工程測量原理與方法

1、第二講工程測量學的原理、方法和技術Theory,way,technologyofengineeringsurveying主要內容：觀測量和測量定位原理、地面測量方法和技術、專用測量方法與技術、空間測量方法與技術。難點：專用測量方法與技術、空間測量方法與技術2.1概述工程測量學與大地測量學、攝影測量與遙感學、地圖制圖學海洋測繪和測繪儀器學一樣，是現(xiàn)代測繪學的分支學科。它即遵循測繪學的基本原理、方法和技術，又為了解決工程和工程建設中的測繪技術問題，工程測量學也形成了具有自身特點的原理、方法和技術，以及各種專用和通用的測量儀器。2.2觀測量和測量定位原理2.2.1工程測量中的觀測量工程測量的實質是：

2、1通過各種觀測量確定客觀物體上的特征點在某一坐標系下的三維坐標（T面位置與高程即X,Y,沙及其隨時間的變化。2根據(jù)設計坐標（X,Y,Z）通過各種觀測量將設計實體放樣到實地。觀測量：1角度（方向）觀測量角度觀測量又分水平角和垂直角（高度角）或天頂距（觀測方向線與鉛垂線間的夾角）所用儀器：經(jīng)緯儀、全站儀2距離觀測量兩點間的平距、斜距，一點到直線的距離，一點到平面的距離。所用儀器：鋼尺、皮尺、鈿瓦線尺（叫丈量法或機械法）經(jīng)緯儀、視距儀（叫視距法或視差法）測距儀、全站儀（叫物理測距法）GPS全球定位系統(tǒng)（偽距法）3高差觀測量兩點正常高程之差所用儀器：鋼尺、水準儀、測距儀、全站儀、液體靜力水準測量（用于

3、工程變形測量）4方位角觀測量地面上某一方向線與真北方向的夾角（真方位角）所用儀器：陀螺儀（用于礦山、鐵路與公路隧道及城市地鐵隧道中）2. 2.2工程測量中測量定位原理工程測量的任務：測量、測設或放樣工程測量中所采用的坐標系統(tǒng)：1平面一高斯一克呂格平面直角坐標系或獨立平面直角坐標系2高程一正常高系統(tǒng)測量定位原理：1高差與高程的測定不論進行水準測量還是利用水準儀進行高程放樣，均是利用水平視線測定兩點之間的高差（如圖2-1）:Hab=a-b如A點的高程已知，則B點的高程為：Hab=HahAB對于三角高程測量中的高差計算：2.hAB=hi2=S0tan：12CS0iivS0:為兩點之間的實測水平距離，

4、"12：為p、n兩點間的垂直角，ii、V2:分別為儀器高和站標高，C為球氣差系數(shù)，有：1 -K一一，C=其中K為大氣垂直折射系數(shù)，R為參考橢球面上弧A'B的曲2R率半徑。也可以將&化算為高斯投影面上的長度d進行計算，對于對向觀測，還可以用下式進行計算：一.11.h12=h(i1V1)(i2-v2)Lh1222訃12=(2一汽)h式中：R2R1h=dtan(：12二21)2Hm：為A、B兩點的平均大地高,ym:為A、B兩點到中央子午線的平均橫坐標。2點的平面直角坐標的測定目前比較常用的確定點位的方法有極坐標法、測角前方交會法極坐標法的原理如下:AP已知：A、B兩點，求P

5、點的坐標'Xp=Xb+SCOScxbpYP=Yb+SSINaBP'XP=XB+SCOS(aBA+UP)Yp=Yb+SSINba+«p)-：BA.arctanXb-Ya-XaAB為已知點，P點為待定點，B和S分別為水平角和水平距離，加上各種改正計算得到。當用于放樣時過程相反：P點的坐標已知，通過坐標反算可求取AP的邊長、AB和AP的方位角,從而得到放樣元素a和SAP:'-AB-APSap=J(XbXa)2(Yb=Ya)2通過放樣元素在實地上標定出P點測角前方交會的原理：a、B為觀測角，P點為待定點(如圖)_XACOtP十Xbcot«+(YbYa)

6、9;Xp口cots+cotP7Yacot1YBcot二-(Xb-Xa)Yp二=cot'cot-2點的空間三維直角坐標的測定在工業(yè)測量中，如圖所示的坐標系，待定點P的三維空間直角坐標采用前方交會法，按下式計算：AyZ八Isin：2tan：2Z2=_sin（：i）+t"sinP2cosP1sin（P1+B2）sin%sin口isin（A+久）冏、P2和%、%為在A、B兩點上架設儀器所測的P點的水平角和垂直角，L為兩臺儀器間的水平距離，2為兩臺儀器間的垂直角。儀器實測的是方向值ap和bp,設兩臺儀器間的方向值為ap和baP則有：=AB_AP二bp一ba我們把確定初始參數(shù)ab、ba、

