簡介:測量學(xué),作者顧孝烈鮑峰程效軍同濟大學(xué)出版社,1,(第四版),110,測量學(xué),(第四版),110,2,測量實驗(第二版),110,3,測量學(xué)的教學(xué)目的,測量學(xué)是城市規(guī)劃、土木工程、道路交通工程、測繪工程、地質(zhì)工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門實踐性強,理論和實踐相結(jié)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(xué)生動手、實踐和創(chuàng)新能力,為學(xué)生從事城市規(guī)劃、土木工程勘測、設(shè)計、施工、管理奠定基礎(chǔ)。,110,4,第一章緒論§11測量學(xué)的任務(wù)與主要內(nèi)容,生產(chǎn)、生活的需要城市建設(shè)、農(nóng)田、水利建設(shè)等交通運輸?shù)男枰锪鬟\輸、航空、航海、旅行等軍事的需要,110,5,一測量學(xué)的產(chǎn)生,一測量學(xué)在生活上的作用,城市交通圖,110,6,二測量學(xué)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(xué)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(xì)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(xué)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(chǎn)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(guān)土地信息。用高科技測量手段標(biāo)定國界,常在國家間的領(lǐng)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(jù)。,110,10,四測量學(xué)在工程建設(shè)中的作用,在工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)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(shè)計房屋的放樣。在建設(shè)城市道路網(wǎng)(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(jīng)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(dāng)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(shù)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(jīng)常需要在一段時間內(nèi)進(jìn)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(shè)中的應(yīng)用愈來愈廣泛。,110,12,§12測繪學(xué)科的內(nèi)涵和發(fā)展簡史,110,13,一測繪學(xué)科的定義和內(nèi)涵二測繪科學(xué)的歷史和近代發(fā)展三測繪學(xué)科的分支,一測量學(xué)的定義和內(nèi)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(biāo)的學(xué)科。2當(dāng)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(xué)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(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)字化管理,提供工程設(shè)計所必要的地形信息地形圖和地形數(shù)據(jù)。把設(shè)計的建筑物、大型設(shè)備等按設(shè)計的形狀、大小和位置準(zhǔn)確地在實地標(biāo)定出來,才能進(jìn)行施工稱為測設(shè)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(shè)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(jì),古希臘的畢達(dá)哥拉斯PYTHAGORAS就提出了地球形態(tài)的概念。,110,16,二測繪學(xué)科的歷史和近代進(jìn)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(jìn)一步論證,支持這一學(xué)說。又一世紀(jì)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(jù)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(rèn)識的開始。晉代裴秀總結(jié)出“制圖六體”,為當(dāng)時“地圖制圖”訂立標(biāo)準(zhǔn)。,110,17,古希臘托勒密CPTOLEMEAUS提出“地圖投影”概念和測經(jīng)緯度定地面點位方法。此后,一系列重大科學(xué)發(fā)明與測繪學(xué)科相輔相成地發(fā)展17世紀(jì)初發(fā)明望遠(yuǎn)鏡,1730年,英國西森SISSON制成測角用的經(jīng)緯儀,促進(jìn)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(shù)據(jù)處理奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。,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(jīng)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(jì)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(yuǎn)程精密測距的測量難題。20世紀(jì)60年代,發(fā)明電子計算機,應(yīng)用于測繪界,創(chuàng)立“計算機輔助成圖”,出現(xiàn)了數(shù)字地圖,開創(chuàng)了數(shù)字化新時代。,110,19,三、測量學(xué)科的分支,大地測量學(xué)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(shù)的學(xué)科。地球的形狀大小以大地水準(zhǔn)面為代表。大地點的定位,用經(jīng)緯度或空間直角坐標(biāo),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(jīng)緯儀作三角高程測量,110,22,用水準(zhǔn)儀作精密水準(zhǔn)測量,110,23,上述三角高程測量和水準(zhǔn)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(biāo),以及利用觀測恒星確定地面點的大地位置經(jīng)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(xué)和空間技術(shù)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(yuǎn)鏡觀測,物理大地測量學(xué)研究地球的重力測量方法,重力分布情況重力場及其應(yīng)用。