工程測(cè)量 第1章緒論

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1、工程測(cè)量工程測(cè)量環(huán)境工程環(huán)境工程09級(jí)級(jí)1、2班用班用任課教師：蔣利龍任課教師：蔣利龍電話：電話：請(qǐng)分班就座請(qǐng)分班就座2班班1班班“測(cè)、算、繪測(cè)、算、繪”（原理、公式、儀器、方法）（原理、公式、儀器、方法）1、實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)（內(nèi)容：高程測(cè)量和角度測(cè)量；地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)（內(nèi)容：高程測(cè)量和角度測(cè)量；地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)1號(hào)樓號(hào)樓 215；教師：王宇會(huì)；教師：王宇會(huì) ）2、實(shí)習(xí)、實(shí)習(xí)1周（第八周）周（第八周）平時(shí)：平時(shí)：30%（作業(yè)與考勤）（作業(yè)與考勤）考試：考試：70%（隨堂、閉卷；考前不另指重點(diǎn)）（隨堂、閉卷；考前不另指重點(diǎn)）內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少（章節(jié)順序跟教材不完全一致）；（章節(jié)順序跟教材不完全

2、一致）；實(shí)踐性強(qiáng)實(shí)踐性強(qiáng)1、每章布置、每章布置 15道題，學(xué)完第道題，學(xué)完第4章、第章、第8章分別交一次。章分別交一次。2、必須按時(shí)交，補(bǔ)交不批改；抄與被抄者都各扣、必須按時(shí)交，補(bǔ)交不批改；抄與被抄者都各扣20分。分。第一章第一章 緒論緒論1 11 1 測(cè)量學(xué)的任務(wù)與作用測(cè)量學(xué)的任務(wù)與作用1 12 2 地面點(diǎn)位的確定地面點(diǎn)位的確定1 13 3 測(cè)量工作概述測(cè)量工作概述1 11 1 測(cè)量學(xué)的任務(wù)與作用測(cè)量學(xué)的任務(wù)與作用一、測(cè)量學(xué)的定義一、測(cè)量學(xué)的定義 測(cè)量學(xué)主要研究地球表面及空間點(diǎn)位信息點(diǎn)位信息的采集、處理、表達(dá)及利用方法，其內(nèi)容包括地面點(diǎn)位置的測(cè)定、地表形態(tài)的局部描述，以及地球形狀與大小的精確

3、測(cè)定等。測(cè)量學(xué)將地表物體分為地物和地貌地物和地貌，總稱為地形。（在地理學(xué)中，地形單指地貌）地物地物：地面上天然或人工形成的固定性物體地面上天然或人工形成的固定性物體。包括江河、湖泊、海洋、房屋、道路、橋梁等。地貌地貌：地表高低起伏的形態(tài)地表高低起伏的形態(tài)。包括山地、丘陵和平原等。二、測(cè)量學(xué)的任務(wù)與分支學(xué)科二、測(cè)量學(xué)的任務(wù)與分支學(xué)科（一）（一）.測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)量學(xué)的任務(wù) 測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)是測(cè)定和測(cè)設(shè)。測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)是測(cè)定和測(cè)設(shè)。測(cè)定測(cè)定：使用測(cè)量?jī)x器和工具，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算將地物和地貌的位置按一定比例尺、規(guī)定的符號(hào)縮小繪制成地形圖。測(cè)定工作通常與繪圖一道進(jìn)行。測(cè)設(shè)測(cè)設(shè)：將在地形圖上設(shè)計(jì)出的建筑物

4、和構(gòu)筑物的位置在實(shí)地標(biāo)定出來(lái)，作為施工的依據(jù)。由于測(cè)量學(xué)包括“測(cè)量”和“繪圖”，所以測(cè)量學(xué)又稱作“測(cè)繪學(xué)測(cè)繪學(xué)”。地物、地貌地物、地貌地形圖地形圖測(cè)量、計(jì)算、繪圖測(cè)量、計(jì)算、繪圖測(cè)定工作過(guò)程示意圖測(cè)定工作過(guò)程示意圖計(jì)算、計(jì)算、放樣放樣設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)圖測(cè)設(shè)工作過(guò)程示意圖測(cè)設(shè)工作過(guò)程示意圖標(biāo)設(shè)在實(shí)地標(biāo)設(shè)在實(shí)地（二）（二）.測(cè)繪學(xué)的分支學(xué)科測(cè)繪學(xué)的分支學(xué)科 測(cè)繪學(xué)是一級(jí)學(xué)科，下分五個(gè)分支：大地測(cè)量學(xué)大地測(cè)量學(xué)建立國(guó)家大地基礎(chǔ)控制；研究地球的形狀和大小。攝影測(cè)量與遙感學(xué)攝影測(cè)量與遙感學(xué)利用攝影像片或遙感影像來(lái)測(cè)繪地球或物體表面的形狀。地圖制圖學(xué)地圖制圖學(xué)研究成圖的理論與方法。工程測(cè)量學(xué)工程測(cè)量學(xué)直接為各種