7、a12和L的值稱為系統(tǒng)定向。設兩臺儀器間的高差為：.：H12=Ltan"其中：L:用基準尺進行丈量得到因此，系統(tǒng)定向主要為確定參數(shù)ab、rBA2.3通用的地面測量方法和技術2.3.1經(jīng)典的地面測量方法與技術一、角度與方向測量1、光學經(jīng)緯儀測角光學經(jīng)緯儀是一種普通的測角儀器，在控制測量中用于各種等級的測角網(wǎng)、邊角網(wǎng)、導線網(wǎng)等，在工程測量規(guī)范中按測角精度分為DJ1、DJ2、DJ6幾種型號，比較典型的儀器為T2、T3。2、陀螺經(jīng)緯儀定向、三北方向及其之間的關系Ao精密導線邊或三角網(wǎng)邊的地理方位角%地面精密導線邊或三角網(wǎng)邊的坐標方位角叫陀螺方位角CC'子午線收斂角A井下定向邊的地理方

8、位角口井下定向邊的坐標方位角«T陀螺方位角、陀螺經(jīng)緯儀的定向作業(yè)過程、在地面已知邊上測定儀器常數(shù)儀器常數(shù)：通常陀螺經(jīng)緯儀軸的穩(wěn)定位置不與地理子午線重合，二者的夾角稱為儀器常數(shù)。將儀器安置在已知邊上通過測定陀螺方位角叫來求算儀器常數(shù)。JAA0一二T、在井下定向邊上測定陀螺方位角井下定向邊的長度應大于30米，將儀器安置在C測定uT一'A=：T、儀器上井后重新測定儀器常數(shù)、求算子午線收斂角一般地面精密導線邊或三角網(wǎng)邊已知的是坐標方位角a。，需要求算的井下定向邊，也是要求出其坐標方位角a,而不是地理方位角A,因此，需要求算子午線收斂角。Ao=：0-0”當儀器所在點在中央子午線以東為正

9、，以西為負，其值可根據(jù)安置儀器點的高斯平面坐標求算：二Ky式中：不以分為單位K系數(shù)，以縱坐標x（以公里計）為引數(shù)由表中查，Y點的橫坐標，KM、求算井下定向邊的坐標方位角旌=A。-：=-0-0-：T井下定向邊的坐標方位角為：a=A=aT十平二t-i-tfr.J'、.4因此：=：-0-：-T的=，q為地面和井下安置儀器地點的子午線收斂角的差數(shù)，可用下式計算：=口V。一、式中：6尸單位為秒；N=32.23tgeP（中為當?shù)鼐暥?，在地面和井下點的距離不超過10公里，緯度不超過60度是采用）y0和y是地面和井下定向點的橫坐標。二、長度測量1、機械法包括鈿瓦線尺懸空丈量法、皮尺和鋼尺量距2、視距法

10、利用視距裝置由上下絲進行間接測距的方法。3、電磁波測距電磁波測距包括：脈沖式光波測距、相位式光波測距、微波測距三種。其中相位測距使用最廣。其測距公式為：1C一：.D=-0一+K式中：C0為真空中的光速，f4二fn為調制頻率，n為大氣折射率，為相位值，K為儀器常數(shù)。測距誤差分：固定誤差（與測距無關），比例誤差（與距離成比例）。大氣折射誤差和相位測定誤差是測距的主要誤差。降低相位誤差是提高調制信號頻率，降低大氣折射誤差是通過測定沿光路的氣象元素（溫度、氣壓、濕度），所以對于一臺儀器影響測距精度最大的是大氣折射率誤差。三、高程測量1、光學幾何水準測量幾何水準由于其勞動強度大，不易實現(xiàn)自動化，迄今仍是

11、高程控制和高程傳遞的基本方法。在工程測量中，主要采用國家基準和等級水準點作為高程聯(lián)測點。目前采用的儀器按每公里往返平均高差中誤差大小分為：S05S1、S3S10o2、電磁波測距三角高程目前，在丘陵、山區(qū)電磁波測距三角高程可代替三、四等水準測量。由于折射系數(shù)誤差對高程測定影響隨邊長的平方增長，因此，測距邊長應受到相應的限制，當視線長200米時精度可達到一、二等，代替三、四等水準對應的視線長分別為700米和2100米。實際工作中為了提高精度除進行對向觀測外有時有意抬高站標高。四、近景攝影測量（略）2. 3.2現(xiàn)代地面測量方法與技術二、電子全站儀（略）三、測量機器人（Georobot）測量機器人俗稱

