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1、第1章 绪论 本章学习重点：公路工程施工放样的任务和依据；公路工程施工中使用的坐标系统和高程系统；公路工程中已知距离、已知角度、已知高程和点位的放样方法。11概述111 公路工程施工放样的任务公路工程施工放样的主要任务是利用测量技术将设计图纸上的工程构造物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据。在施工过程中，检测工程构造物的几何尺寸，以实现从设计图纸到工程实物的质和量的转变。在交通土木工程中，工程构造物主要指路基、路面、桥涵、隧道及其附属构造物和排水构造物。在路基施工前，通过测量放样确定路线中线桩、公路用地界桩、路堑坡顶、路堤坡脚、边沟等构造物的施工位置；在桥涵施工前，通过测量放样确定
2、基坑开挖、墩台建造的施工位置；在隧道施工前，利用控制测量结果对隧道定向定位等都是通过测量放样实现的。在施工过程中，通过测量放样对工程构造物外形几何尺寸进行控制和检测，及时修正偏差，以准确体现设计意图；在工程竣工后，通过测量对工程进行质量检查和验收。实践证明，精确地测量放样能准确控制施工质量和节约工程成本。因此，施工放样是工程施工过程中的重要一环，它贯穿工程施工全过程。112 公路工程施工放样的依据公路工程施工放样的依据是公路工程技术标准，各种构造物的施工技术规范、规程、测量规范等以及工程设计图纸。测量放样工作应遵循从整体到局部的原则，先进行控制测量，再进行细部放样测量。通过控制测量，建立起平面
3、控制点和高程控制点与工程构造物特征点之间的平面位置和高程的几何联系。以平面控制点的坐标和高程控制点的高程为依据，利用传统测量仪器进行距离、高程和角度的测量放样或者利用全站仪和GPS进行三维坐标放样来确定工程构造物特征点在实地上的空间位置。在放样过程中，工程设计图纸是图解控制点和工程构造物特征点之间几何关系的依据；现行的施工技术规范、规程，以及测量规范是核查放样结果精度的依据。只有利用精度符合标准的几何数据，才能精确地测定工程构造物特征点的准确位置，以指导施工。12 平面直角坐标的换算工程构造物特征点的平面位置是用坐标表示的。在施工放样以前必须了解设计数据所提供的点的坐标是用那一种坐标系。只有在
4、坐标系统一的条件下，才能进行行坐标、距离、角度的计算和改正。在公路工程测量中有五种坐标系可供选用。121 国家3带高斯正投影平面直角坐标系工程建设是在地球曲面上进行的，工程设计计算是在平面上进行的，这样就会有曲面上的数据向平面归算的问题，高斯平面直角坐标系就是在此基础上建立起来的。利用它可以解决曲面数据与平面数据的转换问题。在离中央子午线较近，地面平均高程较低的地区，不必考虑投影变形的影响，可直接采用国家统一的3带高斯正投影平面直角坐标系。1）高斯投影的几何意义高斯投影是高斯平面直角坐标系建立的基础，其几何意又如图1-2-1所示。为了便于说明高斯投影的概念，将地球椭球体作为圆球看待。在圆球表面
5、上选定一个子午圈，将投影面卷成一个圆柱，套在圆球上并使其与选定的子午圈相切，这条切线NBS称为轴子午线(中央子午线)。NAS和NCS是两条和NBS经差为3或1.5并关于NBS对称的子午线。这样，球面上的轴子午线就毫无变形地转移到圆柱面上。此外，将赤道面扩大使之与圆柱体相交，其交线GH即与轴子午线垂直。当将圆柱体从两极沿着圆柱轴线切开，并展开成平面时，圆柱体上的这两条正交的直线，就是高斯平面直角坐标系统的坐标轴。其中由轴子午线投影的直线NBS是高斯平面直角坐标系的纵轴，称为X轴；而由赤道投影的直线GH是高斯平面直角坐标系的横轴，称为Y轴；B为坐标原点。由子午线NAS、NCS所包围而构成的带状称为
6、投影带，若子午线NAS和NCS经差为6，称为6投影带，若经差为3，称为3投影带。 图1-2-1如上所述，每一个高斯投影的6带和3带都有其自己的坐标轴和坐标原点。横坐标的计算是以轴子午线以东为正，以西为负。纵坐标的计算是以赤道以北为正，以南为负。为了使横坐标均为正值，我国轴子午线的横坐标值加上500km，即将坐标原点向西平移500km。如图（1-2-1b）所示。高斯平面的特点：(1) 投影后的中央子午线NBS是直线，长度不变。(2) 投影后的赤道ABC是直线，保持ABC垂直NBS。(3) 离开中央子午线的子午线投影是以两级为终点的弧线，离中央子午线越远，弧线的曲率越大，说明离中央子午线越远投影变
7、形越大。2）高斯平面直角坐标系的建立根据高斯平面投影带的特点，高斯平面直角坐标系按下述四个规则建立：（1）X轴是中央子午线NBS的投影，北方为正方向；（2）Y轴是赤道ABC的投影，东方为正方向；（3）原点，即中央子午线与赤道交点，用O表示；（4）四个象限按顺针顺序I、II、III、IV排列，如图1-2-2所示。 图1-2-23）投影带的中央子午线与编号投影带的宽度以投影带边缘子午线之间的经度差表示。为避免高斯投影带的变形太大，投影带的宽度，不能太宽，一般宽度取6或者3。高斯投影根据经差逐带连续进行，即将地球曲面展开成平面。经差为6的6带高斯投影平面，将全球分为60个6的投影带，各带的中央子午线
