(cè)量定位原理、地面測(cè)量方法和技術(shù)、專用測(cè)量方法與技術(shù)、空間測(cè)量方法與技術(shù)。難 點(diǎn)：專用測(cè)量方法與技術(shù)、空間測(cè)量方法與技術(shù)21 概述工程測(cè)量學(xué)與大地測(cè)量學(xué)、攝影測(cè)量與遙感學(xué)、地圖制圖學(xué)海洋測(cè)繪和測(cè)繪儀器學(xué)一樣，是現(xiàn)代測(cè)繪學(xué)的分支學(xué)科。它即遵循測(cè)繪學(xué)的基本原理、方法和技術(shù)，又為了解決工程和工程建設(shè)中的測(cè)繪技術(shù)問題，工程測(cè)量學(xué)也形成了具有自身特點(diǎn)的原理、方法和技術(shù)，以及各種專用和通用的測(cè)量儀器。22 觀測(cè)量和測(cè)量定位原理221 工程測(cè)量中的觀測(cè)量工程測(cè)量

2、的實(shí)質(zhì)是：1 通過各種觀測(cè)量確定客觀物體上的特征點(diǎn)在某一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（平面位置與高程即X，Y，H）及其隨時(shí)間的變化。2 根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)（X，Y，Z）通過各種觀測(cè)量將設(shè)計(jì)實(shí)體放樣到實(shí)地。觀測(cè)量：1 角度（方向）觀測(cè)量角度觀測(cè)量又分水平角和垂直角（高度角）或天頂距（觀測(cè)方向線與鉛垂線間的夾角）所用儀器：經(jīng)緯儀、全站儀2 距離觀測(cè)量 兩點(diǎn)間的平距、斜距，一點(diǎn)到直線的距離，一點(diǎn)到平面的距離。所用儀器：鋼尺、皮尺、銦瓦線尺（叫丈量法或機(jī)械法） 經(jīng)緯儀、視距儀（叫視距法或視差法） 測(cè)距儀、全站儀（叫物理測(cè)距法） GPS全球定位系統(tǒng)（偽距法）3 高差觀測(cè)量兩點(diǎn)正常高程之差所用儀器：鋼尺、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、

3、全站儀、液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量（用于工程變形測(cè)量）4 方位角觀測(cè)量地面上某一方向線與真北方向的夾角（真方位角）所用儀器：陀螺儀（用于礦山、鐵路與公路隧道及城市地鐵隧道中）222 工程測(cè)量中測(cè)量定位原理工程測(cè)量的任務(wù)：測(cè)量、測(cè)設(shè)或放樣工程測(cè)量中所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)：1 平面高斯克呂格平面直角坐標(biāo)系或獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系2 高程正常高系統(tǒng)測(cè)量定位原理：1 高差與高程的測(cè)定不論進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量還是利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程放樣，均是利用水平視線測(cè)定兩點(diǎn)之間的高差（如圖2-1）： Hab=a-b如A點(diǎn)的高程已知，則B點(diǎn)的高程為： 對(duì)于三角高程測(cè)量中的高差計(jì)算： ：為兩點(diǎn)之間的實(shí)測(cè)水平距離， ：為P、N兩點(diǎn)間的垂直角， ：分別

4、為儀器高和站標(biāo)高，C為球氣差系數(shù)，有： 其中K為大氣垂直折射系數(shù)，R為參考橢球面上弧的曲率半徑。也可以將化算為高斯投影面上的長度d進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于對(duì)向觀測(cè)，還可以用下式進(jìn)行計(jì)算：式中：為A、B兩點(diǎn)的平均大地高，：為A、B兩點(diǎn)到中央子午線的平均橫坐標(biāo)。2點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)的測(cè)定 目前比較常用的確定點(diǎn)位的方法有極坐標(biāo)法、測(cè)角前方交會(huì)法。極坐標(biāo)法的原理如下：已知：A、B兩點(diǎn)，求P點(diǎn)的坐標(biāo) A、B為已知點(diǎn)，P點(diǎn)為待定點(diǎn)，和S分別為水平角和水平距離，加上各種改正計(jì)算得到。當(dāng)用于放樣時(shí)過程相反：P點(diǎn)的坐標(biāo)已知，通過坐標(biāo)反算可求取AP的邊長、AB和AP的方位角，從而得到放樣元素和：通過放樣元素在實(shí)地上標(biāo)定出P點(diǎn)

