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

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(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)高斯平面坐标系高斯平面坐标系高斯投影是高斯在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。19起，德国学者克吕格(Kruger)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，称为投影带，投影带是从首子午线起，每隔经度6划分为一带(称为统一6带)，自西向东将整个地球划分为60个带。带号从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。第9页位于各带中央子午线称为该带中央子午线(central meridian)。第一个 6带中央子午线经度为3，任意带中央子午线经度与投影带号关系为 投影时是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，然后将圆柱体沿着过南北极母线切开，展开成为平面，并在该平面上定义平面直角坐标系。第10页第11页距离变形过大对于测绘大百分比尺地形图和施工测量是极不方便。减小投影带边缘位置距离变形方法之一就是缩小投影带带宽，比如能够选择统一3带或以城市中心某点子午线为中央子午线(任意带)进行投影，其中统一3带中央子午线经度与投影带号关系为第12页我国领土所处概略经度范围是东经7327东经13509，依据(1-5)式和(1-9)式求得统一6带投影与统一3带投影带号范围分别为1323，2545。可见，在我国领土范围内，统一6带与统一3带投影带号不重复。2)假定平面直角坐标系假定平面直角坐标系城市测量规范(CJJ 8-99)要求，面积小于25km2城镇，可不经投影采取假定平面直角坐标系统在平面上直接进行计算。将测区中心点C沿铅垂线投影到大地水准面上得c点，用过c点切平面来代替大地水准面，在切平面上建立测区平面直角坐标系称为“假定平面直角坐标系”。坐标系原点选在测区西南角以使测区内点坐标均为正值，以过测区中心子午线为轴方向。将测区内任一点P沿铅垂线投影到切平面上得p点，经过测量，计算出p点坐标就是P点在假定平面直角坐标系中坐标。第13页3)城市平面坐标系选择城市平面坐标系选择一个城市只应建立一个与国家坐标系相联络、相对独立和统一城市平面坐标系，并经上级行政主管部门审查同意后方可使用。城市平面坐标系选择应以投影长度变形值小于2.5cm/km=1/4万为标准，并依据城市地理位置和平均高程而定。地面水平距离投影到高斯平面上距离长度相对变形为 第14页城市测量规范要求，当长度变形值小于2.5cm/km时，应采取高斯投影统一3带平面直角坐标系统；当长度变形值大于2.5cm/km时，可依次采取投影于抵偿高程面上高斯投影统一3带平面坐标系；高斯投影任意带平面坐标系，投影面可用黄海平均海水面或城市平均高程面；假定平面直角坐标系。所谓抵偿高程面，就是当城市所处统一3带平面坐标系高斯投影距离变形值大于2.5cm/km时，经过适当选择距离投影高程面，使计算出K值仍能满足小于2.5cm/km要求。其高程Hm称为抵偿高程面。1.3.2确定点高程系确定点高程系地面点沿铅垂线到大地水准面距离称为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。第15页高程系是一维坐标系，它基准是大地水准面。因为海水面受潮汐、风浪等影响，它高低时刻在改变。通常是在海边设置验潮站(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。(1)国家高程系统国家高程系统我国境内所测定高程点是以青岛验潮站历年观察黄海平均海水面为基准面，并于1954年在青岛市观象山建立了水准原点(leveling origin)，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，也即求出水准原点高程。新中国成立后，1956年我国采取青岛验潮站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”(Huanghai height system 1956)，简称“56黄海系”。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”(Chinese height datum 1985)，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。(2)城市高程系统选择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。第16页1.3.3 WGS-84坐标系坐标系WGS英文意义是“World Geodetic System”(世界大地坐标系)，它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。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。WGS-84地心坐标系能够与1954北京坐标系或1980西安坐标系等参心坐标系相互转换，其方法之一是：在测区内，利用最少3个以上公共点两套坐标列出坐标转换方程，采取最小二乘原了解算出7个转换参数就能够得到转换方程。其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。详细参见文件23。第17页第18页1.5测量工作概述测量工作概述测量任务是测定和测设。测定是将地物和地貌按一定百分比尺缩小绘制成地形图(topographic map)。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(detail point)，测量碎部点坐标方法与过程称为碎部测量(detail survey)。第19页1.5测量工作概述测量工作概述由图1-10可知，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。由此可知，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。测设是将在图纸上设计好建筑物和构筑物位置在实地标定出来。设图1-11是图1-10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：不论测定还是测设都是在控制点上进行，由此得出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。第20页第21页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，而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。由此可知，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”。所以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分别列于表1-4、表1-5和表1-6。第22页第23页