簡介:測量學,作者顧孝烈鮑峰程效軍同濟大學出版社,1,(第四版),110,測量學,(第四版),110,2,測量實驗(第二版),110,3,測量學的教學目的,測量學是城市規(guī)劃、土木工程、道路交通工程、測繪工程、地質工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)必修的專業(yè)基礎課,是一門實踐性強,理論和實踐相結合的課程。掌握測量的基本理論,基本方法和基本技能,培養(yǎng)學生動手、實踐和創(chuàng)新能力,為學生從事城市規(guī)劃、土木工程勘測、設計、施工、管理奠定基礎。,110,4,第一章緒論§11測量學的任務與主要內容,生產、生活的需要城市建設、農田、水利建設等交通運輸的需要物流運輸、航空、航海、旅行等軍事的需要,110,5,一測量學的產生,一測量學在生活上的作用,城市交通圖,110,6,二測量學的作用,上海市水系專題圖,110,7,同濟校園圖四平路校本部,,110,8,二測量學在軍事的作用,“天時,地利,人和”是打勝仗的三大要素。地利就要了解和利用地形。地圖上詳細表示著山脈、河流、道路、居民點等地形和地物,具有確定距離、位置、辨識方向的作用。,110,9,三測量學在國土管理中的作用,城市土地的規(guī)劃,城市道路的紅線規(guī)劃,房地產開發(fā),地籍的界址點測定,都需要由測量提供地形圖和有關土地信息。用高科技測量手段標定國界,常在國家間的領土爭執(zhí)中起到重要作用也常以對方出版的地圖上對國境線的表示,作為有利于己方的證據。,110,10,四測量學在工程建設中的作用,在工程建設的規(guī)劃設計中,首先需要有地形圖。在修建工廠和居民點時,須要先平整地基和設計房屋的放樣。在建設城市道路網(包括高架道路、地下鐵道和橋梁,都需要用測量方法精確地定向,定位和定高程。我國的考古工作者研究證實,早在2000多年前已經有在修建帝都、宮殿時大規(guī)模平整地基和定街道與建筑軸線的措施,當時也需要有原始的測量手段。,110,11,工程的竣工和變形監(jiān)測為了保障建筑物的施工和運行時的安全,需要測量工作者以技術上可行的最高精度,監(jiān)測建筑物的變形量和變形的發(fā)展情況。經常需要在一段時間內進行連續(xù)觀測,為此要使用自動化的監(jiān)測和記錄的測量儀器,在各種工程建設中的應用愈來愈廣泛。,110,12,§12測繪學科的內涵和發(fā)展簡史,110,13,一測繪學科的定義和內涵二測繪科學的歷史和近代發(fā)展三測繪學科的分支,一測量學的定義和內涵,1早期的定義研究地球的形狀和大小,確定地面點的坐標的學科。2當前的定義研究測定和描繪地球及其表面的各種形態(tài)的理論和方法的學科。,110,14,,測繪和采集表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等空間幾何數據,進行數字化管理,提供工程設計所必要的地形信息地形圖和地形數據。把設計的建筑物、大型設備等按設計的形狀、大小和位置準確地在實地標定出來,才能進行施工稱為測設或施工放樣,并貫穿于施工全過程。,110,15,測量工作在工程建設中作用,這是人類為了生存和發(fā)展,在歷史上長期探索的問題,并知道需要用大地測量的方法來解決。早在公元前6世紀,古希臘的畢達哥拉斯PYTHAGORAS就提出了地球形態(tài)的概念。,110,16,二測繪學科的歷史和近代進展,“地球的形狀是什么樣的”“如何用圖形來表示地面形態(tài)”,,亞里士多德(ARISTOTLE)作了進一步論證,支持這一學說。又一世紀后,埃拉托斯特尼(ERATOSTHENES)用在南北兩地同時觀測日影的辦法,首次推算出地球子午圈的周長。我國唐代僧人一行根據天文觀測,計算出地球子午線1°的長度。測繪地圖是地球表面形態(tài)認識的開始。晉代裴秀總結出“制圖六體”,為當時“地圖制圖”訂立標準。,110,17,古希臘托勒密CPTOLEMEAUS提出“地圖投影”概念和測經緯度定地面點位方法。此后,一系列重大科學發(fā)明與測繪學科相輔相成地發(fā)展17世紀初發(fā)明望遠鏡,1730年,英國西森SISSON制成測角用的經緯儀,促進三角測量的發(fā)展。1795年,德國高斯CFGAUSS提出最小二乘法LEASTSQUAREMETHOD為測量數據處理奠定數學基礎。