5、測(cè)角前方交會(huì)的原理：、為觀測(cè)角，P點(diǎn)為待定點(diǎn)（ 如圖）2 點(diǎn)的空間三維直角坐標(biāo)的測(cè)定在工業(yè)測(cè)量中，如圖所示的坐標(biāo)系，待定點(diǎn)P的三維空間直角坐標(biāo)采用前方交會(huì)法，按下式計(jì)算： 、和為在A、B兩點(diǎn)上架設(shè)儀器所測(cè)的P點(diǎn)的水平角和垂直角，L為兩臺(tái)儀器間的水平距離，為兩臺(tái)儀器間的垂直角。儀器實(shí)測(cè)的是方向值，設(shè)兩臺(tái)儀器間的方向值為則有：我們把確定初始參數(shù)的值稱為系統(tǒng)定向。設(shè)兩臺(tái)儀器間的高差為：其中：L：用基準(zhǔn)尺進(jìn)行丈量得到因此，系統(tǒng)定向主要為確定參數(shù)23 通用的地面測(cè)量方法和技術(shù)231 經(jīng)典的地面測(cè)量方法與技術(shù)一、 角度與方向測(cè)量1、光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)角 光學(xué)經(jīng)緯儀是一種普通的測(cè)角儀器，在控制測(cè)量中用于各種等級(jí)的

6、測(cè)角網(wǎng)、邊角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)等，在工程測(cè)量規(guī)范中按測(cè)角精度分為DJ1、DJ2、DJ6幾種型號(hào)，比較典型的儀器為T2、T3。2、陀螺經(jīng)緯儀定向、 三北方向及其之間的關(guān)系圖中： C表示儀器常數(shù) 子午線收斂角 精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊的地理方位角 地面精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊的坐標(biāo)方位角 陀螺方位角 子午線收斂角 井下定向邊的地理方位角 井下定向邊的坐標(biāo)方位角 陀螺方位角、 陀螺經(jīng)緯儀的定向作業(yè)過程1、 在地面已知邊上測(cè)定儀器常數(shù)儀器常數(shù)：通常陀螺經(jīng)緯儀軸的穩(wěn)定位置不與地理子午線重合，二者的夾角稱為儀器常數(shù)。將儀器安置在已知邊上通過測(cè)定陀螺方位角來求算儀器常數(shù)。2、 在井下定向邊上測(cè)定陀螺方位角井下定向邊的長度應(yīng)

7、大于30米，將儀器安置在測(cè)定3、 儀器上井后重新測(cè)定儀器常數(shù)4、 求算子午線收斂角一般地面精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊已知的是坐標(biāo)方位角，需要求算的井下定向邊，也是要求出其坐標(biāo)方位角，而不是地理方位角A，因此，需要求算子午線收斂角。 當(dāng)儀器所在點(diǎn)在中央子午線以東為正，以西為負(fù)，其值可根據(jù)安置儀器點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)求算：式中： 以分為單位 K 系數(shù)，以縱坐標(biāo)x(以公里計(jì))為引數(shù)由表中查， Y 點(diǎn)的橫坐標(biāo)，KM5、 求算井下定向邊的坐標(biāo)方位角井下定向邊的坐標(biāo)方位角為：因此： 為地面和井下安置儀器地點(diǎn)的子午線收斂角的差數(shù)，可用下式計(jì)算：式中： 單位為秒； （為當(dāng)?shù)鼐暥?，在地面和井下點(diǎn)的距離不超過10公里，緯度

8、不超過60度是采用） 是地面和井下定向點(diǎn)的橫坐標(biāo)。二、 長度測(cè)量1、 機(jī)械法包括銦瓦線尺懸空丈量法、皮尺和鋼尺量距2、 視距法利用視距裝置由上下絲進(jìn)行間接測(cè)距的方法。3、 電磁波測(cè)距電磁波測(cè)距包括：脈沖式光波測(cè)距、相位式光波測(cè)距、微波測(cè)距三種。其中相位測(cè)距使用最廣。其測(cè)距公式為： 式中：為真空中的光速，f為調(diào)制頻率，n為大氣折射率，為相位值，K為儀器常數(shù)。 測(cè)距誤差分：固定誤差（與測(cè)距無關(guān)），比例誤差（與距離成比例）。大氣折射誤差和相位測(cè)定誤差是測(cè)距的主要誤差。降低相位誤差是提高調(diào)制信號(hào)頻率，降低大氣折射誤差是通過測(cè)定沿光路的氣象元素（溫度、氣壓、濕度），所以對(duì)于一臺(tái)儀器影響測(cè)距精度最大的是大

