《测量学_书》由会员分享,可在线阅读,更多相关《测量学_书(322页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第 1 章 绪 论内容提示:本章主要介绍土木测量各学科研究的内容、测量坐标系与地面点位的确定方法,简述测量计量单位和数据凑整原则,分析了以平面代替水准面的限度。其重点内容为测量基准面的概念、测量坐标系统和高程系统、地面点定位的确定方法。难点为高斯坐标系中横坐标通用值与带号的关系。1.1 工程测量学的任务及作用1.1.1 测量学的定义测量学是研究地球形状、大小及确定地球表面空间点位,以及对空间点位信息进行采集、处理、储存、管理的科学。按照研究的范围、对象及技术手段不同,又分为诸多学科。普通测量学,是在不顾及地球曲率影响情况下,研究地球自然表面局部区域的地形、确定地面点位的基础理论、基本技术方法与
2、应用的学科。是测量学的基础部分。其内容是将地表的地物、地貌及人工建(构)筑物等测绘成地形图,为各建设部门直接提供数据和资料。大地测量学,是研究地球的大小、形状、地球重力场以及建立国家大地控制网的学科。现代大地测量学已进入以空间大地测量为主的领域,可提供高精度、高分辨率,适时、动态地定量空间信息,是研究地壳运动与形变、地球动力学、海平面变化、地质灾害预测等的重要手段之一。摄影测量学,是利用摄影或遥感技术获取被测物体的影像或数字信息,进行分析、处理后以确定物体的形状、大小和空间位置,并判断其性质的学科。按获取影像的方式不同,摄影测量学又分水下、地面、航空摄影测量学和航天遥感等。随着空间、数字和全息
3、影像技术的发展,它可方便地为人们提供数字图件、建立各种数据库、虚拟现实,已成为测量学的关键技术。海洋测量学,是以海洋和陆地水域为对象,研究港口、码头、航道、水下地形的测量以及海图绘制的理论、技术和方法的学科。工程测量学,是研究各类工程在规划、勘测设计、施工、竣工验收和运营管理等各阶段的测量理论、技术和方法的学科。其主要内容包括控制测量、地形测量、施工测量、安装测量、竣工测量、变形观测、跟踪监测等。地图制图学,是研究各种地图的制作理论、原理、工艺技术和应用的学科。主要内容包括地图的编制、投影、整饰和印刷等。自动化、电子化、系统化已成为其主要发展方向。GPS 卫星测量,又称导航全球定位系统,是通过
4、地面上GPS 卫星信号接收机,接收太空GPS卫星发射的导航信息,快捷地确定(解算)接收机天线中心的位置。由于其高精度、2 土木工程测量2高效率、多功能、操作简便,已在包括土木工程在内的众多领域广泛应用。本教材主要介绍土木建筑工程中的测绘工作内容,称为土木工程测量学。它属于工程测量的范畴,也与其他测量学科有着密切的联系。1.1.2 工程测量学的任务工程测量学,按其对象分为工业建设工程测量、城市建设工程测量、公路铁路工程测量、桥梁工程测量、隧道与地下工程测量、水利水电工程测量、管线工程测量等。在工程建设过程中,工程项目一般分规划与勘测设计、施工、营运管理三个阶段,测量工作贯穿于工程项目建设的全过程
5、,根据不同的施测对象和阶段,工程测量学具有以下任务。1. 测图应用各种测绘仪器和工具,在地球表面局部区域内,测定地物(如房屋、道路、桥梁、河流、湖泊)和地貌(如平原、洼地、丘陵、山地)的特征点或棱角点的三维坐标,根据局部区域地图投影理论,将测量资料按比例绘制成图或制作成电子图。既能表示地物平面位置又能表现地貌变化的图称为地形图;仅能表示地物平面位置的图称为地物图。工程竣工后,为了便于工程验收和运营管理、维修,还需测绘竣工图;为了满足与工程建设有关的土地规划与管理、用地界定等的需要,需要测绘各种平面图(如地籍图、宗地图);对于道路、管线和特殊建(构)筑物的设计,还需测绘带状地形图和沿某方向表示地