8、的经度与投影带的带号有如下对应关系： (1-2-1)经差为3的3带高斯投影平面，将全球分为120个3的投影带，各带的中央子午线的经度与投影带的带号有如下对应关系： (1-2-2)根据我国在大地坐标系统中的经度位置(74 135)，从上述公式可见，我国用到的6带的带号在1323之间，用到的3带的带号在2545之间。4）高斯平面直角坐标表示的地面的位置我国国家测量大地控制点均按高斯投影计算其高斯平面直角坐标。在图1-2-1a)中，球面点P，大地坐标为，。在图1-2-1b)中的点是的高斯投影点，其高斯平面直角坐标是Xp，Yp。它们的意义是：xp表示P 点在高斯平面上到赤道的距离；yp包括有投影带的带
9、号、附加值500km和实际坐标Y三个参数，即yp=带号N + 500Km + Yp (1-2-3)例如，某地面点坐标x =2433586.693m， y =38 514366.157m。其中x表示该点在高斯平面上到赤道的距离为2433586.693m 。根据式(1-2-3)，该地面点所在的投影带带号N=38，是3带，地面点Yp坐标的实际值Yp=14366.157m（即去掉原坐标轴中代号38，并减去附加值500km），表示该地面点在中央子午线以东14366.157m；若y坐标实际值Y带负号，则表示该地面点在中央子午线以西。根据yp坐标的投影带带号，可以按式(1-2-2)推算投影带中央子午线的经度
10、为=114。122 补偿投影面的3带高斯正形投影平面直角坐标系这种坐标系仍采用国家3带高斯正形投影，但是投影的高程面不用参考椭球面，而另选用一个高程参考面，借以补偿因高斯投影带来的长度变形。在这个高程参考面上，投影长度变形为零。123 任意带高斯正形投影平面直角坐标系任意高斯正形投影平面直角坐标系仍将地面观测结果归算到参考椭球面上，但不采用国家3带统一的分带方法，而选择过测区边缘或测区中央或测区内某一点的子午线作为中央子午线，借以补偿因实测结果归算至参考椭球面带来的长度变形。124 高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系这种坐标系通常是把投影的中央子午线选在测区的中央，地面观测值归算至测
11、区的平均高程面上，按高斯正形投影计算平面直角坐标。这是综合补偿投影面的3带高斯正形投影平面直角坐标系和任意带高斯正形投影平面直角坐标系这两种坐标系优点的一种任意高斯平面直角坐标系，是工程中常用的测量坐标系统。125 工程独立平面直角坐标系这是一种对测区面积较小时，可以把该测区的球面当成平面看待，即可不进行方向和距离改正，将地面点直接沿铅垂线投影到水平面上，把局部地球表面作为平面而建立的独立平面直角坐标系。这种坐标系统可与国家控制网联系，获取起算坐标及起始方位角；亦可采用假定坐标，公路勘测规范(JTJ061-99)规定，二级(含二级)以下公路、独立桥梁、隧道及其它构造物等小测区方可采用。在计算平
12、面点位放样数据时，如果点的坐标处于不同的坐标系，要首先进行坐标换算(换算成统一的坐标系)，再计算放样数据。126 平面直角坐标的换算1）平面直角坐标换算的一般方法如图1-2-3所示，设、为P点在国家控制网坐标系中的坐标；、为P点在工程独立控制网坐标系中的坐标；、为工程独立坐标系原点O在国家坐标系中的坐标；为两坐标系纵坐标轴的夹角。如果一条边PM在国家坐标系中的坐标方位角为A，而在工程独立坐标系中的坐标方位角为，则 图1-2-3可按下式计算： (1-2-4)当由工程独立坐标系中的坐标（ ，）换算到国家坐标系中的坐标(，)时，其换算公式为 （1-2-5）当国家坐标系换算到工程独立坐标系时也可以使用
13、上式。换算时应将式中的，与 ，互换，并且。例题：已知A、B两点在国家坐标系中的坐标为：，； ， 。在工程独立坐标系中的坐标为，。试求出两坐标系的换算公式。解：（1）工程独立坐标系中的坐标换算到国家坐标系中的坐标的实用公式： 由式（1-4）得： 将A点在两坐标系中的坐标和以及之值代入式（1-2-5），计算工程独立坐标系原点O在国家坐标系中的坐标，得：将B点在两坐标系中的坐标和以及之值代入式（1-2-5），计算工程独立坐标系原点O在国家坐标系中的坐标，得：取由A、B两点算得的、平均值：设x、y为某点在工程独立坐标系中的坐标，X、Y为该点在国家坐标系中的坐标，将、及 三个值带入式（1-2-5）即可得
14、实用公式：（2）国家坐标系中的坐标换算到工程独立坐标系中的坐标实用公式： 将式（1-2-5）中的、和、互换，可得：同样可算得 将、和三个值代入式（1-2-6）即得到实用公式： 式中：x、y，、的含义同上。2）应用最小二乘法进行平面直角坐标换算考虑到两种坐标系的长度比，将式（1-2-5）改写成 （1-2-7）式中为长度比，或者称为尺度因子，是指同一边长在两种坐标系中的长度之比。由于式（1-2-7）中有、和四个变换参数是要确定的，所以必须有两个公共点，它们在两种坐标系中的坐标、和、是已知的。由此列出4个方程，从而解出4个未知参数。当具有两个以上的公共点时，就要用最小二乘法原理进行平差，解出参数、和的最或是值。下面举例说明具体的解算方法。具有4个公共点A、B、C、D，它们在两个坐标系统中的坐标x、y、X、Y见表1-1。求由坐标系x、y 换算到坐标系X、Y的计算公式。（1）按下列公式求出两个坐标系的重心坐标： （1-2-8）（2）按下式计算公共点以重心坐标为原点的坐标值： （1-2-9）