9、氣折射率誤差。三、 高程測(cè)量1、 光學(xué)幾何水準(zhǔn)測(cè)量幾何水準(zhǔn)由于其勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，迄今仍是高程控制和高程傳遞的基本方法。在工程測(cè)量中，主要采用國家基準(zhǔn)和等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程聯(lián)測(cè)點(diǎn)。目前采用的儀器按每公里往返平均高差中誤差大小分為：S05、S1、S3、S10。2、 電磁波測(cè)距三角高程目前，在丘陵、山區(qū)電磁波測(cè)距三角高程可代替三、四等水準(zhǔn)測(cè)量。由于折射系數(shù)誤差對(duì)高程測(cè)定影響隨邊長的平方增長，因此，測(cè)距邊長應(yīng)受到相應(yīng)的限制，當(dāng)視線長200米時(shí)精度可達(dá)到一、二等，代替三、四等水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的視線長分別為700米和2100米。實(shí)際工作中為了提高精度除進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)外有時(shí)有意抬高站標(biāo)高。四、 近景攝影測(cè)量

10、（略）232 現(xiàn)代地面測(cè)量方法與技術(shù)二、 電子全站儀（略）三、 測(cè)量機(jī)器人（Georobot）測(cè)量機(jī)器人俗稱自動(dòng)尋標(biāo)電子全站儀，測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)包括：坐標(biāo)參考系，操作系統(tǒng)，激勵(lì)器，計(jì)算機(jī)和控制器，閉路控制傳感器，決定制作，目標(biāo)捕獲和集成傳感器。實(shí)現(xiàn)了地面測(cè)量的作業(yè)自動(dòng)化，代替了人照準(zhǔn)和讀數(shù)。其作業(yè)方式有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式作業(yè)方式：從鏡站發(fā)射信號(hào)用以遙控指揮儀器進(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)。測(cè)量數(shù)據(jù)通過無線電線通信在鏡站顯示，可用于大比例尺測(cè)圖和施工放樣，其測(cè)程在數(shù)百米以內(nèi)。被動(dòng)式作業(yè)方式：在鏡站發(fā)射信號(hào)，需要在測(cè)站上進(jìn)行一次初始測(cè)量，機(jī)器人具有自學(xué)功能，自后的重復(fù)測(cè)量由完全儀器自動(dòng)完成，這種模式主要用于

11、具有許多目標(biāo)的變形監(jiān)測(cè)及大型工程的施工放樣測(cè)量。自動(dòng)跟蹤功能：用于水下地形測(cè)量中的平面位置測(cè)量，三維工業(yè)測(cè)量。四、 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀是通過對(duì)標(biāo)尺的圖象經(jīng)過一段空氣在望遠(yuǎn)鏡像平面處CCD陣列上編碼經(jīng)過運(yùn)算得到數(shù)字讀數(shù)，同時(shí)具有記錄、檢核、傳輸、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能。24 專用測(cè)量方法工程測(cè)量的專用測(cè)量方法和技術(shù)集中反映在儀器上，主要用于精密工程測(cè)量、三維工業(yè)測(cè)量和工程建筑物的變形監(jiān)測(cè)。包括精密測(cè)角、距離、高程、傾斜、基準(zhǔn)線（偏距）、定位測(cè)量、精密投點(diǎn)。主要特點(diǎn)是高精度、自動(dòng)化、遙測(cè)、持續(xù)觀測(cè)。一、 精密角度測(cè)量精密角度測(cè)量主要采用的是精密光學(xué)經(jīng)緯儀、精密電子經(jīng)緯儀和精密陀螺經(jīng)緯儀（測(cè)定某一方向

