土木测量学第1章 绪论1

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1、张 美 微,工程测量学（测量学）,纪律：教务处正在严查，请大家认真对待！ 考试成绩：平时30%，期末70%。 教材:中国矿业大学出版社，测量学，高井祥主编。,为什么学习测量学？,1.1 测量学的任务及其在工程中的作用 1.2 地面点位的确定（重点） 1.3 测量的程序和原则,第一章 绪论,1.1 测量学的任务及其在工程中的作用,1、测量学概念研究地球的形状和大小、以及如何确定地面点位置的科学。 2、测量学的分支 大地测量学：研究和测定地球形状、大小和地球重力场 ，以及测定地面点几何位置的学科。又分为常规大地测量学和卫星大地测量学，在研究中考虑地球曲率的影响。,1.1 测量学的任务及其在工程中的

2、作用,2、测量学的分支 普通测量学(地形测量学)：研究地球局部表面的形状和大小的学科，不顾及地球曲率的影响。 摄影测量学：研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定其形状、大小和空间位置的学科。又分为地面摄影测量学、航空摄影测量学、水下摄影测量学和航天摄影测量学。 海洋测量学：研究以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作的学科。,1.1 测量学的任务及其在工程中的作用,2、测量学的分支 工程测量学：研究工程建设在设计、施工和管理各阶段进行测量工作的理论、技术和方法的学科，又称为实用测量学或应用测量学 。 地图制图学：利用测量、采集和计算所得的成果资料，研究各种地图的制图理论、原理

3、、工艺技术和应用的学科。研究内容包括地图编制、地图投影学、地图整饰、印刷等。,1.1 测量学的任务及其在工程中的作用,2、测量学的分支 矿山测量学:综合运用测量、地质及采矿等多种学科的知识，研究如何确保矿产资源合理开发、安全生产和矿区生态环境治理的一门学科。矿山生产时期的井下控制测量、采区生产测量及各种生产设施的运行状况监测等，其作用被誉为“矿山的眼睛”。 测量仪器学：研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。 GNSS测量等新的测量分支学科。 本课程所介绍的内容：大地测量、普通测量、工程测量各一部分，后两者为重点。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的

4、学科。,游标经纬仪,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,测量仪器学,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,3、测量学内容测定和测设 测定：是指按照一定方法，使用测量仪器和工具，通过测量和计算来确定地面点的位置（三维坐标），或把地球表面的形状测绘成地形图。这些资料可供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用，是认识自然的过程。 测设(也称放样)：就是把图上设计好的建筑物和构筑物的位置标定到实地上去，以便于施工。测定地面 图纸测设,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,4、测量学的任务精确地测定地面点的位置及地球的形状和大小将地球表面的形态及其他相关信息绘制成图进行经济建设和国防建设所需要的测

5、绘工作,测,绘,用,大地构造运动和地球动力学的几何信息，结合地球物理的研究成果，解决地球内部运动机制问题。具体来说，测绘学在国民经济建设和国防建设中的主要作用可归纳成以下几方面： （1）提供基础数据：提供一系列点的大地坐标、高程和重力值，为科学研究、地形图测绘和工程建设服务。 (2)提供地图：提供各种比例尺地形图和地图，作为规划设计、工程施工和编制各种专用地图的基础。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,(3)行政勘界与权属定界：准确测绘国家陆海边界和行政区划界线，以保证国家领土完整和邻邦友好相处。 （4）提供各种工程需要的测量技术：为地震预测预报、海底资源勘测、灾情监测调查、人造卫星发射、

6、宇宙航行技术等提供 测量保障。 (5)军事测绘：为现代国防建设和确保现代化战争的胜利提供测绘保障。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,1.2 地面点位的确定,地球的形状与大小 “地 球 的 形 状 是 什 么 样 的？”,What is the figure of the earth?,（1）地球的自然表面,测量学的主要研究对象是地球的自然表面，而地球表面又是高低起伏极不规则的，有高山 、平原、丘陵、荒漠、河流、湖泊和海洋等。位于我国西藏与尼泊尔交界处的喜马拉雅山的主峰珠穆朗玛峰，海拔高达8844.43 m，而位于太平洋西部的马利亚纳海沟，则低于海平面11 034 m，两者之间的高度差近2

