土木工程测量教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第1页n第第1 1章章 绪论绪论n1.1 测量学介绍测量学介绍n(1)、测量学将地表物体分为地物和地貌n1)地物：地面上天然或人工形成物体，它包含平原、湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁等；n2)地貌：地表高低起伏形态，它包含山地、丘陵和平原等。n地物和地貌总称为地形。n测量学是研究地球形状和大小，确定地球表面各种物体形状、大小和空间位置科学。n(2)、测量学任务是测定和测设n1)测定：使用测量仪器和工具，经过测量和计算将地物和地貌位置按一定百分比尺、要求符号缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。n2)测设：将地形图上设计出建筑物、构筑物位置在实地标定出来，作为施工依据。n(3)、测量在国民经济建设中应用n1)城市规划、给水排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设测量工作城市规划、给水排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设测量工作 设计阶段：测绘各种百分比尺地形图，供结构物平面及竖向设计使用第2页 施工阶段：将设计结构物平面位置和高程在实地标定出来，作为施工依据；工程完工后：测绘完工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理应用，对一些主要建筑物或构筑物在建设中和建成以后都需要进行变形观察，以确保建筑物安全。n2)铁路、公路建设测量工作铁路、公路建设测量工作 为了确定一条最经济合理路线，必须预先测绘路线附近地形图，在地形图上进行路线设计，然后将设计路线位置标定在地面上以指导施工；当路线跨越河流时，必须建造桥梁。建桥之前，要测绘河流两岸地形图，测定河流水位、流速、流量和河床地形图以及桥梁轴线长度等，为桥梁设计提供必要资料，最终将设计桥台、桥墩位置用测量方法在实地标定；当路线穿过山地需要开挖隧道时，开挖之前，必须在地形图上确定隧道位置，依据测量数据计算隧道长度和方向；隧道施工通常是从隧道两端相向开挖，这就需要依据测量结果指示开挖方向，确保其正确贯通。n(4)、学习本课程，应掌握以下相关测定和测设基本内容：n1)地地形形图图测测绘绘：利用各种测量仪器和工具，经过实地测量和计算，把小范围内地面上地物、地貌按一定百分比尺测绘成图；n2)地地形形图图应应用用：在工程设计中，从地形图上获取设计所需要资料，比如点坐标和高程、两点间水平距离、地块面积、地面坡度、地形断面和进行地形分析等；第3页n3)施施工工放放样样：把图上设计好建筑物或构筑物位置标定在实地上，作为施工依据；n4)变变形形观观察察：监测建筑物或构筑物水平位移和垂直沉降，方便采取办法，确保建筑物安全；n5)完工测量完工测量。nP3 1.2 地球形状和大小地球形状和大小(1)、地球n1)地球是南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km椭球。n2)地球自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，展现高低起伏形态，并不平坦。n3)其中海洋面积约占71%，陆地面积约占29%。(2)、地球物理特征1)重力与铅垂线重力与铅垂线 重力地球上质点所受万有引力与离心力协力。铅垂线方向重力方向。2)水准面水准面假想静止不动水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成封闭曲面称水准面。第4页重力等位面，物体沿该面运动时，重力不做功(如水在这个面上不会流动)。或者说水准面是处处与铅垂线垂直连续封闭曲面。水准面不唯一。3)大地水准面大地水准面与平均海水面相吻合水准面称大地水准面。由静止海水面并向大陆延伸所形成不规则封闭曲面。大地水准面是唯一。