5、工程建設(shè)服務(wù)的測(cè)量理論及方法。海洋測(cè)量學(xué)海洋測(cè)量學(xué)海洋定位，海底地形的測(cè)繪。在本課程中，將主要介紹工程測(cè)量學(xué)中地形測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容三三.測(cè)繪學(xué)的作用測(cè)繪學(xué)的作用 測(cè)繪學(xué)應(yīng)用十分廣泛。城市規(guī)劃、市政工程、土木建筑、道橋建設(shè)、礦產(chǎn)資源開采、水利水電建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，都與測(cè)繪工作息息相關(guān)。測(cè)量工作“貫穿于工程的始終，左右著工程的質(zhì)量貫穿于工程的始終，左右著工程的質(zhì)量”。從規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)到征地、施工、竣工，甚至以后的營(yíng)運(yùn)管理，每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開測(cè)繪工作。工程建設(shè)中的測(cè)繪工作工程建設(shè)中的測(cè)繪工作設(shè)計(jì)階段：設(shè)計(jì)階段：測(cè)繪地形圖，供設(shè)計(jì)建、構(gòu)筑物使用；施工階段：施工階段：將設(shè)計(jì)建、

6、構(gòu)筑物的平面位置和高程在實(shí)地標(biāo)定出來(lái)，作為施工的依據(jù)；控制方向和垂直度；竣工之后：竣工之后：測(cè)繪竣工圖（檢查施工是否與設(shè)計(jì)相符），進(jìn)行變形觀測(cè)，保證建筑物的安全。12 地面點(diǎn)位的確定地面點(diǎn)位的確定地球的形狀與大小地球的形狀與大小1地球是一個(gè)南北極稍扁，赤道稍長(zhǎng)，平均半徑約為6371km的橢球。地球繞地軸（南極與北極的連線）逆時(shí)針自轉(zhuǎn)。地軸與公轉(zhuǎn)軌道平面的夾角為66o33。66o33 地球的自然表面不光滑、不規(guī)則，有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等。地球上海拔最高的珠穆朗瑪峰高出海水面米(1975年測(cè)量值為 米），最低的馬里亞納海溝（位于太平洋西部的斐查茲海淵）則低于海水面11022米

7、。如此大的高低起伏，相對(duì)于龐大的地球來(lái)說(shuō)，還是可以忽略不計(jì)，故可將地球看作球狀?？紤]到海水面積約占地球表面積的71%，所以人們把地球視為被海水包圍的球體。u設(shè)想有一個(gè)靜止的海水面向陸地延伸，包圍整個(gè)地球，形成一個(gè)封閉的曲面，則這個(gè)封閉靜止的曲面稱為水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面。地球自然表面假想的封閉曲面水準(zhǔn)面u水準(zhǔn)面仍然是一個(gè)不規(guī)則曲面。海水有潮汐，時(shí)高時(shí)低，故水準(zhǔn)面有無(wú)數(shù)個(gè)。水準(zhǔn)水準(zhǔn)面面1水準(zhǔn)水準(zhǔn)面面2水準(zhǔn)水準(zhǔn)面面3大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面l與平均海水面相吻合（或者說(shuō)通過(guò)平均海水面）的水準(zhǔn)面稱為大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面。它所包圍的形體叫“大地體”。l大地水準(zhǔn)面和大地體都是唯一的。大地體大地體l水準(zhǔn)面也可定義為：處處