,110,18,高斯又提出將橢球面變換為平面的地圖投影方法,后經克呂格爾JKRüGER擴充完善,稱為“高斯克呂格爾投影”,沿用至今。19世紀50年代,發(fā)明了攝影測量,后來發(fā)展成為航空、航天攝影測量和遙感。1948年發(fā)明電磁波測距儀,解決了遠程精密測距的測量難題。20世紀60年代,發(fā)明電子計算機,應用于測繪界,創(chuàng)立“計算機輔助成圖”,出現了數字地圖,開創(chuàng)了數字化新時代。,110,19,三、測量學科的分支,大地測量學研究和測定地球的形狀、大小、重力場和地面點幾何位置及其變化的理論和技術的學科。地球的形狀大小以大地水準面為代表。大地點的定位,用經緯度或空間直角坐標,定位方法有幾何法大地測量、物理法大地測量和近代的衛(wèi)星法大地測量。,110,20,世界屋脊珠穆朗瑪峰的高程測定,110,21,用經緯儀作三角高程測量,110,22,用水準儀作精密水準測量,110,23,上述三角高程測量和水準測量,都屬于幾何大地測量,幾何大地測量中還包括三角測量和天文測量等。天文測量研究測定恒星的坐標,以及利用觀測恒星確定地面點的大地位置經度、緯度、方位角和十分精確的時間世界時、恒星時,它對于地球科學和空間技術衛(wèi)星發(fā)射、定位和宇宙航行都十分重要。,110,24,天文臺的天文觀測,110,25,天文臺外觀,用天文望遠鏡觀測,物理大地測量學研究地球的重力測量方法,重力分布情況重力場及其應用。測定重力加速度G的目的1建立國家重力基準網和基本網;2確定全球重力場模型及其變化;3確定區(qū)域的和地球的大地水準面及其變化重力異常使大地水準面產生不規(guī)則變化。,110,26,在大地重力點上作重力測量,110,27,在珠峰高山地區(qū)作重力測量,110,28,利用衛(wèi)星作地球重力測量,110,29,攝影測量與遙感學研究利用攝影或遙感手段,獲取地面目標物的影像數據,從中提取幾何或物理信息,用圖形、圖像和數字信息表達的理論和方法的學科。攝影測量的方法有地面攝影、航空攝影和航天攝影和遙感。小范圍的地形測量或工程測量可利用地面攝影測量方法。,110,30,機載空間三維數據采集系統,110,31,航空攝影測量,機身利用衛(wèi)星定位,同濟大學的車載空間三維數據采集系統,-地面攝影測量的自動化,110,32,工程測量學研究工程建設和自然資源開發(fā)中進行的控制測量、地形測繪、施工放樣和變形監(jiān)測的理論和技術的學科。是測繪學科在國民經濟和國防建設中的直接應用。工程規(guī)劃設計階段提供地形資料;施工興建階段標定設計建筑的位置;運行管理階段竣工測量和變形監(jiān)測。高精度工程測量用于大型、精密工程和設備的精確定位、安裝和變形觀測。,110,33,道路測量,道路建筑高程放樣用數字水準儀和條碼水準尺。,110,34,渠道水位監(jiān)測,110,35,面水準測量–場地平整,110,36,大橋變形監(jiān)測,110,37,隧道工程測量,110,38,工業(yè)測量屬于精密工程測量研究各種工業(yè)設備和大型工業(yè)產品(船舶、飛機等)的施工放樣、細部安裝、竣工測量和變形測量。,110,39,軌道梁架設中用全站儀施工定位,110,40,110,41,用激光三維掃描儀檢測飛機外形,海洋測繪學研究以海洋水體和海底為對象的學科。包括海洋大地測量、海底地形測量、海道測量、海洋專題測量等。海洋測區(qū)條件復雜,受潮汐、氣象、透明度差等影響,需用特種儀器和方法衛(wèi)星導航、慣性組合導航、天文測量、水聲定位系統、水下攝影測量等。,110,42,地圖制圖學研究模擬地圖和數字地圖的設計、編繪、復制的理論和方法的科學。主要內容地圖投影地圖編繪地圖整飾地圖出版,110,43,110,44,世界地圖,110,45,上海市地圖,測量儀器學研究測量儀器的制造、改進和創(chuàng)新的學科。測繪學科的發(fā)展離不開測繪理論的進展和測繪儀器的發(fā)明和創(chuàng)新。17世紀發(fā)明了望遠鏡、經緯儀、水準儀、平板儀,使控制測量和地形測量精度提高。19世紀攝影技術發(fā)明,便應用于測量,到20世紀初,創(chuàng)造出自動航空攝影機,實現了大面積航空攝影測量。,110,46,20世紀50年代,測繪儀器向電子化和自動化方向發(fā)展。1948年發(fā)明了電磁波測距儀,實現遠程精密測距。