(3)、参考椭球1)大地水准面微小起伏、不规则、极难用数学方程表示2)将地表地形投影到大地水准面上计算非常困难。3)、通常选择一个与大地水准面非常靠近、能用数学方程表示椭球面作为投影基准面，它由椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成旋转椭球，称参考椭球，其表面称参考椭球面。第5页4)法线由地表任一点向参考椭球面所作垂线。5)决定参考椭球大小元素为椭圆长半轴a和扁率f，简称参考椭球元素。6)决定参考椭球相对与地球位置称参考椭球定位，参考椭球面与大地水准面相切点称大地原点，该点铅垂线与法线重合。(4)我国现用几个参考椭球元素值第6页1.3 测量坐标系与地面点位确实定1.3.1 确定点球面位置坐标系(1)参心坐标系与地心坐标系物理空间是三维；表示地面点在某个空间坐标系中位置需要三个参数；确定地面点位实质就是确定其在某个空间坐标系中三维坐标；测量学将空间坐标系分为参心坐标系和地心坐标系。“参心”意指参考椭球中心，因为参考椭球中心普通不与地球质心重合，所以它属于非地心坐标系，表1-1中前两个坐标系是参心坐标系。“地心”意指地球质心，表1-1中GPS使用WGS-84属于地心坐标系。工程测量通常使用参心坐标系，能够将地心坐标系转换为参心坐标系。(2)确定点球面位置坐标系 n空间坐标系能够分解为确定点球面位置坐标系(二维)和高程系(一维)。确定点球面位置坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系两类。1)地理坐标系地理坐标系地理坐标系又可分为天文地理坐标系和大地地理坐标系两种。天文地理坐标系天文地理坐标系天文地理坐标又称天文坐标，表示地面点在大地水准面上位置；基准是铅垂线和大地水准面；用天文经度和天文纬度两个参数来表示地面点在球面上位置；第7页过地面上任一点P铅垂线与地球旋转轴NS所组成平面称为该点天文子午面；天文子午面与大地水准面交线称为天文子午线，也称经线；称过英国格林尼治天文台G天文子午面为首子午面；P点天文经度定义：过P点天文子午面与首子午面两面角，从首子午面向东或向西计算，取值范围是0180，在首子午线以东为东经，以西为西经。P点天文纬度定义：P点铅垂线与赤道面夹角，自赤道起向南或向北计算，取值范围为 090。在赤道以北为北纬，以南为南纬。能够应用天文测量方法测定地面点天文经度和天文纬度。如广州地域概略天文地理坐标为东经11318，北纬2307。大地地理坐标系大地地理坐标系大地地理坐标又称大地坐标，表示地面点在参考椭球面上位置；基准是参考椭球面和法线，用大地经度L和大地纬度B表示；P点大地经度L：过P点大地子午面和首子午面所夹两面角；P点大地纬度B：过P点法线与赤道面夹角。第8页大地经、纬度是依据起始大地点大地坐标，按大地测量所得数据推算而得。起始大地点又称大地原点，该点大地经纬度与天文经纬度一致。我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-北洪流村大地原点建立大地坐标系，称为“1980西安坐标系”，地理坐标为东经10855，北纬3432，海拔417.2m。经过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联测，经我国东北传算过来坐标系称“1954北京坐标系”，其大地原点位于前苏联列宁格勒天文台中央。第9页第10页第11页第12页第13页第14页第15页第16页第17页(3)平面直角坐标系平面直角坐标系球面坐标对局部测量工作不方便，工程测量普通在平面直角坐标系中进行；地球是一个不可展曲面，经过投影方法将地球表面点位化算到平面上存在变形；我国采取高斯-克吕格正形投影(简称高斯投影)属于保角投影，存在距离变形。1)高斯平面坐标系高斯平面坐标系高斯投影是德国科学家高斯在18201830年间，为处理德国汉诺威地域大地测量投影问题而提出一个投影方法，使用高斯投影国家主要有德国、中国与前苏联。