8、與鉛垂線垂直的連續(xù)封閉曲面。l鉛垂線就是重力作用線，即萬(wàn)有引力（指向地球質(zhì)心）與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力方向線。l鉛垂線是測(cè)量工作的基準(zhǔn)線。鉛垂線鉛垂線垂球 地球引力的大小與地球內(nèi)部質(zhì)量有關(guān)，而地球內(nèi)部質(zhì)量的分布不均勻，因此，地面點(diǎn)鉛垂線的方向會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則變化，致使大地水準(zhǔn)面成為一個(gè)表面光滑但形狀不規(guī)則的復(fù)雜曲面。大地體地球自然包裹體 在這個(gè)復(fù)雜曲面上，我們?nèi)匀粺o(wú)法進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理。為解決這個(gè)問(wèn)題，需用一個(gè)形狀與大地水準(zhǔn)面非常接近、但可用數(shù)學(xué)式表示的規(guī)則幾何形體的表面來(lái)代替大地水準(zhǔn)面，作為測(cè)量計(jì)算的基準(zhǔn)面。這個(gè)規(guī)則幾何形體是用包含地軸NS的橢圓繞地軸旋轉(zhuǎn)所得的橢球體。很顯然，橢球體與大地體不可能完

9、全重合。大地體橢球體橢球體橢球體橢球體NS 不同國(guó)家通常選擇最適合本地區(qū)的橢圓參數(shù)，并通過(guò)適當(dāng)?shù)臋E球定位來(lái)構(gòu)建測(cè)量坐標(biāo)系。習(xí)慣上稱這樣的橢球體為參考橢參考橢球體球體（不是唯一的不是唯一的），其表面叫參考橢球面。參考橢球體的幾何元素包括長(zhǎng)半徑a、扁率（或短半徑b）。我國(guó)西安80坐標(biāo)系采用的橢球元素值為：a 6378140m；（ab）/a；b 6356755m當(dāng)測(cè)量范圍不大或精度要求不高時(shí)，可將地球橢球視為圓球，其半徑為：R（aab）/36371kmaba二二.確定地面點(diǎn)位的方法確定地面點(diǎn)位的方法 描述一個(gè)點(diǎn)在地球上所處的位置通常需要用到坐標(biāo)，而坐標(biāo)值的大小則取決于所用的坐標(biāo)系統(tǒng)。測(cè)量上將空間坐標(biāo)

10、系分解成確定點(diǎn)的平面（實(shí)為球面）位置的坐標(biāo)系(二維)和高程系(一維)。（一）（一）.球面（大地）坐標(biāo)系統(tǒng)球面（大地）坐標(biāo)系統(tǒng) 在球面坐標(biāo)系統(tǒng)中，用經(jīng)度L和緯度B表示某地面點(diǎn)在橢球面上的位置。包含地軸NS的平面叫做子午面。子午面。通過(guò)英國(guó)格林尼治天文臺(tái)的子午面稱為起始子午面（即首子午面）。過(guò)某點(diǎn)P的子午面與首子午面的夾角叫該點(diǎn)的經(jīng)度經(jīng)度L，有東經(jīng)和西經(jīng)之分。過(guò)P點(diǎn)的法線（與該點(diǎn)處橢球面垂直的直線）與赤道面的交角叫該點(diǎn)的緯度緯度B，有北緯、南緯之分。在地形測(cè)量和普通工程測(cè)量中一般不采用球面（大地）坐標(biāo)系。在地形測(cè)量和普通工程測(cè)量中一般不采用球面（大地）坐標(biāo)系。過(guò)P點(diǎn)的法線過(guò)P點(diǎn)的子午面首子午面（二

11、）二）.高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng) 在工程建設(shè)中，使用大地坐標(biāo)很不方便。通常采用平面坐標(biāo)。因此，需將球面上的大地坐標(biāo)按一定的數(shù)學(xué)法則歸算（投影投影）到平面上。橢球面是一個(gè)不可直接展開的曲面，將橢球體面上的元素按一定的條件投影到平面上時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生變形?，F(xiàn)在地圖投影通常采用變形較小的等角投影。我國(guó)目前采用高斯投影。它是一種等角投影（也稱正形投影）。用一個(gè)假想的空心橫向橢圓柱套在地球橢球的外面，與地球橢球面上的一條子午線（該子午線稱為中央子午線）（該子午線稱為中央子午線）相切，并使橫向橢圓柱的軸線與橢球面的長(zhǎng)軸重合。在保持高斯等角投影等角投影的條件下，用數(shù)學(xué)方法將參考橢球面上的點(diǎn)、線