電子計算機的發(fā)明,使測繪儀器、測量作業(yè)、測量數據處理和制圖逐步實現了自動化。1957年,前蘇聯第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功,測繪學科產生“衛(wèi)星測量”的分支。從美國的GPS,俄羅斯的GLONASS,歐盟的GALILEAOUS,我國的“北斗星”等衛(wèi)星導航系統的建立,衛(wèi)星定位GNSSGLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM接收機,已成為測量的主要儀器之一。,110,47,用衛(wèi)星定位的GNSS接收機,110,48,測量的主要儀器之一,測量的主要儀器之一,110,49,從經緯儀發(fā)展到全能的電子全站儀,T4高精密經緯儀用于大地測量及天文測量,110,50,T3精密光學經緯儀用于大地測量及精密工程測量,110,51,光學經緯儀,110,52,電子經緯儀,110,53,電子全站儀,110,54,功能角度測量距離測量地面定位施工放樣衛(wèi)星定位,地形測量學研究將地球表面局部地區(qū)的地貌和地物測繪成地形圖、編制地籍圖和房產圖等的基本理論和方法的科學。,110,55,110,56,地形測量及施工放樣,,在控制測量的基礎上,測繪地形圖表示地物和地貌,或進行施工放樣。,地形圖圖例2,110,57,地形圖圖例1,地形圖圖例2,110,58,認識地球是人類探索自然的目標之一,也是測量學的任務之一。絕大多數測量工作是在地球面上進行,以地球作為參考系。因此,有必要首先討論地球的形狀和大小。,110,59,,§13地面點位的確定和坐標系,一地球的形狀和大小,地球的制高點-珠穆朗瑪峰海拔高程884443M,110,60,馬里亞納海溝-斐查茲海淵剖面圖,110,61,地球海面下最深處,高程為-11000M,大地水準面,與平靜的平均海水面相重合,并延伸通過陸地而形成的封閉曲面稱為“大地水準面”,110,62,,液體受重力而形成的靜止表面稱為水準面,旋轉橢球體,由于大地水準面受地球內部質量分布不均勻影響,是不規(guī)則曲面,無法用數學方法準確描述和計算,也難以在其面上處理測量成果。,110,63,,,,旋轉橢球體,用一非常接大地水準面的數學面-旋轉橢球面代替大地水準面,用旋轉橢球體描述地球,稱參考橢球體。橢球參數,110,64,,長半徑A6378137M短半徑B6356752M扁率FAB/A1/298257,二確定地面點位的坐標系,子午面-地球上任一點與地球旋轉軸所組成的平面。首子午面-通過英國格林尼治GREENWICH天文臺的子午面。,110,65,,,,G,(一)大地坐標系,,,,A,首子午面,地球旋轉軸,赤道平面,格林尼治,A點子午面,大地經度-通過A點的子午面與首子午面之間的夾角L大地緯度-通過A點的橢球面法線與赤道平面的交角B,110,66,世界上最古老的天文臺,110,67,英國格林尼治GREENWICH天文臺,110,68,110,69,英國格林尼治皇家天文臺,世界時授時鐘,(一)大地坐標系(地理坐標系),110,70,以經度與緯度表示點位的坐標系球面坐標系統,以地球橢球的中心為原點,首子午面與赤道平面的交線為X軸,赤道平面內通過原點與X軸垂直的為Y軸。地面某點A的空間三維直角坐標(XYZ),,(二)空間三維直角坐標系(地心坐標系),110,71,A,A,A,(三)高斯平面直角坐標系,高斯投影是等角橫切橢圓柱投影。等角投影就是正形投影。就是在極小的區(qū)域內橢球面上的圖形,投影后保持形狀相似。即投影后角度不變形。,110,72,,高斯投影的分帶和編號,110,73,,中央子午線經度投影分帶號N,點在高斯平面直角坐標系中的坐標值,中央子午線的投影是X軸,赤道的投影是Y軸,其交點是坐標原點。點的X坐標是點至赤道的距離,赤道以北X值為正;點的Y坐標是點至中央子午線的距離,Y值有正有負。,110,74,,點在高斯平面直角坐標系中的坐標值,為了避免Y坐標出現負值,把Y坐標值加500公里。