测量基本知识
项目1
测量基本知识
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目录
CONTENT
1.1 建筑工程测量的任务
1.2
1.3
1.4
1.5 测量工作概述
地球的表面特征
地面点位置的确定
用水平面代替水准面的限度
1.1
建筑工程测量的任务
建筑工程测量是研究工程建设在勘测设计、施工过程和管理阶段
所进行的各种测量工作的学科。
主要内容:工程控制网的建立、地形测绘、施工放样、设备安装
测量、竣工测量、变形观测和维修养护测量等。
1.1.1 测量学的定义、研究内容与作用
测量学是研究地球形状、大小以及确定地面点的空
间位置的科学。
1.1 建筑工程测量的任务
1.1.2 测量学分类
• 大地测量学:大范围整体控制、空间控制
• 摄影测量学:摄影与遥感、航空、航天
• 普通测量学:小范围地表形状、不考虑地球曲率
• 海洋测量学:海洋、河道、水下地形测量
• 工程测量学:研究各种工程的测量精度、保障安全
• 地图制图学:研究地图制作的理论和工艺流程
1.1 建筑工程测量的任务
1.1.3 建筑工程测量的任务
建筑工程测量是运用测量学的基本原理和方法
为各类建筑工程服务。
工程建设三阶段 测量的任务
勘测设计 控制,测绘地形图
施工建设 施工放样,竣工测量
运营管理 安全监测,变形观测
1.1 建筑工程测量的任务
建筑工程测量的主要任务有:
1、测绘大比例尺地形图
2、在地形图上进行规划设计
3、建筑物施工放样和施工质量检验
4、对大型建筑物进行位移和变形监测
建筑工程测量在工程建设中占有非常重要的地位,
在建筑工程建设中,从工程建设的勘测、规划、
设计、施工、管理到竣工检测无不用到测绘技术。
1.1 建筑工程测量的任务
1.2
地球的表面特征
• 1.2.1地球的自然形状和大小
• 地球自然形体:是一个不规则的几何体, 海洋
面积约占地球表面的71%。
•
丘陵
陆地
海洋
高山
1.2 地球的表面特征
1.2 地球的表面特征
1.2.2 测量工作的基准线和基准面
测量工作的基准线—铅垂线 。
测量工作的基准面—大地水准面。
O
G
大地水
准面
铅垂线
1.2 地球的表面特征
1.大地水准面:
完整的水准面是被海水包
围的封闭曲面。这样的水
准面有无数个,其中最接
近地球形状和大小的是通
过平均海水面的那个水准
面,这个唯一而确定的水
准面叫大地水准面,也就
是测量的基准面,如右图
所示。
1.2 地球的表面特征
2.参考旋转椭球体面
由于地球内部质量分布不均匀,
导致地面上各点的重力方向即铅
垂线方向产生不规则的变化,因
而大地水准面实际上是一个有微
小起伏的不规则曲面。在测量上
选用椭圆绕其短轴旋转而成的参
考旋转椭球体面,作为测量计算
的基准面,如右图所示。
1.2 地球的表面特征
目前我国所采用的参考椭球体是“2000年国家大地坐
标系”
,其参考椭球体元素为:
长半轴 a=6378137m
短半轴 b=6356752.31414m
扁率f= ( a–b )/ a =1/298.257222101
通常把地球椭球体当作圆球看待,取其半径为
6371km。
1.2.3大地体的形状及表达式
1.2 地球的表面特征
表1.1旋转椭球体参数值
坐标系名称 椭球体名称 长半轴a(m) 参考椭球体扁率α
推算年代和
国家
1954北京坐标系 克拉索夫斯基 6378245 1:298.3 1940年前苏
联
1980西安坐标系 IUGG-75 6378140 1:298.257
1975年国际
大地测量与
地球物理联
合会
2000国家大地坐
标系(GPS)
CGCS2000 6378137 1:298.257223563 2008年中国
WGS-84坐标系
(GPS)
WGS-84 6378137 1:298.257223563 1984年美国
1.2 地球的表面特征
1.3
地面点位置的确定
• 1.3.1测量工作的实质与基本问题
• 1.测量工作的实质
• 确定地面点在规定坐标系中的坐标值(X,Y,Z)。
• 2.测量工作的基本问题
• 研究任意一点位置的确定问题是测量学的基本问题。
1.3 地面点位置的确定
• 确定地面点位的基本方法:
• 是数学(几何)方法,是用空间三维坐标表示。
“参心”坐标:以参考椭球体的球心表示的为“参心”坐标。
“地心”坐标:以地球质心为坐标系中心的为“地心”坐标。
大地高:地面点沿法线到参考椭球体面的距离称为大地高。
高程:地面点沿铅垂线到大地水准面的距离成为高程,或绝
对高程、海拔。
1.3.2 确定地面点位的基本方法
1.3 地面点位置的确定
1、地理坐标系:天文地理坐标(λφ)和大地地理坐标(L、B)
2、空间直角坐标系( X、Y、Z ):WGS-84坐标系、
CGCS 2000国家大地坐标系
3、高斯投影平面直角坐标系( X、Y) :
4、独立平面直角坐标系( X、Y) :
地面点的三维坐标在空间直角坐标系中用X、Y、Z表示,在地