从19起，德国学者克吕格将高斯投影公式加以整理和扩充并推导出了实用计算公式；高斯投影是将地球按经线划分成带，称投影带；投影时，构想用一个空心椭圆柱横套在参考椭球外面；使椭圆柱与某一中央子午线相切；将椭球面上图形按保角投影原理投影到圆柱体面上；将圆柱体沿过南北极母线切开，展开成平面，并在该平面上定义平面直角坐标系。第18页高斯投影依据投影经度范围与中央子午线位置不一样可分为以下几个高斯投影依据投影经度范围与中央子午线位置不一样可分为以下几个 统一统一6带高斯投影带高斯投影投影带从首子午线起，每隔经度6划分为一带(称统一6带)，自西向东将整个地球划分为60个带；带号N从首子午线开始，用阿拉伯数字表示；位于各带中央子午线称本带中央子午线；第一个 6带中央子午线经度为3；带号N与中央子午线经度L0关系为。第19页高斯投影是保角投影，球面上角度投影到横椭圆柱面上后保持不变，而距离将变长；只有中央子午线和赤道投影后距离不变，并相互垂直；以此建立直角坐标系称高斯平面直角坐标系；原点和坐标轴定义见右图。与数学笛卡儿坐标系差异；x轴与y轴交换了位置；象限按顺时针方向编号，以确保各类三角函数计算可直接在高斯平面直角坐标系中进行；我国位于北半球，x坐标值恒为正，y坐标值则有正有负，最大y坐标负值约为-334km。为确保y坐标恒为正，我国统一要求将每带坐标原点向西移500km，既给每个点y坐标值加500km。为确定投影带位置，还在y坐标前冠以带号；高斯投影距离变形规律是，离中央子午线越远，距离变形越大；减小距离变形方法之一是缩小投影带带宽经差。第20页 统一统一3带高斯投影带高斯投影带号n与中央子午线经度l0关系为我国大陆所处经度范围是东经7327东经13509统一6带投影与统一3带投影带号范围分别为1323，2545两种投影带带号不重复，依据y坐标前带号能够判断属于何种投影带统一3带与统一6带高斯投影关系为第21页第22页第23页第24页 任任意意带带高高斯斯投投影影地地方方独独立立坐坐标标系案例系案例城市测量规范第1.0.6条 要求之一；长度变形值大于2.5cm/km(1/40000);可采取高斯正形投影任意带平面直角坐标系统；比如：江门市中心经度为东经11301；位于统一3带38号带(中央子午线经度为114)中央子午线以西98km；长度变形为1/8329 1/40000；依据城市测量规范；选择过江门市中心子午线为中央子午线进行高斯投影；建立江门市独立坐标系；江门市区最边缘距离中央子午线23km长度变形值为1/1500001/40000。第25页第26页第27页第28页第29页1.3.2 确定点高程系(1)高程定义地面点沿铅垂线到大地水准面距离称该点绝对高程或海拔，简称高程(height)；通惯用加点名作下标表示,如HA、HB；高程系是一维坐标系，基准是大地水准面；因海水面受潮汐、风浪等影响，它高低时刻在改变；在海边设置验潮站(tide gauge station)，进行长久观察，求得海水面平均高度作为高程零点，以经过该点大地水准面为高程基准面(height datum)；也即大地水准面上高程恒为零。第30页(2)国家高程系统我国有两个国家高程系统。1)1956年黄海高程系以青岛大港验潮站历年观察黄海平均海水面为基准面。于1954年在青岛市观象山建立了水准原点，经过水准测量方法将验潮站确定高程零点引测到水准原点，求出水准原点高程。1956年我国采取青岛大港验潮站1950年1956年7年潮汐统计资料推算出大地水准面为基准引测出水准原点高程为72.289m；以这个大地水准面为高程基准建立高程系称为“1956年黄海高程系”；简称“56黄海系”。2)“1985国家高程基准”80年代，我国又采取青岛验潮站1953年1977年25年潮汐统计资料推算出大地水准面为基准引测出水准原点高程为72.260m；以这个大地水准面为高程基准建立高程系称为“1985国家高程基准”；简称“85高程基准”。在水准原点，85高程基准使用大地水准面比56黄海系使用大地水准面高出0.029m。如年10月9日公布珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844.43m，是85高程基准。第31页第32页3)珠江基面高程系(珠江高程系)19由两广督练公所参谋处测绘科建立，原点：广州粤海关前。广东广西珠江流域水利系统使用。