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1、实用工程测量基础知识第一节 工程测量基础概念及工程测量的重要性在工程建设的设计、施工和管理各阶段中进行测量工作的理论、方法和技术，称为“工程测量”。工程测量是测绘科学与技术在国民经济和国防建设中的直接应用，是综合性的应用测绘科学与技术。按工程建设的进行程序，工程测量可分为规划设计阶段的测量，施工兴建阶段的测量和竣工后的运营管理阶段的测量。规划设计阶段的测量主要是提供地形资料。取得地形资料的方法是，在所建立的控制测量的基础上进行地面测图或航空摄影测量。施工兴建阶段的测量的主要任务是，按照设计要求在实地准确地标定建筑物各部分的平面位置和高程，作为施工与安装的依据。 一般也要求先建立施工控制网，然后
2、根据工程的要求进行各种测量工作。竣工后的营运管理阶段的测量，包括竣工测量以及为监视工程安全状况的变形观测与维修养护等测量工作。按工程测量所服务的工程种类，也可分为建筑工程测量、线路测量、桥梁与隧道测量、矿山测量、城市测量和水利工程测量等。此外，还将用于大型设备的高精度定位和变形观测称为高精度工程测量；将摄影测量技术应用于工程建设称为工程摄影测量。工程测量是直接为工程建设服务的，它的服务和应用范围包括城建、地质、铁路、交通、房地产管理、水利电力、能源、航天和国防等各种工程建设部门。无论是工程进程各阶段的测量工作，还是不同工程的测量工作，都需要根据误差分析和测量平差理论选择适当的测量手段，并对测量
3、成果进行处理和分析，也就是说，测量数据处理也是工程测量的重要内容。在当代国民经济建设中，测量技术的应用十分广泛。在很多工程建设中，从规划、勘测、设计、施工及管理和运营阶段等的决策和实施都需要有力的测绘技术保障。在研究地球自然和人文现象，解决人口、资源、环境和灾害等社会可持续发展中的重大问题以及国民经济和国防建设的重大抉择同样需要测绘技术提供技术支撑和数据保障。第二节 常用仪器及其操作方法1.水准仪及其操作常用的水准仪为DS3型微倾式水准仪（见图1）。水准仪可以提供一条水平视线，通过观测水准尺读数，测算两点间的高差。其基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。 图1 DS3
4、型微倾水准仪（1）、安置仪器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。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。（2）、粗略整平通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。具体操作步骤如下。如图2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连线方图2 粗略整平向由a移至b。用左手按箭头所指方向转动脚螺旋3，使气泡由b移至中心。整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。（3）、瞄准水准尺目镜调焦 松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的
5、背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。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。物镜调焦 转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。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，如图3所示。图3 精确瞄准消除视差 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。视差的存在将影响读数的正确性，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。（4）、精确整平精确整平简称精平。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，使气图4 精确
6、整平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，如图4所示。（5）、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。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。2.经纬仪及其操作经纬仪用于角度测量，包括水平角测量及竖直角测量。常用的经纬仪有J2型和J6型。其结构主要由基座、照准部、度盘三部分组成。（见图5）经纬仪操作的基本程序：架设仪器、对中、整平、照准、读数。图5 经纬仪构造（
7、1）、架设仪器：将经纬仪放置在架头上，使架头大致水平，旋紧连接螺旋。 （2） 、对中： 目的是使仪器中心与测站点位于同一铅垂线上。可以移动脚架、旋转脚螺旋使对中标志准确对准测站点的中心。 （3 ）、整平：目的是使仪器竖轴铅垂，水平度盘水平。根据水平角的定义，是两条方向线的夹角在水平面上的投影，所以水平度盘一定要水平。粗平：伸缩脚架腿，使圆水准气泡居中。 检查并精确对中：检查对中标志是否偏离地面点。如果偏离了，旋松三角架上的连接螺旋，平移仪器基座使对中标志准确对准测站点的中心，拧紧连接螺旋。精平：旋转脚螺旋，使管水准气泡居中。（4） 、瞄准与读数： 目镜对光：目镜调焦使十字丝清晰。瞄准和物镜对光