7、0 000 m。,1）水准面、大地水准面和大地体：,地球的自然表面高低起伏、很不规则，不能用数学公式描述。因此要选择一个与地球自然表面极为接近的，可以用数学公式计算测量成果的表面作为基准面。,水准面:设想有一个静止的海水面向陆地 下面无限 延伸而形成一个封闭的曲面，这个曲面称为水准面。海水有潮有汐，时高时低，所以水准面有无数个。其中通过平均海水面的那一个水准面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。,静止海水面,陆地,大地水准面,地球上的任意一点，都同时受到两个力的作用：P（离心力）+ F（地心引力）= G（重力）铅垂线：重力的方向线称 为铅垂线。 整置仪器时，要求仪器竖 轴与过地面一

8、点的铅垂线 一致，所以铅垂线是野外 测量工作的基准线。,大地水准面的特点地表起伏不平、地壳内部物 质密度分布不均匀，使得重力方 向产生不规则变化。由于大地水 准面处处与铅垂线正交，所以大 地水准面是一个无法用数学公式 表示的不规则曲面。故大地水准面不能作为测量计算的基准面。但大地水准面是野外测量统一的基准面。与其垂直的铅垂线则是野外测量的基准线。大地水准面所包围的形体大地体，则是多年来大地测量工作者研究的对象，认为它能代表地球的实际形状。,3）旋转椭球（地球椭球）大地体接近于一个具有极小扁率的旋转椭球（由椭圆NWSE绕其短轴NS旋转而成）。椭球面是一个规则的数学曲面。一般用长半径a和扁率(或长

9、、短半径a、b)两个椭球体参数表示椭球的形状和大小。关系： = （a b ）/ a在一定的条件下，将有确定参 数的地球椭球与大地水准面的相关 位置确定下来，从而获得测量计算 的基准面和大地起算数据，即椭球 定位。,4）参考椭球把形状和大小与大 地体相近，且两者之间 相对位置确定的旋转椭 球称为参考椭球。参考椭球面是地球的数学模型，现实不存在，只有几何意义而无物理意义。参考椭球面是测量计算的基准面，椭球面法线则是测量计算的基准线。参考椭球有许多个。适合于一个国家的参考椭球不一定适合另一个国家。,各国为处理其大地测量成果，往往根据本国及其他国家所进行的天文、大地、重力测量资料，采用适合本国领土范围

10、的椭球参数并将其定位。我国在解放前采用海福特椭球，解放后曾 一度采用克拉索夫斯基椭球。我国目前采用的两种椭球（1）1975年“国际大地测量与地球物理联合会” 推荐的 “1975国际椭球” ，其大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇，由此建立的坐标系称为“1980年国家大地坐标系”。（2）随着北斗系统的建立，21世纪初已有了属于自己的椭球“CGCS2000国际椭球”，由此建立了CGCS2000国家大地坐标系（地心坐标系），为我国北斗系统采用。,参考椭球面部分参考椭球参数一览表,测量工作的实质：确定地面点的空间位置平面坐标高程,（2）平面坐标地面点平面位置的表示方法 1）地理坐标(天文坐标和大地坐标),通

11、过地轴和地球上任意点P的平面NPS，称为P点的子午面，它与地球表面的交线称为子午线或经线。国际上公认通过英国格林尼治天文台的子午面为本初子午面，相应的子午线本初子午线。垂直于地轴的平面与地球表面的交线称为纬线。通过球心O且垂直于地轴的平面称为赤道平面，它与球面的交线称为赤道。本初子午面和赤道平面，是确定地面点经度和纬度的两个基本平面。,天文坐标：过地面上任一点P的子午面与首子午面所成的二面角，称为P点的经度，用表示，经度由首子午线向东，从0 到180 ，称为东经，由首子午线向西量，也是从0 到180 ，称为西经。过P点的铅垂线与赤道平面的夹角称为P点的纬度， 用表示，从赤道面起， 0 到90