理坐标系和高斯投影平面直角坐标系中,两个量为平面坐标,
它表示地面点沿着基准线投影到基准面上后在基准面上的位置。
基准线可以是铅垂线,也可以是法线。基准面是大地水准面、
平面或者是椭球体面。第三个量是高程,表示地面点沿基准线
到基准面的距离。因此,又称为球面坐标。
测量上常用的坐标系有:
1.3 地面点位置的确定
C
A B
a b
c
X
地面点的空间位置可以用点在水准面或水平面上
的位置(X,Y)及点到大地水准面的铅垂距离
(H)来确定。
如地面点:A (XA,YA,HA)
O
XA
YA
HA
1.3 地面点位置的确定
1.3.3地面点的确定
1、 高程系统:
高程:地面点沿铅垂方向
到大地水准面的距离。
地面点在大地水面以上,H为正;
地面点在大地水准面以下,H为负。
如图:HP= 266.888m
HQ= - 189.168m
P
大地水准面
HP
Q
HQ
1.3 地面点位置的确定
参考资料 : 国家高程系统
– 我国有两个国家高程系统。
– 1) 1956年黄海高程系
– 以青岛大港验潮站历年观测的黄海平均海水面为基准面。
– 于1954年在青岛市观象山建立了水准原点,
– 通过水准测量的方法将验潮站确定的高程零点引测到水准原点,
– 求出水准原点的高程。
– 1956年我国采用青岛大港验潮站1950年~1956年7年的潮汐记录资料推算
出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.289m;
– 以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为“1956年黄海高程系” ;
– 简称“56黄海系”。
1.3 地面点位置的确定
• 2) “1985国家高程基准”
• 80年代,我国又采用青岛验潮站1953年~1977年25年的潮汐记录资料推
算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.260m;
• 以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为“1985国家高程基准” ;
• 简称“85高程基准”。
• 在水准原点,85高程基准使用的大地水准面比56黄海系使用的大地水
准面高出0.029m。
• 如目前发布的珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844.46m,是85高程
基准。
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
绝对高程(海拔) :地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。
如:HA、HB。
相对高程: 地面点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。
如:HA
′、HB
′
。
高差: 地面上两点高程之差。
如:hAB = HB – HA
hAB = HB
′– HA
′
当hAB为正时, B点高于A点;
当hAB为负时, B点低于A点;
图1-3 高程和高差
1.3 地面点位置的确定
水 准 原 点
我国解放初期,采用1950~1956
年验潮资料,求得平均海水面位置,
进而测得水准原点的高程为
72.289m,此高程系统称为1956年
黄海高程系。由于验潮资料时间周
期短,不甚精确。
为提高大地水准面的精度,国家又根据青岛验潮站1952-1979年的
验潮资料组合成了10个周期为19年的验潮资料,经精确计算,于1985年
重新确定了黄海平均海水面的位置和高程原点的高程(72.260m),并
决定从1988年起,一律按此原点高程推算全国控制点的高程,称为
“1985年国家高程基准”。可见,我国的验潮资料也为近年来海平面上
涨提供了依据。
1.3 地面点位置的确定
• 地面点在球面上的位置用经度和纬度表示的,称
为地理坐标。
• 按照基准面和基准线及求算坐标方法的不同,地
理坐标又可分为天文地理坐标和大地地理坐标两
种。
S
首
子
午
线 O φ
λ 赤道
N W E
A
(a) 天文地理坐标
格
林
尼
治
子
午
线 O
LP BP
P'
P HP
KP
(b) 大地地理坐标图1-4 地理坐标 S
N
2、坐标系统
1)地理坐标:
1.3 地面点位置的确定
• 天文地理坐标的基准线是:铅垂线,基准面是:大地水准面,
它表示地面点A在大地水准面上的位置,用天文经度λ和天文
纬度φ表示。
• 天文经、纬度是用天文测量的方法直接测定的。如图1-4(a)
所示。
(1)天文地理坐标
大地地理坐标的基准是法线和参考椭球面,是表示地面点
在地球椭球面上的位置,用大地经度L和大地纬度B表示。
大地经、纬度是根据大地测量所得数据推算得到的。
(2)大地地理坐标
1.3 地面点位置的确定