6、面起伏变化的断面图等等。2. 用图是利用成图的基本原理,如构图方法、坐标系统、表达方式等,在图上进行量测,以获得所需要的资料(如地面点的三维坐标、两点间的距离、地块面积、地面坡度、断面形状),或将图上量测的数据反算成实地相应的测量数据,以解决设计和施工中的实际问题。例如利用有利的地形来选择建筑物的布局、形式、位置和尺寸,在地形图上进行方案比较、土方量估算、施工场地布置与平整等。用图是成图的逆反过程。工程建设项目的规划设计方案,力求经济、合理、实用、美观。这就要求在规划设计中,充分利用地形、合理使用土地,正确处理建设项目与环境的关系,做到规划设计与自然美的结合,使建筑物与自然地形形成协调统一的整
7、体。因而,用图贯穿于工程规划设计的全过程。同时在工程项目改(扩)建、施工阶段、运营管理阶段也需要用图。3. 放图也称施工放样,是根据设计图提供的数据,按照设计精度要求,通过测量手段将建(构)筑物的特征点、线、面等标定到实地工作面上,为施工提供正确位置,指导施工。施工放样又称施工测设,它是测图的逆反过程。施工放样贯穿于施工阶段的全过程。同时,在施工过程中,还需利用测量的手段监测建(构)筑物的三维坐标、构件与设备的安装定位等,以保证工程施工质量。4. 变形测量在大型建筑物的施工过程中和竣工之后,为了确保建筑物在各种荷载或外力作用下,第1 章 绪论 33施工和运营的安全性和稳定性,或验证其设计理论和
8、检查施工质量,需要对其进行位移和变形监测,这种监测称为变形测量。它是在建筑物上设置若干观测点,按测量观测程序和相应周期,测定观测点在荷载或外力作用下,随时间延续三维坐标的变化值,以分析判断建筑物的安全性和稳定性。变形观测包括位移观测、倾斜观测、裂缝观测等。综合上述,测量工作贯穿于工程建设的全过程。参与工程建设的技术人员必须具备工程测量的基本技能。因此,工程测量学是工程建设技术人员的一门必修技术基础课。1.1.3 工程测量学的作用测绘技术及成果应用十分广泛,对于国民经济建设、国防建设和科学研究起着重要的作用。国民经济建设发展的整体规划,城镇和工矿企业的建设与改(扩)建,交通、水利水电、各种管线的
9、修建,农业、林业、矿产资源等的规划、开发、保护和管理,以及灾情监测等都需要测量工作;在国防建设中,测绘技术对国防工程建设、战略部署和战役指挥、诸兵种协同作战、现代化技术装备和武器装备应用等都起着重要作用;对于空间技术研究、地壳形变、海岸变迁、地极运动、地震预报、地球动力学、卫星发射与回收等科学研究方面,测绘信息资料也是不可缺少的。同时,测绘资料是重要的基础信息,其成果是信息产业的重要组成部分。在土木工程中,测绘科学的各项高新技术,已在或正在土木工程各专业中得到广泛应用。在工程建设的规划设计阶段,各种比例尺地形图、数字地形图或有关GIS(地理信息系统),用于城镇规划设计、管理、道路选线以及总平面
10、和竖向设计等,以保障建设选址得当,规划布局科学合理;在施工阶段,特别是大型、特大型工程的施工,GPS(全球定位系统)技术和测量机器人技术已经用于高精度建(构)筑物的施工测设,并适时对施工、安装工作进行检验校正,以保证施工符合设计要求;在工程管理方面,竣工测量资料是扩建、改建和管理维护必须的资料。对于大型或重要建(构)筑物还要定期进行变形监测,以确保其安全可靠;在土地资源管理方面,地籍图、房产图对土地资源开发、综合利用、管理和权属确认具有法律效力。因此,测绘资料是项目建设的重要依据,是土木工程勘察设计现代化的重要技术,是工程项目顺利施工的重要保证,是房产、地产管理的重要手段,是工程质量检验和监测