12、，在赤道以北的 称为北纬，以南的称为南纬。 上述经纬度是以铅垂线为依 据而用天文观测的方法测定 的，称为天文经纬度或天文 地理坐标，通常以 、表 示。,大地坐标：以地球椭球面的法线为依据而用大地测量的方法确定的，称为大地经纬度或大地地理坐标，通常以L、B 表示。 大地纬度B，过P点的法线与赤道面的夹角B。由赤道面起算，向北为北纬(0 90)，向南为南纬(0 90)。 过球面上任一点P的子午面与首子午面所成的二面角，称为P点的经度，用L表示。 大地坐标系是大地测量的基本坐 标系，它对于大地测量、计算、 地球形状大小的研究和地图编 制 等都非常有用。 “1980年国家大地坐标系” CGCS2000

13、国家大地坐标系,2）平面直角坐标系在小区域内进行测量工作，将椭球面看做平面，通常采用平面直角坐标。 测量工作中所采用的平面直角坐标系与数学中所介绍的相似，只是坐标轴互易。如图 南北方向为纵轴-x轴 东西方向为横轴-y轴 测量坐标系的、 象限为顺时针方向编号。 而数学坐标系则按逆时编号。 这是因为测量上规定所有直 线的方向都是从纵坐标轴北 端起按顺时针方向量度的。 大区域-高斯克吕格平面直 角坐标系将在后续章节详细介绍。,1） 绝对高程地面点到大地水准面的铅垂距离，称为该点的绝对高程(elevation)或海拔。用“H”表示。高程值有正有负，在基准面以上的点，其高程值为正，反之为负。两点间的高程

14、之差，称为高差(difference in elevation)。 用“h”表示。hAB=HB-HA。高差有正负之分，并用下标注明 其方向。它反映相邻两点间的地 面是上坡还是下坡，因此，高差 值前应冠以正负号。 hAB为正，表示B点高于A点，是 上坡； hAB为负，表示B点低于A点，是 下坡。,（3）高程系统,新中国成立后，我国的绝对高程起算基准面是用设在山东省青岛市的国家验潮站从1950年到1956年所观测验潮资料推算的黄海平均海水面，以此基准面高程为零而建立的高程系统，称为“1956年黄海高程系”。 国家于1956年在青岛建立了一个与平均海水面相联系 的水准点，称为水准原点，其高程为72.

15、289 m，作为布设国家高程控制网的高程起算点。20 世纪80年代初，国家又根据青岛验潮站1953年到1979年的观测资料，重新计算水准原点的高程为72.2604 m，称为“1985年国家高程基准”，该基准已于1985年1月1日起执行。 全国各地的地面点的高程，都是以青岛国家水准原点的黄海高程为起算数据，因而高程系统 是全国统一的。在局部地区，如果远离已知高程的国家水准点，也可建立假定高程系统.,2)相对高程在局部地区或某项工程建设中，当引测绝对高程有困难时，可以任意假定一个水准面为高程起算面（假定水准面具有唯一性）。从某点到假定水准面的铅垂距离，称为该点的假定高程或相对高程。,高差与高程的起

16、算面无关,1.3 测量的程序和原则,一、基本概念 基本内容：地形图测绘（测定）和施工放样（测设）,地形图测绘：指将地面所有地物和地貌，使用测量仪器，按一定的程序和方法，根据地形图 图式所规定的符号，并依一定的比例尺测绘在图纸上的全部工作。 地物 ：地面上的固定性物体，如房屋、道路、 桥梁、湖泊、森林、草地等，称为地物； 地貌 ：地球表面各种高低起伏的形态，如高山、深谷、陡 坡、悬崖和雨裂冲沟等，称为地貌。 地形 ：地物和地貌总称为地形。 施工放样则是根据图上设计好的厂房、道路、桥梁等的轴线位置、尺寸及高程等，算出各特 征点与控制点之间的距离、角度、高差等数据，将其如实地标定到地面，并在施工中和竣工后提供有关测绘保障，以确保安全生产。,1.3 测量的程序和原则,二、测量程序： 第一步为控制测量 第二步为碎部测量 先精确地测量出少数点的位置，这些点在测区中构成一个骨架，起着控制的作用，可以将它们称为 控制点，图中A、B、C、D、E、F点，测量控制点的工作称为控制测量。 然后以控制点为基础，测量它周围的地形，也就是测量每一控制点周围各地形特征点（碎步点）的位置，如图中房屋的四个角，这一工作称为碎部测量。,