12、和圖形一一投影到橫向橢圓柱面上。然后沿經(jīng)過(guò)極點(diǎn)的母線ENE、FSF將橫向橢圓柱面切開展平，即得高斯投影平面上的相應(yīng)點(diǎn)、線和圖形，如下圖所示。設(shè)想用一個(gè)空心橫向橢圓柱套在參考橢球外面母線母線參考橢球面北極N南極S使橫向橢圓柱面與某一子午線相切相切的這條子午線叫中央子午線中央子午線赤道將橢球面上的圖形按等角投影原理投影到橫向橢圓柱面的內(nèi)側(cè)投影帶母線母線參考橢球面北極N南極S中央子午線赤道投影帶然 后 將 橫向橢圓柱面沿上、下母線切開，展開成為平面北極N南極S赤道投影帶中央子午線壓平壓平x（中央子午線中央子午線）y（赤道赤道）投影并展平后，中央子午線與赤道都是直線，分別作為高斯平面直角坐標(biāo)系的縱軸（

13、x軸）與橫軸（y軸）。高斯高斯投影過(guò)程投影過(guò)程投影后取出橫向橢圓柱剪開伸展壓平紅線紅線是投影區(qū)邊界線1)投影后中央子午線NBS是直線，長(zhǎng)度不變。2)投影后赤道ABC也是直線，且保持ABCNBS的關(guān)系。3)除了中央子午線上的線段在投影時(shí)不產(chǎn)生變形外，投影帶內(nèi)其它地方的線段均會(huì)產(chǎn)生變形，變形值的大小與投影區(qū)域離中央子午線的距離成正比，兩側(cè)對(duì)稱（離中央子午線越遠(yuǎn)，投影變形（離中央子午線越遠(yuǎn)，投影變形就越大）。就越大）。u為控制投影變形值，高斯投影的范圍（即經(jīng)度差）不宜過(guò)大，須分帶進(jìn)行投影，即把整個(gè)地球表面劃分成若干帶，分別將各帶均按高斯投影方法投影到平面上。投影分帶有6o帶、3o帶和o帶幾種。帶寬越

14、小，其變形也越小。以6o帶投影為例。從首子午線開始，經(jīng)度（東經(jīng)）每增加6o劃一帶，全球分成60帶，帶號(hào)分別為160。任意投影帶的中央子午線的經(jīng)度LN為：LN6N3 （N為投影帶號(hào)數(shù)）我國(guó)的大地經(jīng)度為74135，所以N 為1323。l3o帶投影時(shí)，第一帶的中央子午線與6o帶重合，即為東經(jīng)3o。各帶中央子午線的經(jīng)度Ln與帶號(hào)n的關(guān)系為：Ln3n （我國(guó)的n為2545）4.高斯平面直角坐標(biāo)系的建立高斯平面直角坐標(biāo)系的建立x軸是中央子午線NBS的投影，北方為正；y軸是赤道ABC的投影，東方為正；原點(diǎn)為中央子午線與赤道的交點(diǎn)。、四個(gè)象限按順時(shí)針順序排列，如右下圖。注意：注意：測(cè)量學(xué)中的平面直角坐標(biāo)系與數(shù)

15、學(xué)坐標(biāo)系的區(qū)別“x、y互換，象互換，象限順數(shù)限順數(shù)”。規(guī)定南北方向?yàn)閤軸的目的是為了定向方便（磁北方向），而規(guī)定象限順數(shù)是為了將數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)計(jì)算公式直接用于測(cè)量之中，不需做任何變更。5.用高斯平面直角坐標(biāo)表示地面點(diǎn)位置用高斯平面直角坐標(biāo)表示地面點(diǎn)位置 在某點(diǎn)的高斯平面直角坐標(biāo)值中，x表示在高斯平面上該點(diǎn)至赤道的距離，y坐標(biāo)表示在高斯平面上該點(diǎn)至中央子午線的距離。為了能根據(jù)某點(diǎn)的坐標(biāo)值確定該點(diǎn)位于哪個(gè)投影帶內(nèi)，規(guī)定在橫坐標(biāo)值之前冠以帶號(hào)，即橫坐標(biāo)值中的前兩位數(shù)字橫坐標(biāo)值中的前兩位數(shù)字為帶號(hào)為帶號(hào)。我國(guó)位于北半球，x坐標(biāo)始終為正，但y坐標(biāo)卻有正有負(fù)。為避免y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，故規(guī)定將坐標(biāo)縱軸向西平移5