12、自動尋標電子全站儀，測量機器人系統(tǒng)包括：坐標參考系，操作系統(tǒng)，激勵器，計算機和控制器，閉路控制傳感器，決定制作，目標捕獲和集成傳感器。實現(xiàn)了地面測量的作業(yè)自動化，代替了人照準和讀數(shù)。其作業(yè)方式有主動式和被動式兩種。主動式作業(yè)方式：從鏡站發(fā)射信號用以遙控指揮儀器進行照準讀數(shù)。測量數(shù)據(jù)通過無線電線通信在鏡站顯示，可用于大比例尺測圖和施工放樣，具測程在數(shù)百米以內。被動式作業(yè)方式：在鏡站發(fā)射信號，需要在測站上進行一次初始測量，機器人具有自學功能，自后的重復測量由完全儀器自動完成，這種模式主要用于具有許多目標的變形監(jiān)測及大型工程的施工放樣測量。自動跟蹤功能：用于水下地形測量中的平面位置測量，三維工業(yè)測量

13、。四、電子水準儀電子水準儀是通過對標尺的圖象經(jīng)過一段空氣在望遠鏡像平面處CCD車列上編碼經(jīng)過運算得到數(shù)字讀數(shù)，同時具有記錄、檢核、傳輸、計算、數(shù)據(jù)處理功能。2.4專用測量方法工程測量的專用測量方法和技術集中反映在儀器上，主要用于精密工程測量、三維工業(yè)測量和工程建筑物的變形監(jiān)測。包括精密測角、距離、高程、傾斜、基準線（偏距）、定位測量、精密投點。主要特點是高精度、自動化、遙測、持續(xù)觀測。一、精密角度測量精密角度測量主要采用的是精密光學經(jīng)緯儀、精密電子經(jīng)緯儀和精密陀螺經(jīng)緯儀（測定某一方向線與真北方向之間的水平角）。目前電子經(jīng)緯儀的測角精度已達到測角的極限精度005秒。電子經(jīng)緯儀采用光電側角法，又分

14、編碼法、動態(tài)法和增量法，前兩種屬于絕對法，后一種屬于相對法。測角分粗測和精測兩步，因為，光電測角消除了讀數(shù)誤差、度盤偏心誤差和刻劃誤差，所以，其測角精度主要由對中誤差、照準誤差和外界大氣條件的影響。常見的有：用于飛機、輪船、汽車外形測量（兩臺儀器空間交會）用于滑坡監(jiān)測用于大型特種工程施工測量二、精密距離測量主要采用機械法和光電法。機械法包括各種定長桿尺和定長鈿瓦線尺配合測微裝置組成的量測儀和測量距離變化的應變儀、伸縮儀。光電法分為干涉法和相位法。精密測距按測程分為中長距離（數(shù)十公里）、短距離（10米）和微距離（毫米至米）。三、精密水準測量精密水準測量的專用測量方法和技術主要是微水準測量、激光掃

15、平水準測量和液體靜力水準測量。前兩種采用專用的微型水準尺和激光水準儀，后者采用連通管原理，通過傳感器測量液面密度來獲取測點高程。1、微水準測量微水準測量：采用短視線的觀測方法。原因：精密水準測量的主要誤差來源有：照準誤差和讀數(shù)誤差，儀器檢校后的剩余誤差，溫度變化對儀器和標尺的影響，標尺分化劃誤差和標尺彎曲，標尺底面不水平，在觀測過程中儀器和標尺下沉、視場影象跳動和折光影響，對大范圍水準測量，重力、潮汐和地殼運動的影響，對于自動安平水準儀，還應顧及磁場的影響。減短視線是克服上述誤差的有效途徑。2、液體靜力水準測量根據(jù)連通原理，將兩個或多個容器連接起來，液面狀態(tài)可由貝努利方程描述：P-'g

16、H=c或PiMgH=p72g2H2式中：P為作用在液面上的大氣壓力，p為液體的密度，g為重力加速度，H為液面高度，C為常數(shù)。如圖將Ci、C2置于A、B兩點上，容器分別用水管和氣管連接，當容器處于封閉狀態(tài)時，P不變。當采用同一種液體，p、g相等，當各容器液面處于平衡狀態(tài)時，有：ga=Pgbhb為液面讀數(shù)，h為零點間的高差，即h=a-b目前測定液面高度的方法：、目視法、電子傳感器法（精度能達到0.01mm的瞬時變化）四、傾斜測量傾斜測量又稱撓度曲線測量，是確定被測對象（如橋、塔）在豎直平面內相對于水平基準線（面）或鉛直基準線（面）的撓度曲線。五、精密基準測量精密基準測量又稱精密準直測量，是直線型設備精密安裝或水平位移精密測量的一種方法?；驹硎窃趦蓚€基準點之間通過光學視準線或機械引張線或激光束建立一條基準線，測出設備上的觀測點偏離該基準線