測定重力加速度G的目的1建立國家重力基準(zhǔn)網(wǎng)和基本網(wǎng);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(zhǔn)面及其變化重力異常使大地水準(zhǔn)面產(chǎn)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(xué)研究利用攝影或遙感手段,獲取地面目標(biāo)物的影像數(shù)據(jù),從中提取幾何或物理信息,用圖形、圖像和數(shù)字信息表達(dá)的理論和方法的學(xué)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng),110,31,航空攝影測量,機身利用衛(wèi)星定位,同濟大學(xué)的車載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),-地面攝影測量的自動化,110,32,工程測量學(xué)研究工程建設(shè)和自然資源開發(fā)中進(jìn)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(shù)的學(xué)科。是測繪學(xué)科在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用。工程規(guī)劃設(shè)計階段提供地形資料;施工興建階段標(biāo)定設(shè)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(shè)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(shù)字水準(zhǔn)儀和條碼水準(zhǔn)尺。,110,34,渠道水位監(jiān)測,110,35,面水準(zhǔn)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(shè)備和大型工業(yè)產(chǎn)品(船舶、飛機等)的施工放樣、細(xì)部安裝、竣工測量和變形測量。,110,39,軌道梁架設(shè)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(xué)研究以海洋水體和海底為對象的學(xué)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(fù)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(dǎo)航、慣性組合導(dǎo)航、天文測量、水聲定位系統(tǒng)、水下攝影測量等。,110,42,地圖制圖學(xué)研究模擬地圖和數(shù)字地圖的設(shè)計、編繪、復(fù)制的理論和方法的科學(xué)。主要內(nèi)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(xué)研究測量儀器的制造、改進(jìn)和創(chuàng)新的學(xué)科。測繪學(xué)科的發(fā)展離不開測繪理論的進(jìn)展和測繪儀器的發(fā)明和創(chuàng)新。17世紀(jì)發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、平板儀,使控制測量和地形測量精度提高。19世紀(jì)攝影技術(shù)發(fā)明,便應(yīng)用于測量,到20世紀(jì)初,創(chuàng)造出自動航空攝影機,實現(xiàn)了大面積航空攝影測量。,110,46,20世紀(jì)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(xiàn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)處理和制圖逐步實現(xiàn)了自動化。1957年,前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功,測繪學(xué)科產(chǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)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(jīng)緯儀發(fā)展到全能的電子全站儀,T4高精密經(jīng)緯儀用于大地測量及天文測量,110,50,T3精密光學(xué)經(jīng)緯儀用于大地測量及精密工程測量,110,51,光學(xué)經(jīng)緯儀,110,52,電子經(jīng)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(xué)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(chǎn)圖等的基本理論和方法的科學(xué)。,110,55,110,56,地形測量及施工放樣,,在控制測量的基礎(chǔ)上,測繪地形圖表示地物和地貌,或進(jìn)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(rèn)識地球是人類探索自然的目標(biāo)之一,也是測量學(xué)的任務(wù)之一。絕大多數(shù)測量工作是在地球面上進(jìn)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)面”,110,62,,液體受重力而形成的靜止表面稱為水準(zhǔn)面,旋轉(zhuǎn)橢球體,由于大地水準(zhǔn)面受地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻影響,是不規(guī)則曲面,無法用數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確描述和計算,也難以在其面上處理測量成果。,110,63,,,,旋轉(zhuǎn)橢球體,用一非常接大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)面-旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面,用旋轉(zhuǎn)橢球體描述地球,稱參考橢球體。