16、00km（經(jīng)度差（經(jīng)度差1o對(duì)應(yīng)的距離約為對(duì)應(yīng)的距離約為111km），），即任何一點(diǎn)的橫坐標(biāo)都等于其真實(shí)值加500km。例如，某點(diǎn)的橫坐標(biāo)值是20380米，表示該點(diǎn)位于第20帶內(nèi)（6o帶），真實(shí)坐標(biāo)為：y=米(三三).獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系當(dāng)測(cè)量區(qū)域較小時(shí)，可以考慮采用獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系。獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸、象限順序跟高斯平面直角坐標(biāo)系完全相同，坐標(biāo)計(jì)算方法也相同。不同之處在于：x軸的正方向并不一定指向北極，大致指北即可。1.坐標(biāo)原點(diǎn)可以假定，即可根據(jù)需要自行確定，如取測(cè)區(qū)內(nèi)某點(diǎn)的坐標(biāo)為（1000，1000）。三三.高程系統(tǒng)高程系統(tǒng)l確定一個(gè)點(diǎn)的空間位置需要三個(gè)量，如三維

17、坐標(biāo)系中的X、Y、Z。l上述坐標(biāo)系統(tǒng)僅解決了點(diǎn)的平面位置（坐標(biāo)）問(wèn)題，還需用高程系統(tǒng)來(lái)確定地面點(diǎn)的高度位置。l在測(cè)量學(xué)中，地面點(diǎn)的高程是指該點(diǎn)至某一基準(zhǔn)面地面點(diǎn)的高程是指該點(diǎn)至某一基準(zhǔn)面（起算面）的垂直距離（起算面）的垂直距離。P點(diǎn)高程基準(zhǔn)面Pu如果基準(zhǔn)面是大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面，則這個(gè)垂直距離稱為該點(diǎn)的絕對(duì)高程絕對(duì)高程，簡(jiǎn)稱高程（或海拔、標(biāo)高），通常用H加點(diǎn)名作下標(biāo)表示，如HA、HB。我國(guó)目前采用的高程系統(tǒng)以青島驗(yàn)潮站歷年（19531977）觀測(cè)的黃海平均海水面為基準(zhǔn)面即以該點(diǎn)處的平均海水位置為高程零點(diǎn)得到大地水準(zhǔn)面，該系統(tǒng)稱作“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)國(guó)家高程基準(zhǔn)”，簡(jiǎn)稱“85高程基準(zhǔn)”。全國(guó)各

18、地的高程都以此為準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)算。如果起算面（基準(zhǔn)面）不是大地水準(zhǔn)面，而是任意水準(zhǔn)面任意水準(zhǔn)面或假定水準(zhǔn)面，則地面上某點(diǎn)至該起算面的垂直距離稱為相對(duì)高程相對(duì)高程或假定高程。用HP表示。地面上A、B兩點(diǎn)的高程之差稱為高差高程之差稱為高差，用hAB表示，即：ABABABHHHHh由此可見，兩點(diǎn)間的高差與起算面無(wú)關(guān)。但某點(diǎn)的高程卻與起算面密切相關(guān)。1 13 3 測(cè)量工作概述測(cè)量工作概述一一.測(cè)量工作的實(shí)質(zhì)測(cè)量工作的實(shí)質(zhì) 實(shí)質(zhì)：確定地面點(diǎn)的位置，即地面點(diǎn)定位地面點(diǎn)定位。過(guò)程：找“特征點(diǎn)特征點(diǎn)（碎部點(diǎn)）”，測(cè)定其三維坐標(biāo)。圖中，房角點(diǎn)1、2、3和道路轉(zhuǎn)折點(diǎn)1、2、3都是地物特征點(diǎn)，即需要測(cè)量坐標(biāo)的碎部點(diǎn)。l1l2l3123123.二.測(cè)量工作的原則測(cè)量工作的原則布局上“從整體到局部從整體到局部”，程序上“先控制后碎部先控制后碎部”。1.2.“沒(méi)有對(duì)前段工作的檢查檢查，就不能開展后一階段的工作”。無(wú)論是測(cè)繪還是測(cè)設(shè)，都需以測(cè)區(qū)內(nèi)部或附近的具有具有控制意義控制意義的基準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)，否則無(wú)法拼接，確定相對(duì)關(guān)系。水先建立控制網(wǎng)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，然后根據(jù)控制網(wǎng)進(jìn)行碎部（又稱細(xì)部）測(cè)量或測(cè)設(shè)。地面點(diǎn)定位的參數(shù)是x、y、H，其要素為“角度、距離和高差”。地面點(diǎn)定位的基本工作：角度測(cè)量、距離測(cè)量和高差測(cè)量。第一章作業(yè)：第一章作業(yè)：P102、3、4、5、9