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1、测量学基础 测量学的分科 1 大地测量学研究地球形状 大小 地球重力场以及建立国家大地控制网的理论 技术和方法的科学 大地测量学可分为几何大地测量学 物理大地测量学和卫星大地测量学 也称为空间大地测量学 2 普通测量学研究地球表面较小区域内测量与制图的理论 技术和方法的科学 在测绘过程中不考虑地球曲率的影响 用平面代替地球曲面 根据需要建立小区域的控制网 测绘大比例尺地形图及一般工程的施工测量 3 工程测量学研究各类专业工程在规划 设计 施工和动工过程中所涉及的测量理论 技术和方法的科学 根据专业不同 工程测量学分为土木工程测量 铁道工程测量 矿山工程测量等 4 摄影测量学研究利用摄影和遥感技
2、术 获取被摄物体的住处进行分析 处理以确定物体的形状 大小和空间位置 并判定其属性的科学 5 海洋测量学 研究地球表面水体 江 湖及海洋 港口 航道及水下地貌等 6 地图制图学 研究地图的编制和应用 地球与地球椭球 大地测量学中所研究的地球形状就是大地水准面的形状 理由是 大地水准面与占地球面积71 的平均海水面重合 与地球自然表面非常接近 大地水准面具有水准面特性 处处与铅垂线正交 而测量仪器是用水准器整平 用垂球对中的 所以 大地水准面是测量作业的基准面 海水面是实际存在的 与世界上沿海国家都发生联系 通过验潮取平均值就可获得平均海水面的位置 参考椭球 用大地体表示地球体形是恰当的 但由于
3、地球内部质量分布不均匀 引起铅垂线的方向产生不规则的变化 致使大地水准面成为一个复杂的曲面 无法在这曲面上进行测量数据处理 为了使用方便 通常用一个非常接近于大地水准面 并可用数学式表示的几何形体 即地球椭球 来代替地球的形状作为测量计算工作的基准面称参考椭球面 从严格意义上讲 测绘工作时取参考椭球面为测量的基准面 但在实际工作中仍取得是大地水准面作为测量的基准面 地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体 故地球椭球又称旋转椭球 由于地球椭球的扁率很小 因此当测区范围不大时 可近似地把地球椭球作为圆球 其半径为6371km 椭球参数 圆球参数 大地坐标系 大地坐标系表示地面点在旋转椭球面上的位
4、置 1 1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球 a 6378245m 扁率 1 298 3 大地原点在前苏联 引测到北京一点的坐标 2 1980年国家坐标系大地原点在陕西泾阳县永乐镇 选用IUGG 75地球椭球 3 WGS 84坐标系WGS 84坐标系是世界大地坐标系 其坐标原点原点是地球的质心 空间直角坐标系的Z轴指向BIH 1984 0 定义的地极 CTP 方向 即国际协议原点CIO 它由IAU和IUGG共同推荐 X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点 Y轴和Z X轴构成右手坐标系 采用WGS 84椭球 a 6378137m 扁率 1 298 257223563 所有的GPS卫
5、星定位系统得到的地面点位置都是WGS 84坐标系 以B L H经纬度表示 4 2000国家大地坐标系经国务院批准 根据 中华人民共和国测绘法 我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系 简称 2000坐标系 2000坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现 其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 2000坐标系采用的地球椭球参数如下 长半轴a 6378137m扁率f 1 298 257222101地心引力常数GM 3 986004418 1014m3s 2自转角速度 7 292115 10 5rads 1 大地坐标系 空间直角坐标系 空间直角坐标系以 xyz 表示 长度单位m 原点