橢球參數(shù),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(biāo)系,子午面-地球上任一點與地球旋轉(zhuǎn)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(biāo)系,,,,A,首子午面,地球旋轉(zhuǎn)軸,赤道平面,格林尼治,A點子午面,大地經(jīng)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(biāo)系(地理坐標(biāo)系),110,70,以經(jīng)度與緯度表示點位的坐標(biāo)系球面坐標(biāo)系統(tǒng),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(nèi)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(biāo)(XYZ),,(二)空間三維直角坐標(biāo)系(地心坐標(biāo)系),110,71,A,A,A,(三)高斯平面直角坐標(biāo)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(nèi)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(jīng)度投影分帶號N,點在高斯平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(biāo)原點。點的X坐標(biāo)是點至赤道的距離,赤道以北X值為正;點的Y坐標(biāo)是點至中央子午線的距離,Y值有正有負(fù)。,110,74,,點在高斯平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,為了避免Y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值,把Y坐標(biāo)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(biāo)值上加帶號N所以點的橫坐標(biāo)以下式表示YN1000000500000Y,(四)地平坐標(biāo)系,地平坐標(biāo)系為小范圍的平面直角坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系以當(dāng)?shù)氐乃矫鏋橥队懊嫱ǔR援?dāng)?shù)氐恼狈较驗閄坐標(biāo)軸的正方向某一建筑地區(qū)的“建筑坐標(biāo)系”也是一種地平坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系為獨立坐標(biāo)系應(yīng)與國家或城市坐標(biāo)系進(jìn)行連測,110,76,(五)平面坐標(biāo)變換坐標(biāo)軸的平移和旋轉(zhuǎn),110,77,,,建筑坐標(biāo)系X′,Y′變換為城市坐標(biāo)系X,Y變換參數(shù)X,Y,Α,00,平移量X0,Y0旋轉(zhuǎn)角Α,(五)平面坐標(biāo)變換,110,78,,,,城市坐標(biāo)系X,Y變換為建筑坐標(biāo)系(X′,Y′),變換參數(shù)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(zhǔn)面的鉛垂距離。假定高程(相對高程)-地面點到假定水準(zhǔn)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(zhǔn)原點至1985國家高程基準(zhǔn)“零海平面”的高程722604M,110,81,青島觀象山水準(zhǔn)原點,110,82,水準(zhǔn)原點旱井,110,83,水準(zhǔn)原點瑪瑙石標(biāo)志,110,84,水準(zhǔn)原點標(biāo)牌,110,85,從水準(zhǔn)原點測定全國各基準(zhǔn)點高程的精密水準(zhǔn)測量,110,86,§14測量工作的程序及基本內(nèi)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(xì)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(xì)部,,110,89,2一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng),110,90,一等三角鎖為國家平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ),傳統(tǒng)平面控制網(wǎng)布置形式,二控制測量,110,91,2一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng),110,92,A級GNSS網(wǎng)為國家平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ),現(xiàn)代GNSS控制網(wǎng)布置形式,中國的法定大地坐標(biāo)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(nèi)。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(lǐng)土的中心。,110,93,110,94,我國大地坐標(biāo)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(biāo)系的基準(zhǔn)點建筑外觀,110,96,國家大地原點地面標(biāo)志,110,97,大地原點瑪瑙中心標(biāo)志,三細(xì)部測量,,110,98,在控制測量基礎(chǔ)上,測繪地形細(xì)部或進(jìn)行建筑物的細(xì)部放樣。,浦東運河小灣橋擴建工程細(xì)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(zhǔn)面曲率對觀測量的影響,在小測區(qū)內(nèi),用水平面代替水準(zhǔn)面,討論由此對距離和高差測量的影響,,110,101,一水準(zhǔn)面曲率對距離測量的影響,110,102,SKMΔSCMΔS/S10081120萬25128120萬501027149萬1008212112萬,結(jié)論在半徑小于10KM的范圍內(nèi)測量距離不必考慮水準(zhǔn)面曲率改正。,水準(zhǔn)面曲率對距離測量影響的具體數(shù)值,110,103,二水準(zhǔn)面曲率對高差測量的影響,110,104,水準(zhǔn)面曲率對高差測量影響的具體數(shù)值,SMΔHMM100082003500201000802000310,110,105,進(jìn)行高程測量應(yīng)顧及這種影響并加改正或設(shè)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(jìn)制角度單位度D、分M、秒(S10進(jìn)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(shù)一弧度?°573?Ρ′3438?Ρ″206265?,110,108,(三)角度單位,測量計算工作中的數(shù)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(xué)的計算中,長度與角度的小數(shù)取位應(yīng)與測量的精度相配合。長度以米為單位,一般取3位小數(shù)小數(shù)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(shù)取位會損失測量的精度,過多的小數(shù)取位造則成冗余數(shù)據(jù)。,110,109,110,110,測量學(xué)第一章測量學(xué)概述放映結(jié)束,
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