珠江基面零点比56黄海系高广州高0.586m，粤西北高0.722m，粤东北高0.377m。第33页(3)城市高程系统选择城市测量规范要求一个城市只应采取一个统一高程系统。城市高程系统应采取1985国家高程基准或沿用1956年黄海高程系统，在远离国家水准点新设城市或在改造旧有水准网因高程变动而影响使用时，经上级行政主管部门同意后，可暂时建立或用地方高程系统，但应争取条件归算到1985国家高程基准上来。江门市存在两个高程系同时使用问题。1.3.3 WGS-84坐标系WGS意 指“World Geodetic System”(世界大地坐标系)，是美国国防局为进行GPS导航定位于1984年建立地心坐标系，1985年投入使用。属于地心坐标系。第34页WGS-84坐标系几何意义是：坐标系原点位于地球质心，z轴指向BIH1984.0定义协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道交点，y轴经过右手规则确定。使用GPS测量时，将碰到地心坐标系与参心坐标系变换问题WGS-84地心坐标系变换到1954北京坐标系或1980西安坐标系方法之一是：在测区内，利用最少3个以上公共点两套坐标列出坐标变换方程，采取最小二乘原了解算出7个转换参数得到转换方程。7个变换参数3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。普通经过计算机编程自动解算。第35页1.4 地球曲率对测量工作影响地球曲率对测量工作影响当测区范围较小时，能够将大地水准面近似看成水平面对待。本节讨论将大地水准面近似看成水平面对待时，对水平距离和高程影响(1)、对水平距离影响结论：在半径为10km圆内距离，可用切平面代替大地水准面。第36页(2)、对高程影响普通工程水准仪DS3测量高差误差为3mm/km高程起算面不能用切平面代替。第37页1.5测量工作概述测量工作概述(1)、测量任务测定和测设1)测定将地物和地貌按一定百分比尺缩小绘制成地形图。如图1-10所表示，测区内有山丘、房屋、河流、小桥、公路等，测绘地形图过程是先测量出这些地物、地貌特征点坐标，然后按一定百分比尺、要求符号缩小展绘在图纸上。比如要在图纸上绘出一幢房屋，就需要在这幢房屋附近、与房屋通视且坐标已知点(如图中A点)上安置测量仪器，选择另一个坐标已知点(如图中F点或B点)作为定向方向，才能测量出这幢房屋角点坐标。地物、地貌特征点又称碎部点，测量碎部点坐标方法与过程称为碎部测量。第38页图中，在A点安置测量仪器还能够测绘出西面河流、小桥，北面山丘，但山北面工厂区就看不见了。还需要在山北面布置一些点，如图中C、D、E点，这些点坐标应已知。可见，要测绘地形图，首先要在测区内均匀布置一些点，并测量计算出它们x、y、H三维坐标。测量上将这些点称为控制点，测量与计算控制点坐标方法与过程称为控制测量。第39页2)测设将图上设计建筑物与构筑物放样到实地。设图1-11(b)是图1-11(a)已经测绘出来地形图。依据需要，设计人员已经在图纸上设计出了P、Q、R三幢建筑物，用极坐标法将它们位置标定到实地方法是：(2)结论测定、测设都是在控制点上进行，所以测量工作标准之一是“先控制后碎部”。测量规范要求，测量控制网必须由高级向低级分级布设。如平面三角控制网是按一等、二等、三等、四等、5、10和图根网级别布设，第40页城市导线网是在国家一等、二等、三等或四等控制网下按一级、二级、三级和图根网级别布设。一等网精度最高，图根网精度最低。控制网等级越高，网点之间距离就越大、点密度也越稀、控制范围就越大；控制网等级越低，网点之间距离就越小、点密度也越密、控制范围就越小。如国家一等三角网平均边长为2025km，而城市一级导线网平均边长为300m。可见，控制测量是先布设能控制大范围高级网，再逐层布设次级网加密，我们将这种测量控制网布设标准称为“从整体到局部”。测量工作标准能够归纳为“从整体到局部，先控制后碎部”。1.6 测量惯用计量单位与换算测量惯用计量单位与换算测量惯用角度、长度、面积等几个法定计量单位换算关系列于表1-4、表1-5和表1-6。第41页第42页