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1、第1章 绪论,1.1 土木工程测量的任务和作用 1.2 确定地面点位的方法 1.3 用水平面代替水准面的限度 1.4 测量工作的基本内容及原则,本章内容如下：,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的物体，它包括平原、湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁等； 地貌(geomorphy)：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。 地物和地貌总称为地形(landform)。 测量学是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的科学。其主要任务是测定和测设。 测定(location)：使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物和地貌的位
2、置按一定比例尺、规定的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的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。,1.1 土木工程测量的任务及其在工程建设中的作用,测量学的分类,按研究区域范围大小分为 大地测量学 普通测量学（地形测量学） 按研究领域分为 工程测量学 海洋及水域测量学 地图制图学 按技术方法分为 常规技术方法（几何测量方法） 卫星测量方法 摄影与遥感测量方法,测量在国民经济建设中的应用,1. 城市规划、给水排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设的测量工作 设计阶段：测绘各种比例尺的地形图，供结构物的平面及竖
3、向设计使用； 施工阶段：将设计结构物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据； 工程完工后：测绘竣工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理应用，对某些重要的建筑物或构筑物在建设中和建成以后都需要进行变形观测，以保证建筑物的安全。,2. 铁路、公路建设的测量工作 为了确定一条最经济合理的路线，必须预先测绘路线附近的地形图，在地形图上进行路线设计，然后将设计路线的位置标定在地面上以指导施工； 当路线跨越河流时，必须建造桥梁，在建桥之前，要测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、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的资料，最后将设计桥台、桥墩的位置用测量的方法在实地标定；
4、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的位置，根据测量数据计算隧道的长度和方向；隧道施工通常是从隧道两端相向开挖，这就需要根据测量成果指示开挖方向，保证其正确贯通。, 地形图测绘运用各种测量仪器和工具，通过实地测量和计算，把小范围内地面上的地物、地貌按一定的比例尺测绘成图； 地形图应用在工程设计中，从地形图上获取设计所需要的资料，例如点的坐标和高程、两点间的水平距离、地块的面积、地面的坡度、地形的断面和进行地形分析等； 施工放样把图上设计好的建筑物或构筑物的位置标定在实地上，作为施工的依据； 变形观测监测建筑物或构筑物的水平位移和垂直沉降，以便采取措施，保证建筑物的安全
5、； 竣工测量。,学习本课程，应掌握下列有关测定和测设的基本内容：,1.2 确定地面点位的方法,1.2.1 测量的基准面 应掌握重力、铅垂线、水准面、大地水准面、参考椭球面和法线的概念及关系。 地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km的椭球。 测量工作是在地球表面上进行的，而地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等高低起伏的形态，其中海洋面积约占71%，陆地面积约占29%。 地球上的质点所受的万有引力与离心力的合力称为重力(gravity)，重力的方向称为铅垂线(plumb line)方向。,假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成一个封闭的曲面，这个
6、封闭曲面称为水准面(level surface)。 水准面是处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。 与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面(geoid)。水准面有无穷个，而大地水准面是唯一的。通常选择一个与大地水准面非常接近的、能用数学方程表示的椭球面作为投影的基准面，这个椭球面是由椭圆绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球面，称为参考椭球(reference ellipsoid)，其表面称为参考椭球面。 当测区范围不大时，可以将参考椭球看作半径为6371km的圆球。,由地表任一点向参考椭球面所作的垂线称法线(normal line)。 除大地原点外，地表任一点的铅垂线和法线一般不重合，其夹角称为垂线偏差
7、(deflection of the vertical)。,1.2.2 测量坐标系,空间是三维的，表示地面点在某个空间坐标系中的位置需要三个参数，确定地面点位的实质就是确定其在某个空间坐标系中的三维坐标。 测量学将空间坐标系分为参心坐标系和地心坐标系。 “参心”意指参考椭球的中心，由于参考椭球的中心一般不与地球质心重合，所以它属于非地心坐标系。 表1-1中的前两个坐标系是参心坐标系。“地心”意指地球的质心，表1-1中GPS使用的WGS-84属于地心坐标系。 工程测量中通常使用参心坐标系。 测量上将空间坐标系分解成确定点的球面位置的坐标系(二维)和高程系(一维)。,确定点的球面位置的坐标系有地理
8、坐标系和平面直角坐标系两类。 地理坐标系又可分为大地地理坐标系（简称大地坐标系）和天文地理坐标系两种。 1.大地坐标系(geographical reference system) 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的位置，它的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点的大地子午面(geodetic meridian plane)和首子午面所夹的两面角。 P点大地纬度：过P点的法线与赤道面的夹角。,大地经、纬度是根据大地原点（又称起始大地点，该点的大地经纬度与天文经纬