8、：粗瞄目标，物镜调焦使目标清晰。注意消除视差。精瞄目标。读数：调整照明反光镜，使读数窗亮度适中，旋转读数显微镜的目镜使刻划线清晰，然后读数。3.光电测距仪原理ABD图6 光电测距原理如图6所示，欲测定A、B两点间的距离D，可在A点安置能发射和接收光波的光电测距仪，在B点设置反射棱镜，光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又返回到测距仪。通过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大气中的传播速度c，按下式计算距离D：D=1/2ct光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。高精度的测距仪，一般采用相位式。相位式光电测距仪的测距原理是：由光源发出的光通过
9、调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差来解算距离。4.全站仪简介全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。它是够能自动测量和计算，并通过电子手簿或直接实现数据自动记录、存储和输出。几乎可以用在所有的测量领域。因其精度高、操作简便、易于掌握，在现在的工程建设中得到了广泛的应用。全站仪的操作过程与经纬仪基本相似，在此就不再赘述了。第三节 控制测量控制测量是工程建设中各项测量工作的基础，包括高程控制测量和平面控制测量两项内容。1.高程控制为了统一全国的高程系统，我国采用与黄海
10、平均海水面相吻合的大地水准面作为全国高程系统的基准面，我国采用的高程系统有“1956黄海高程系”及“1985年国家高程基准”。常用高程控制测量方法有：水准测量和三角高程测量。水准测量是依据几何原理用水准仪和水准标尺测定地面两点间高差的方法。水准测量是高程测量中精度最高和最常用的一种方法，被广泛应用于高程控制测量和各类施工测量中。水准测量施测方法 水准测量是用沿水准路线逐点向前推进的方式实施。为了测量地面上A、P两点间高差（见图7）， 先将水准标尺R1竖立在水准点 A（高程已知） 上 ，再将水准标尺R2竖立在一定距离的 B 点上，在A、B之间安置水准仪。依据水准仪的水平视线，在标尺上分别读数，两
11、标尺读数差就是A、B 两点间的高差hAB。第一站测完后，B点上水准标尺R2保持不动，A点的水准标尺R1移至C点，水准仪移至BC的中间，测得B、C两点间高差hBC，如此继续推进至P点，A、P两点间的高差hAP=hAB+hBC+hP。图7 水准测量原理示意图除了水准测量外，三角高程测量也是比较常用的高程控制方法。三角高程测量是通过观测两点间的水平距离和天顶距（或竖直角）而采用三角函数计算来求定两点间的高差的方法。它观测方法简单，不受地形条件限制 ，是测定大地控制点高程的基本方法。三角高程测量的基本原理如图8，A、B为地面上两点，自A点观测B点的竖直角为1.2，S0为两点间水平距离，i1为A点仪器高
12、，i2为B点觇标高，则A、B两点间高差为h1.2=S0tan1.2i1i2图8 三角高程测量基本原理图2.平面控制我国常用的平面坐标系有： （1）1954年北京坐标系该坐标系是通过与原苏联1942年坐标系联测而建立的。是苏联1942年坐标系的延伸，其原点不在北京，而在苏联普尔科沃。（2）1980年西安坐标系1978年4月召开的“全国天文大地网平差会议”上决定建立我国新的坐标系，称为1980年国家大地坐标系。其大地原点设在西安西北的永乐镇，简称西安原点。（3）新1954年北京坐标系将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新1954年北京坐标系。该坐标系与
13、1980年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。（4）WGS84坐标系在GPS定位中，定位结果属于WGS-84坐标系。该坐标系是使用了更高精度的VLBL、SLR等成果而建立的。坐标系原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0协议地极(CTP)。平面控制测量的目的是精确测定控制点的平面位置。根据测量工作需要，在测区内选择一系列控制点，形成平面控制网。通过观测各点间的水平角及边长，用三角函数来计算控制点的坐标。平面控制网的主要布设形式有三角网（图9）和导线网（图10-1、图10-2）两种形式。图9 三角控制网示意图三角网是国家大地控制网的基本布设形式，故亦称国家三角网。导线网常用于工
14、程建设中控制网点的加密。导线网又可分为闭合导线、附和导线和支导线（因缺少校核条件而不常用）三种布设形式。 图10-1 闭合导线示意图 图10-2 附合导线示意图导线的坐标计算：首先，根据起始边的已知坐标方位角及改正后的水平角，按下述左/右角公式推算其它各导线边的坐标方位角。前= 后+左180（左角公式）或前= 后-右180（右角公式）前是导线点的前进边方位角，后导线点的后边方位角左是指所测水平角位于导线前进边的左侧，左是指所测水平角位于导线前进边的右侧。计算检核：最后推算出起始边坐标方位角，它应与原有的起始边已知坐标方位角相等，否则应重新检查计算。检核无误后，按下式进行坐标增量的计算。 X=D
15、cos Y=Dsin 最后进行坐标的推算。X前=X后+XY前=Y后+Y第四节 地形测绘及数字测图地形测绘即对地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小，用符号和注记绘制成地形图的工作。地形测量包括控制测量和碎部测量。控制测量前面已经有过介绍，下面主要介绍地形碎部测量。碎部测量是测绘地物地形的作业。地物特征点、地形特征点统称为碎部点。 图11在以前没有全站仪的情况下，碎部点的平面位置常用极坐标法测定，碎部点的高程通常用视距测量法测定。按所用仪器不同，有平板仪测图法、经纬仪和小平板仪联合测图法、经纬仪（配合轻便展点工具）测图法等。它们的作业过程基本相同。测图前将绘图纸或聚酯薄膜固定在测图板上，在图纸上绘出坐标格网，展绘出图廓点和所有控制点，经检核确认点位正确后进行测图。测图时，用测图板上已展绘的控制点或临时测定的点作为测站，在测站上安置整平平板仪并定向，然后用望远镜照准碎部点，通过测站点的直尺边即为指向碎部点的方向线，再用视距测量方法测定测站至碎部点的水平距离和高程，按测图比例尺沿直尺边沿自测站截取相应长，即碎部点