6、在地球椭球的中心o x轴通过首子午面与赤道的交点 z轴与地球旋转轴重合 y轴垂直于平面 构成右手坐标系 高斯平面直角坐标系 以中央了午线为坐标纵轴x 以赤道的投影为坐标横轴y 两轴的交点作为坐标原点 由于旋转椭球面是一个不可直接展开的曲面 因此当把曲面上的图形变换到平面上时 图形的变形是不可避免的 有6度 3度 1 5度三种分带方式 分带角度越小 变形越小 高斯平面直角坐标系 在坐标系内 规定X轴向北为正 Y轴向东为正构成左手坐标系 在坐标系内 规定X轴向北为正 Y轴向东为正 我国位于北半球 X坐标为正 Y坐标有正有负 为避免出现负值 将每带的坐标原点向西移500km 则每点的横坐标值均为正值
7、 为了根据横坐标值能够确定某点在哪一个6度带内 则在横坐标的整数位的第7 8位冠以带的编号 2123456 123m 最高位的2表示带号 地面点的高程 高程 绝对高程 海拔 地面点到大地水准面的铅垂距离 假定 相对 高程 地面点到假定水准面的铅垂距离 高差 两点间的高程之差 用水平面代替水准面的限度 在半径为10km的范围内 进行距离测量时 可以用水平面代替水准面 而不必考虑地球曲率对距离的影响 用水平面代替水准面的限度 在半径为10km的范围内 以水平面代替水闪面的角度误差可忽略不记 高程测量中 即使距离很短也应考虑地球曲率对高程的影响 测量工作基本概念和内容 测量工作的原则 1 由整体到局
8、部 由高级到低级 先控制后细部 2 步步检核 测量工作的内容 控制测量地形图测绘施工测量基本观测 角度 距离 高差 有关仪器的测量工作 平面控制测量高程控制测量地形测量线路测量施工测量变形测量 基本测量工作 水准测量角度测量距离测量与直线定向坐标测量坐标放样直线放样 水准仪 经纬仪和全站仪的用途 水准仪 用于标高测量 高程传递测量水准仪故名思意就是用来测水准的 主要也是最基本的功能就是测两点之间的高差 高程差 经纬仪 用于点位测量 用于工程定位经纬仪主要功能是用来测角度的 分水平角及垂直角 在没有全站仪之前它还用来立点放样 用皮尺或测距仪测距 全站仪 全站式电子速测仪 工程定位全站仪的其实简单
9、点来说就是水准仪及经纬仪 测距仪 测量软件的综合点 它的出现可以说是大大提高了测量人员的工作效率 它的功能除了经纬仪及水准仪 不能完全代替水准仪 水准仪测标高的精度是别的任何仪器不可以取代的 的功能外还有数据采集及工程放样 水准测量理论 水准测量 原理 水准测量是利用水准仪提供的水平视线 借助于带有分划的水准尺 直接测定地面上两点间的高差 然后根据已知点高程和测得的高差 推算出未知点高程 HB HA a b A B两点间高差hAB为 A点为后视点 A点尺上的读数a称为后视读数 B点为前视点 B点尺上的读数b称为前视读数 高差等于后视读数减去前视读数 高差法 如果已知A点的高程HA 则B点的高程
10、HB为 HA a b 计算未知点高程 水准测量示意图 已知坡度线的测设 在道路建设 敷设上下水管道及排水沟等工程时 常要测设指定的坡度线 已知坡度线的测设是根据设计坡度和坡度端点的设计高程 用水准测量的方法将坡度线上各点的设计高程标定在地面上 A B为坡度线的两端点 其水平距离为D 设A点的高程为HA 要沿AB方向测设一条坡度为iAB的坡度线 测设方法如下 1 根据A点的高程 坡度iAB和A B两点间的水平距离D 计算出B点的设计高程 HB HA D 2 按测设已知高程的方法 在B点处将设计高程HB测设于B桩顶上 此时 AB直线即构成坡度为iAB的坡度线 3 将水准仪安置在A点上 使基座上的一
11、个脚螺旋在AB方向线上 其余两个脚螺旋的连线与AB方向垂直 量取仪器高度i 用望远镜瞄准B点的水准尺 转动在AB方向上的脚螺旋或微倾螺旋 使十字丝中丝对准B点水准尺上等于仪器高i的读数 此时 仪器的视线与设计坡度线平行 4 在AB方向线上测设中间点 分别在1 2 3 处打下木桩 使各木桩上水准尺的读数均为仪器高i 这样各桩顶的连线就是欲测设的坡度线 如果设计坡度较大 超出水准仪脚螺旋所能调节的范围 则可用经纬仪测设 其测设方法相同 场地找平 b尺面读数 HA a尺面读数 设计高HB 水准测量的应用 高程控制沉降观测坡度放样场地找平 水准测量需要的器材 仪器 水准仪 三角架工具 水准尺 尺垫 记