9、度一致）的大地坐标，按大地测量所得的数据推算而得的。 我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点(geodetic origin)为起算点，由此建立的大地坐标系，称为“1980西安坐标系”(Xian geodetic coordinate system 1980)，简称80系或西安系。 通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联测，经我国东北传算过来的坐标系称“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。,国际规定，过格林尼治天文台的子午面为零子午面，向东经度为正，向西为负，其值为0 180。纬度以赤道面为基
10、准面，向北、南分别称为北、南纬，其值为0 90。 我国版图处于东经74 135，北纬3 54。 地面点位也可以用空间直角坐标系表示，如图，以球心 O 为坐标原点，ON 为Z轴方向，格林尼治子午线与赤道面交点与 O 的连线为 X 轴方向,过 O 点与 XOZ 面垂直，并与 X、Z 构成右手坐标系为 Y 轴方向。,天文地理坐标又称天文坐标，表示地面点在大地水准面上的位置，它的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的位置。 过地面上任一点P的铅垂线与地球旋转轴NS所
11、组成的平面称为该点的天文子午面(astronomical meridian plane)，天文子午面与大地水准面的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的天文子午面为首子午面(International meridian plane)。,2. 天文地理坐标系,P点天文经度：过P点的天文子午面NPKS与首子午面NGMS的两面角，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。 P点天文纬度：P的铅垂线与赤道平面的夹角，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。 可以应用天
12、文测量方法测定地面点的天文经度和天文纬度。 3. 高斯平面直角坐标系,地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。 例如在赤道上，1的经度差或纬度差对应的地面距离约为30m。测量计算最好在平面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上的点位化算到平面上。 地图投影有多种方法，我国采用的是高斯-克吕格正形投影(Gauss-Kruger conformal projection)，简称高斯投影(Gauss projection)。 1) 高斯投影方法：是高斯在 18201830 年间，为解决德国汉诺威地区大地测量投影问题而提出的一种投影方法。1912年起，德国学者克吕格 (Kr
13、uger) 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。,位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线(central meridian)。第一个 6带的中央子午线的经度为3，任意带的中央子午线经度与投影带号的关系为 为了减小变形，也可以采用3带投影。3带是从东经130 起，每隔经差3划分一带，共分为120带，各带中央子午线经度为 带号为,2）高斯平面直角坐标的建立 根据投影的特点，以每带的中央子午线和赤道的交点为
14、坐标原点o，中央子午线方向为纵轴x轴，北方向为正；赤道投影线为横轴y轴，东方向为正，建立高斯平面直角坐标系。象限按顺时针方向、排列。为避免出现负值，x 轴向西平移500km，并在 y 坐标值前冠以带号。,我国领土所处的概略经度范围是东经7327东经13509，因此6带与3带投影的带号范围分别为1323，2545。可见，在我国领土范围内，6带与3带的投影带号不重复。 4. 独立平面直角坐标系 城市测量规范(CJJ 8-99)规定，面积小于25km2的城镇，可不经投影采用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点的切平面来代替大地水准面，在
15、切平面上建立的测区平面直角坐标系称为“假定平面直角坐标系”。,坐标系的原点选在测区西南角以使测区内点的坐标均为正值，以过测区中心的子午线为 x 轴方向，东西方向为y 轴，象限按顺时针方向排列。将测区内任一点P沿铅垂线投影到切平面上得 p 点，通过测量，计算出的 p点坐标就是 P 点在假定平面直角坐标系中的坐标。,城市平面坐标系的选择 一个城市只应建立一个与国家坐标系相联系的、相对独立和统一的城市平面坐标系，并经上级行政主管部门审查批准后方可使用。 城市平面坐标系的选择应以投影长度变形值不大于2.5cm/km 等于 1/4 万为原则，并根据城市地理位置和平均高程而定。 5. 高程系统 地面点的高
16、程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离 绝对高程或海拔：指地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，简称高程(height)，通常用点名加下标表示,如 、 。 。,大地高程：指地面点沿法线到参考椭球面的距离，用 表示。 相对高程：指地面点沿铅垂线到某假定水准面的距离，用 表示。 高差：地面上两点间的高程之差，用 表示。 高程系是一维坐标系，常用的基准是大地水准面。由于海水面受潮汐、风浪等影响，它的高低时刻在变化。通常是在海边设立验潮站(tide gauge station)，进行长期观测，求得海水面的平均高度作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程基准面(height datum)。也即大地水准面上的高程恒为零。,国家高程系统 -我国境内所测定的高程点是以青岛验潮站历年观测的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