11、的重要措施。土木工程技术人员必须明确测量学科在土木工程建设中的重要地位。通过本课程的学习,要求学生掌握测量基本理论和技术原理,熟练操作常规测量仪器,正确地应用工程测量基本理论和方法,并具有一定的测图、用图、放图和变形测量等的独立工作能力。这也是土木工程技术工作的基本条件。1.2 测量坐标系统1.2.1 测量基准面的概念测量工作是在地球表面进行的,欲确定地表上某点的位置,必须建立一个相应的测量工作面基准面,统一计算基准,实现空间点信息共享。为了达到此目的,测量基准面4 土木工程测量4应满足两个条件:一是基准面的形状与大小应尽可能接近于地球的形状与大小;二是可用规则的简单几何形体与数学表达式来表达
12、。如图1.1(a)所示,地球表面有高山、丘陵、平原、盆地和海洋等自然起伏,为极不规则的曲面。例如珠穆朗玛峰高于海平面8 846.27m,太平洋西部的马里亚纳海沟深至11 022m,尽管它们高低相差悬殊,但与地球的平均半径6 731km 相比是微小的。另外,地球表面约71%的面积为海洋,陆地面积约占29%。图 1.1 地球自然表面、大地水准面和旋转椭球面根据上述条件,人们设想以一个自由静止的海水面向陆地延伸,并包含整个地球,形成一个封闭的曲面来代替地球表面,这个曲面称为水准面。与水准面相切的平面,称为水平面。可见,水准面与水平面可以有无数个,其中通过平均海水面的水准面称为大地水准面。由大地水准面
13、包含的形体称为大地体,如图1.1(b)所示。大地水准面是测量工作的基准面,也是地面点高程计算的起算面(又称为高程基准面)。在测区面积较小时,可将水平面作为测量工作的基准面。地球是太阳系中的一颗行星,根据万有引力定律,地球上物体受地球重力(主要考虑地球引力和地球自转离心力)的作用,水准面上任一点的铅垂线(称为重力作用线,是测量上的基准线)都垂直于该曲面,这是水准面的一个重要特征。由于地球内部质量分布不均匀,重力受到影响,致使铅垂线方向产生不规则变化,导致大地水准面成为一个有微小起伏的复杂曲面,如图1.1 所示,缺乏作基准面的第二条件。如果在此曲面上进行测量工作,测量、计算、制图都非常困难。为此,
14、根据不同轨迹卫星的长期观测成果,经过推算,选择了一个非常接近大地体又能用数学式表达的规则几何形体来代表地球的整体形状。这个几何形体称为旋转椭球体,其表面称为旋转椭球面。测量上概括地球总形体的旋转椭球体称为参考椭球体,如图1.1(c)所示,相应的规则曲面称为参考椭球面。其数学表达式为1 222222+ + =bzayax(1-1)式中,a、b 为椭球体几何参数,a 为长半轴,b 为短半轴;参考椭球体扁率 应满足a = a b (1-2)我国现采用的参考椭球体的几何参数为:a = 6 378.136 km, =1/298.257 ,推算得b = 6 356.752km 。由于 很小,当测区面积不大
15、时,可将地球当作圆球体,其半径采用地球平均半径R=(2a+b)/3,取近似值为6 371km。测量工作的实质是确定地面点的空间位置,即在测量基准面上用三个量(该点的平面或第1 章 绪论 55球面坐标与该点的高程)来表示。因而,要确定地面点位必须建立测量坐标系统和高程系统。1.2.2 坐标系统坐标系统用来确定地面点在地球椭球面或投影平面上的位置。测量上通常采用地理坐标系统、高斯-克吕格平面直角坐标系统,独立平面直角坐标系统和WGS-84坐标系统。1. 地理坐标系用经度、纬度来表示地面点位置的坐标系,称为地理坐标系。若用天文经度 、天文纬度 来表示则称为天文地理坐标系,如图1.2 所示;而用大地经度L、大地纬度B 来表示称为大地地理坐标系。天文地理坐标是用天文测量方法直接测定的,大地地理坐标是根据大地测量所得数据推算得到的。地理坐标为一种球面坐标,常用于大地问题解算、地球形状和大小的研究、编制大面积地图、火箭与卫星发射、战略防御和指挥等方面。图 1.2 地理坐标由地理学可知,地球北极N与南极S的