,110,75,,為了區(qū)分不同投影帶中的點,在點的Y坐標值上加帶號N所以點的橫坐標以下式表示YN1000000500000Y,(四)地平坐標系,地平坐標系為小范圍的平面直角坐標系地平坐標系以當地的水平面為投影面通常以當地的正北方向為X坐標軸的正方向某一建筑地區(qū)的“建筑坐標系”也是一種地平坐標系地平坐標系為獨立坐標系應與國家或城市坐標系進行連測,110,76,(五)平面坐標變換坐標軸的平移和旋轉,110,77,,,建筑坐標系X′,Y′變換為城市坐標系X,Y變換參數X,Y,Α,00,平移量X0,Y0旋轉角Α,(五)平面坐標變換,110,78,,,,城市坐標系X,Y變換為建筑坐標系(X′,Y′),變換參數X0,Y0,Α,(六)地面點的高程,高程(絕對高程、海拔)-地面點到大地水準面的鉛垂距離。假定高程(相對高程)-地面點到假定水準面的鉛垂距離。,110,79,,高差-兩點間的高程之差不論絕對高程或相對高程,測定平均海水面高程為零的驗潮站,110,80,水準原點至1985國家高程基準“零海平面”的高程722604M,110,81,青島觀象山水準原點,110,82,水準原點旱井,110,83,水準原點瑪瑙石標志,110,84,水準原點標牌,110,85,從水準原點測定全國各基準點高程的精密水準測量,110,86,§14測量工作的程序及基本內容,基本原則控制測量地形測量施工放樣基本觀測量距離,角度,高差,110,87,布局上由整體到局部精度上由高級到低級次序上先控制后細部,一測量工作的基本原則,所有測量工作都必須遵循以上原則也是測量的工作程序,110,88,測量工作的程序,由整體到局部由高級到低級先控制后細部,,110,89,2一等三角鎖二等連續(xù)網,110,90,一等三角鎖為國家平面控制網的基礎,傳統平面控制網布置形式,二控制測量,110,91,2一等三角鎖二等連續(xù)網,110,92,A級GNSS網為國家平面控制網的基礎,現代GNSS控制網布置形式,中國的法定大地坐標中心中華人民共和國大地原點,坐落在西安之北約100公里的涇陽縣內。大地原點的地面海拔高程為4177米,它距我國陸邊正北880公里,東北2500公里,正東1000公里,正南1750公里,西南2250公里,正西2930公里,西北2500公里。大致位于我國大陸領土的中心。,110,93,110,94,我國大地坐標系原點所在地的大門,國家測繪地理信息局建立的“大地原點”,110,95,中國大地坐標系的基準點建筑外觀,110,96,國家大地原點地面標志,110,97,大地原點瑪瑙中心標志,三細部測量,,110,98,在控制測量基礎上,測繪地形細部或進行建筑物的細部放樣。,浦東運河小灣橋擴建工程細部測繪,,110,99,四基本觀測量-確定地面點位的三個基本要素,,110,100,距離S角度Α,Β高差H,§15水準面曲率對觀測量的影響,在小測區(qū)內,用水平面代替水準面,討論由此對距離和高差測量的影響,,110,101,一水準面曲率對距離測量的影響,110,102,SKMΔSCMΔS/S10081120萬25128120萬501027149萬1008212112萬,結論在半徑小于10KM的范圍內測量距離不必考慮水準面曲率改正。,水準面曲率對距離測量影響的具體數值,110,103,二水準面曲率對高差測量的影響,110,104,水準面曲率對高差測量影響的具體數值,SMΔHMM100082003500201000802000310,110,105,進行高程測量應顧及這種影響并加改正或設法抵消,(一)長度單位公制單位公里千米、米、分米、厘米、毫米市制單位里、丈、尺、寸、英制單位海里、碼、英尺、英寸,110,106,,§16測量的度量單位,(二)面積和體積單位1面積單位平方米M畝MU6666667M公畝ARE100M015MU公頃HM10000M15MU平方公里KM100公頃=1500MU2體積單位立方米方M,110,107,2,2,2,3,2,2,,60進制角度單位度D、分M、秒(S10進制角度單位新度G、新分GM、新秒(GS弧度單位(弧長與半徑之比)一圓周2?弧度弧度與角度單位的換算參數一弧度?°573?Ρ′3438?Ρ″206265?,110,108,(三)角度單位,測量計算工作中的數值取位,測量工作的基本觀測量為距離、高差和角度,前二者為長度單位,后者為角度單位。在測量學的計算中,長度與角度的小數取位應與測量的精度相配合。長度以米為單位,一般取3位小數小數點后為分米、厘米、毫米。角度以360°制的度、分、秒為單位,一般取至整秒。過少的小數取位會損失測量的精度,過多的小數取位造則成冗余數據。,110,109,110,110,測量學第一章測量學概述放映結束,
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