图1-4(b)表示以O为球心的参考椭球体,N为北极、S为南极,NS为
短袖。
过中心O并与短轴垂直且与椭球相交的平面为赤道面,P为地面点,含
有短轴的平面为子午面。
过P点沿法线PKP投影到椭球体面上,得到P′点。NP′S是过P点子午
面在椭球体面上投影的子午线。
过格林尼治天文台的子午线称为本初子午线或首子午线。NP′S子午
面与本初子午面所夹的两面角LP称为P点的大地经度。
法线PKP与赤道平面的交角BP称为P点的大地纬度。P点沿法线到椭球
体面的距离PP′称为P点的大地高HP。
1.3 地面点位置的确定
• 国际规定:
• 过格林尼治天文台的子午面为零子午面,经度为0°,以东为
东经、以西为西经,其值域均为0°
~180°
;
• 纬度以赤道面为基准面,以北为北纬,以南为南纬,其值均为
0°
~90°
。
• 椭球体面上的大地高为零。
• 沿法线在椭球体面外为正,在椭球体面内为负。
• 我国处于东经74°
~135°,北纬3°
~54°
。
• 如北京位于北纬40°、东经116°
,
• 用B=40°N,L=116°E表示。
1.3 地面点位置的确定
大地原点
起始大地点又称大地原点,该点的大地
经纬度与天文经纬度一致。
我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-北流村大
地原点建立的大地坐标系,称为“1980
西安坐标系”
,
地理坐标为东经108°55′,北纬
34°32′,海拔417.2m。
通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联
测,经我国东北传算过来的坐标系称
“1954北京坐标系” ,其大地原点位
于前苏联列宁格勒天文台中央。
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
• 地面点位也用空间直角坐标(X,Y,Z)
表示,如GPS中使用的WGS-84系统,见图1-5。
• WGS即World Geodetic System缩写,它
是美国国防局为进行GPS导航定位于
1984年建立的地心坐标系。
• 该坐标系统以地心O为坐标原点,ON即
旋转轴为Z轴方向;格林尼治子午线与赤
道面交点与O的连线为X轴方向;过O点与XOZ面垂直,并与X、Z构成右手坐标
系者为Y轴方向。
• 点P的空间直角坐标为(XP、YP、ZP)。 • 它与大地坐标B、L、H之间可用公式转
换。 Z P图1-5 空间直角坐标 O XP YP赤道面 Y X N
格
林
尼治子
午
线 2)空间直角坐标系
ZP
1.3 地面点位置的确定
高斯投影又称横轴椭圆柱等角投影,规定以经差
6º
、 3°
、 1.5°或更小的经差为准来限定高斯投影的
范围,每一投影范围叫一个投影带。6º带是从0º子午
线算起,以经度每隔6º为一带,将整个地球划分成60
个投影带,并用阿拉伯数字1,2…60顺次编号,叫做
高斯6º投影带(简称6º带)。 3°带是从1.5º子午线算起,
以经度每隔3º为一带,将整个地球划分成120个投影
带,其中央子午线经度L与带号n的关系为L= 3° n。
3) 高斯平面直角坐标系
1.3 地面点位置的确定
N
S
c
赤道
高斯投影平面
赤道
中
央
子
午
线
(1)、高斯投影的原理
高斯投影采用分带投影。将椭球面按
一定经差分带,分别进行投影。
1.3 地面点位置的确定
高斯投影必须满足:
1.高斯投影为正形投影,
即等角投影;
2.中央子午线投影后为直
线,且为投影的对称轴;
3.中央子午线投影后长度
不变。
高斯投影平面
赤道
中
央
子
午
线
1.3 地面点位置的确定
(2)、高斯投影的特性
a.中央子午线投影后为直线,且长度不变。
b. 除中央子午线外,其余子午线的投影均
为凹向中央子午线的曲线,并以中央子
午线为对称轴。投影后有长度变形。
c. 赤道线投影后为直线,但有长度变形。
赤道
中央子午线
平行圈
子午线
O
x
y
1.3 地面点位置的确定
d. 除赤道外的其余纬线,投影后为凸
向赤道的曲线,并以赤道为对称轴。
e.经线与纬线投影后仍然保持正交。
f. 所有长度变形的线段,其长度变形
比均大于1。
g.离中央子午线愈远,长度变形愈大。
赤道
中央子午线
平行圈
子午线
O
x
y
1.3 地面点位置的确定
(3)投影带的划分
我国规定按经差6º和3º进行投影分带。
6º带自首子午线开始,按6º的经差自西向东分成60
个带。
3º带自1.5 º开始,按3º的经差自西向东分成120个带。
1.3 地面点位置的确定
6º带与3º带中央子午线之间的关系如图:
3º带的中央子午线与6º带中央子午线及分带
子午线重合,减少了换带计算。
工程测量采用3 º带,特殊工程可采用1.5 º带
或任意带。
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定
1.3 地面点位置的确定