12、录 水准记录簿 电子水准仪可存储数据 水准控制测量时的注意事项 1 保证前后标尺的视距基本相等 最后的累计视距差应接近0 可消除仪器的I角误差 2 一测段内架设偶数站可消除因尺子底部磨损引起的0长度误差 3 尺子的前后倾斜会引起较大的不易发现的误差 自动安平水准仪使用方法 自动安平水准仪的基本操作程序为 安置仪器粗略整平瞄准水准尺精确整平和读数 自动安平水准仪不需要精确整平 安置仪器 1 在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋 按需要的高度调整架腿长度 再拧紧固定螺旋 张开三脚架将架腿踩实 并使三脚架架头大致水平 2 从仪器箱中取出水准仪 用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上 粗略整平 通过调节脚螺
13、旋使圆水准器气泡居中 具体操作步骤如下 1 如图2 10所示 用两手按箭头所指的相对方向转动脚螺旋1和2 使气泡沿着1 2连线方向由a移至b 瞄准水准尺 1 目镜调焦松开制动螺旋 将望远镜转向明亮的背景 转动目镜对光螺旋 使十字丝成像清晰 2 初步瞄准通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺 旋紧制动螺旋 3 物镜调焦转动物镜对光螺旋 使水准尺的成像清晰 4 精确瞄准转动微动螺旋 使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央 消除视差 消除视差眼睛在目镜端上下移动 有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动 这种现象叫视差 产生视差的原因是水准尺的尺像与十字丝平面不重合 如下左图 视差的存在将影响读数
14、的正确性 应予消除 消除视差的方法是仔细地转动物镜对光螺旋 直至尺像与十字丝平面重合 精确整平 读数 精确整平 自动安平水准仪不需要 精确整平简称精平 眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡影像 用右手缓慢地转动微倾螺旋 使气泡两端的影像严密吻合 此时视线即为水平视线 微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致 读数符合水准器气泡居中后 应立即用十字丝中丝在水准尺上读数 读数时应从小数向大数读 如果从望远镜中看到的水准尺影像是倒像 在尺上应从上到下读取 直接读取米 分米和厘米 并估读出毫米 共四位数 如图所示 读数是1 336m 读数后再检查符合水准器气泡是否居中 若不居中 应再次精平 重新读数
15、 水准数据处理 水准路线分类 闭合水准路线附合水准路线支线水准路线水准测量数据处理过程计算高差闭合差调整高差闭合差计算各测段改正后高差计算待定点高程 水准测量的误差及其消减方法 仪器误差 视准轴与水准管轴不平行引起的误差仪器虽经过校正 但i角仍会有微小的残余误差 当在测量时如能保持前视和后视的距离相等 这种误差就能消除 当因某种原因某一测站的前视 或后视 距离较大 那么就在下一测站上使后视 或前视 距离较大 使误差得到补偿 调焦引起的误差当调焦时 调焦透镜光心移动的轨迹和望远镜光轴不重合 则改变调焦就会引起视准轴的改变 从而改变了视准轴与水准管轴的关系 如果在测量中保持前视后视距离相等 就可在
16、前视和后视读数过程中不改变调焦 避免因调焦而引起的误差 水准尺的误差水准尺的误差包括分划误差和尺身构造上的误差 构造上的误差如零点误差和箱尺的接头误差 所以使用前应对水准尺进行检验 水准尺的主要误差是每米真长的误差 它具有积累性质 高差愈大误差也愈大 对于误差过大的应在成果中加入尺长改正 水准测量的误差及其消减方法 观测误差 气泡居中误差视线水平是以气泡居中或符合为根据的 但气泡的居中或符合都是凭肉眼来判断 不能绝对准确 气泡居中的精度也就是水准管的灵敏度 它主要决定于水准管的分划值 一般认为水准管居中的误差约为0 1分划值 为了减小气泡居中误差的影响 应对视线长加以限制 观测时应使气泡精确地居中或符合 估读水准尺分划的误差水准尺上的毫米数都是估读的 估读的误差决定于视场中十字丝和厘米分划的宽度 所以估读误差与望远镜的放大率及视线的长度有关 通常在望远镜中十字丝的宽度为厘米分划宽度的十分之一时 能准确估读出毫米数 所以在各种等级的水准测量中 对望远镜的放大率和视线长的限制都有一定的要求 此外 在观测中还应注意消除视差 并避免在成像不清晰时进行观测 扶水准尺不直的误差水准尺没有扶直 无论
