土木工程测量教案绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第1页n第第1章章 绪论绪论n1.1 测量学介绍测量学介绍n测量学将地表物体分为地物和地貌。地物(feature):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;地貌(geomorphy):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(landform)。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。其主要任务是测定和测设。测定(location):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。测设(setting-out):将在地形
2、图上设计出建筑物和构筑物位置在实地标定出来,作为施工依据。第2页n测量在国民经济建设中应用:n(1)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1)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;2)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;3)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。n(2)铁路、公路建设测量工作铁路、公路建设测量工作1)为了确定一条最经济合理路线,必须预先测绘路
3、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;2)当路线跨越河流时,必须建造桥梁,在建桥之前,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;2)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学习本课程,应掌握以下相关测定和测设基本内容:地形图测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
4、分比尺测绘成图;第3页 地形图应用在工程设计中,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;施工放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;变形观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;完工测量。n1.2 地球形状和大小地球形状和大小地球是一个南北极稍扁,赤道稍长,平均半径约为6371km椭球。测量工作是在地球表面上进行,而地球自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等高低起伏形态,其中海洋面积约占71%,陆地面积约占29%。应掌握重力、铅垂线、水准面、大地水准面、参考椭
5、球面和法线概念及关系。地球上质点所受万有引力与离心力协力称为重力(gravity),重力方向称为铅垂线(plumb line)方向。假想静止不动水面延伸穿过陆地,包围整个地球,形成一个封闭曲面,这个封闭曲面称为水准面(level surface)。水准面也能够定义为:处处与铅垂线垂直连续封闭曲面。与平均海水面相吻合水准面称为大地水准面(geoid)。水准面有没有穷个,而大地水准面是唯一。第4页大地水准面是有微小起伏、不规则、极难用数学方程表示复杂曲面。将地球表面上物体投影到大地水准面上,计算起来非常困难。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,这个椭球面是由椭圆
6、NESW绕其短轴NS旋转而成旋转椭球面,称为参考椭球(reference ellipsoid),其表面称为参考椭球面。因为参考椭球扁率很小,当测区范围不大时,能够将参考椭球看作半径为6371km圆球。由地表任一点向参考椭球面所作垂线称法线(normal line),除大地原点以外,地表任一点铅垂线和法线普通不重合,其夹角称为垂线偏差(deflection of the vertical)。第5页第6页n1.3 测量坐标系与地面点位确实定测量坐标系与地面点位确实定空间是三维,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
7、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。n1.3.1确定点球面位置坐标系确定点球面位置坐标系 测量上将空间坐标系分解成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(geographical reference system)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。1)天文地理坐标系天文地理坐标系天
8、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,它基准是铅垂线 和 大 地 水 准 面,它 用 天 文 经 度(astronomical longitude)和 天 文 纬 度(astronomical latitude)两个参数来表示地面点在球面上位置。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(astronomical meridian plane),天文子午面与大地水准面交线称为天文子午线(astronomical meridian),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(International meridian plane)。第7页P
9、点天文经度:过P点天文子午面NPKS与首子午面NGMS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。过P点垂直于地球旋转轴平面与地球表面交线称为P点纬线(woof),过球心O纬线称为赤道(equator)。P点天文纬度:P铅垂线与赤道平面夹角,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。比如广州地域概略天文地理坐标为东经11318,北纬2307。2)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,是表示地面点在参考椭球面上位置,它基准是法线和参考椭球面,它用大地经度(
10、geodetic longitude)和大地纬度(geodetic latitude)表示。P点大地经度:过P点大地子午面(geodetic meridian plane)和首子午面所夹两面角。P点大地纬度:过P点法线与赤道面夹角。大地经、纬度是依据起始大地点(又称大地原点,该点大地经纬度与天文经纬度一致)大地坐标,按大地测量所得数据推算而得。我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点(geodetic origin)为起算点,由此建立大地坐标系,称为“1980西安坐标系”(Xian geodetic coordinate system 1980),简称80系或西安系。经过与前苏联1942年普尔科沃坐标
11、系联测,经我国东北传算过来坐标系称“1954北京坐标系”(Beijing geodetic coordinate system 1954),其大地原点位于前苏联列宁格勒天文台中央。第8页(2)平面直角坐标系平面直角坐标系地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便。比如,在赤道上,1经度差或纬度差对应地面距离约为30m。测量计算最好在平面上进行,但地球是一个不可展曲面,必须经过投影方法将地球表面上点位化算到平面上。地图投影有各种方法,我国采取是高斯-克吕格正形投影(Gauss-Kruger conformal projection),简称高斯投影(Gauss projection)。1)高斯平面坐标
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