12、線與真北方向之間的水平角）。目前電子經(jīng)緯儀的測(cè)角精度已達(dá)到測(cè)角的極限精度0。5秒。電子經(jīng)緯儀采用光電側(cè)角法，又分編碼法、動(dòng)態(tài)法和增量法，前兩種屬于絕對(duì)法，后一種屬于相對(duì)法。測(cè)角分粗測(cè)和精測(cè)兩步，因?yàn)?，光電測(cè)角消除了讀數(shù)誤差、度盤偏心誤差和刻劃誤差，所以，其測(cè)角精度主要由對(duì)中誤差、照準(zhǔn)誤差和外界大氣條件的影響。常見的有：用于飛機(jī)、輪船、汽車外形測(cè)量（兩臺(tái)儀器空間交會(huì)） 用于滑坡監(jiān)測(cè) 用于大型特種工程施工測(cè)量二、 精密距離測(cè)量主要采用機(jī)械法和光電法。機(jī)械法包括各種定長桿尺和定長銦瓦線尺配合測(cè)微裝置組成的量測(cè)儀和測(cè)量距離變化的應(yīng)變儀、伸縮儀。光電法分為干涉法和相位法。精密測(cè)距按測(cè)程分為中長距離（數(shù)十

13、公里）、短距離（10米）和微距離（毫米至米）。三、 精密水準(zhǔn)測(cè)量精密水準(zhǔn)測(cè)量的專用測(cè)量方法和技術(shù)主要是微水準(zhǔn)測(cè)量、激光掃平水準(zhǔn)測(cè)量和液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量。前兩種采用專用的微型水準(zhǔn)尺和激光水準(zhǔn)儀，后者采用連通管原理，通過傳感器測(cè)量液面密度來獲取測(cè)點(diǎn)高程。1、 微水準(zhǔn)測(cè)量微水準(zhǔn)測(cè)量：采用短視線的觀測(cè)方法。原因：精密水準(zhǔn)測(cè)量的主要誤差來源有：照準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差，儀器檢校后的剩余誤差，溫度變化對(duì)儀器和標(biāo)尺的影響，標(biāo)尺分化劃誤差和標(biāo)尺彎曲，標(biāo)尺底面不水平，在觀測(cè)過程中儀器和標(biāo)尺下沉、視場(chǎng)影象跳動(dòng)和折光影響，對(duì)大范圍水準(zhǔn)測(cè)量，重力、潮汐和地殼運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)于自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，還應(yīng)顧及磁場(chǎng)的影響。減短視線是克服上

14、述誤差的有效途徑。2、 液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量根據(jù)連通原理，將兩個(gè)或多個(gè)容器連接起來，液面狀態(tài)可由貝努利方程描述：或 式中：P為作用在液面上的大氣壓力，為液體的密度，g為 重力加速度，H為液面高度，C為常數(shù)。如圖：將C1、C2置于A、B兩點(diǎn)上，容器分別用水管和氣管連接，當(dāng)容器處于封閉狀態(tài)時(shí)，P不變。當(dāng)采用同一種液體，、g相等，當(dāng)各容器液面處于平衡狀態(tài)時(shí)，有：b為液面讀數(shù)，h為零點(diǎn)間的高差，即 目前測(cè)定液面高度的方法：、 目視法 、 電子傳感器法（精度能達(dá)到0.01mm的瞬時(shí)變化）四、 傾斜測(cè)量傾斜測(cè)量又稱撓度曲線測(cè)量，是確定被測(cè)對(duì)象（如橋、塔）在豎直平面內(nèi)相對(duì)于水平基準(zhǔn)線（面）或鉛直基準(zhǔn)線（面）的撓度曲線。五、 精密基準(zhǔn)測(cè)量精密基準(zhǔn)測(cè)量又稱精密準(zhǔn)直測(cè)量，是直線型設(shè)備精密安裝或水平位移精密測(cè)量的一種方法?；驹硎窃趦蓚€(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間通過光學(xué)視準(zhǔn)線或機(jī)械引張線或激光束建立一條基準(zhǔn)線，測(cè)出設(shè)備上的觀測(cè)點(diǎn)偏離該基準(zhǔn)線的偏離值，從而把設(shè)備調(diào)整安裝到該基準(zhǔn)線上或測(cè)出水平位移觀測(cè)值。常用的方法有三種：光學(xué)法、機(jī)械法和光電法。六、