土 木 工 程 测 量
Civil Engineering Surveying
中南大学土木建筑学院道路工程系彭仪普
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Me
彭仪普(博士、副教授)
Email,pengdp@mail.csu.edu.cn
简历,
–1988-1992,学士,华东地质学院
–1992-1995,硕士,西南交通大学
–1997-2002,博士,西南交通大学
–2003-2005,博士后,武汉大学
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本课程学习资料
课本宋占峰,李军 主编,,土木工程测量,,高等学校教材,吉林科学技术出版社,2005年
其它
–实验手簿
–实习指导书
参考教材张坤宜 主编,,交通土木工程测量,,高等学校教材,武汉大学出版社
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Supplementary Reading
部分英文资料,选自
Uren J,and W.F,Price,Surveying for Engineers
(Third Edition),London,Antony Rowe Ltd,
Chippenham,Wiltshire,1994
URL,http://www.nmsu.edu/~survey
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My Expectation
Class starts on time
Don’t chat with others during lectures
If you come to class,participate
If you don’t want to participate,don’t come
If I go too fast,tell me
If you have a question,ask it
If you have difficulty,ask for help
Find some enjoyment
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工程测量介绍
Introduction to Engineering Surveying
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本讲内容 (Outline of Presentation)
测量学的定义与任务
测量学的重要性
测量学科组成
测量实质
地面点位表示方法
工程测量的基本工作和要求
附录:度量单位
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一、测量学的定义与任务
定义
– 测量学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的信息进行采集、处理、管理、更新和利用的科学和技术。
传统上来说,测量学科也称为,测绘学科,
(surveying and mapping),因为它包括
– 量测 (测定 )
– 绘图 (测设 )
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Cont’d
测量学的任务 (从狭义上来看 )
– 研究并确定地球的形状和大小,为地球科学提供必要的数据和资料;
– 将地球表面的地物 (objects)和 地貌 (terrain
relief)测绘成图;
– 将图纸上的设计成果测设 (setting out)至现场。
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二、测量学的重要性
测量学发展具有渊远流长的历史,例如
–公元前二十七世纪的埃及金字塔
–2000多年前的夏商时代,为治水进行水利工程测量
–秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程
–北宋时沈括已开始 水准测量
–1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图包括了 地形图、驻军图和城邑图 三种,是目前世界上发现的最早的地图
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测量学的重要性和发展原因
– 是地理基础信息 (geomatics)获取的关键途径
– 测绘在诸多方面具有举足轻重的作用
土木工程如铁路、公路建设;交通运输规划与管理
环境保护、旅游资源开发、海洋开发
国防建设等等
– 强烈依赖且促进现代科技的充分发展
地面光学 —电子测绘仪器 (instrument)
航空 /航天影像获取传感器 (imaging sensor)
计算机硬件技术
计算机软件技术
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三、测量学科体系
从研究内容来看,测量学可分为
–大地测量学,可细分为:经典大地测量、卫星大地测量 (如全球定位系统,Global Positioning System,GPS)、和物理大地测量
(Physical Geodesy)
–地图制图学
–摄影测量与遥感学,可细分为地面摄影测量学、航空摄影测量学、和航天遥感学
–工程测量学
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大地测量学 (Geodesy)
定义
–研究和确定地球形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。
基本任务
–测定地球形状、大小和重力场 (gravity field)
–建立国家大地控制网 (national geodetic control network)
为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据
为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料
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G
P
S
卫星星座
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Copyright Yipu PengGPS Receiver
GPS接收机
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单点定位
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相对定位
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地图制图学 (Cartography)
定义
–研究模拟 (analogous)和数字 (digital)地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术和方法的学科。
基本任务
–利用各种测量成果编制 (compile)各类地图
–工作内容一般包括
地图投影 (map projection)
地图编制 (map compilation)
地图整饰 (map grooming)
地图制印 (map printing)
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摄影测量与遥感学
(Photogrammetry and Remote Sensing)
定义
–研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据,从中提取语义和非语义信息,并用图形、图像和数字形式表达的学科。
基本任务
–通过对摄影像片或遥感图像进行处理 (processing)、量测
(measurement)和解译 (interpretation)
–测定物体的形状 (shape)、大小 (size)和位置 (position)进而制作成图
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量测分析表达传感器记录信息
(影像 )
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Leica Helava DPW770
and DSW300
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黑白 (全色 )像片对
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彩色像片
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SPOT热红外影像
—纽约曼哈顿世贸大厦倒塌三小时后所获取的影像 (2001
年 9月 11日当地上午
11:55)
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IKONOS
1m分辨率全色影像天安门广场
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IKONOS获取的影像神州五号发射 11天前的“酒泉卫星发射中心”影像
2003-10-4
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IKONOS获取的影像神州五号发射 3小时之后的“酒泉卫星发射中心”影像
2003-10-15
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法国巴黎埃菲尔铁塔
QuickBird彩色合成影像
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工程测量学 (Engineering Surveying)
定义
–工程测量学是研究各项工程在 规划设计,施工建设 和 运营管理 阶段所进行的各种测量工作的学科。
工程项目,铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、
管线 (输电线、输油管 )工程、矿山和城市建设等
基本任务
–各个阶段所进行的地形和有关信息的采集、处理和成图
–工程建筑物或设备安装的施工放样
–变形监测、分析和预报
–对测量和工程有关的信息进行管理和使用
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An Example of Travel Map
http://china.tyfo.com
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Topographic Maps
http://www.topozone.com/
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Construction
Surveying
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地理信息系统( Geographic information system)
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四、测量实质 (essence)
测量原则 (principle)
–从整体到局部,从控制到碎部
测量工作实质
–测量或测设点位的工作
投影方法
–正射投影
Orthographic projection Perspective projection
Camera photography
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Control and
detailed survey
3D Real
world
2D topographic
Map
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五、地面点位表示方法
任一地面点的点位均如下表示
–坐标 (coordinates)
–高程 (elevation/height/altitude)
测量基准 (datum)—参考面 (reference surface)
–水准面 (geoid surface):物理模型、测量的基准面
高程参考面 —水准高 (leveling height)
–椭球面 (ellipsoid surface):数学模型、计算的基准面
笛卡尔三维坐标 (Cartesian 3D coordinates)(地心坐标系 )
大地坐标 (大地经度、纬度、大地高 )
平面直角坐标 (Rectangular coordinates)
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地球一般特征
不规则曲面,陆地 29%,海洋 71%
平均半径 6371km
最高:珠峰 8844.43m
最低:马里亚那海沟 11022m
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Geoid (Actual Shape of the Earth)
Definition
–Imagine that the earth were completely covered by water,
and that the ocean waters were permitted to flow freely
under gravity not subject to external forces such as tidal
forces,wind currents,This smooth surface is the geoid
surface,This surface covering the whole earth is the geoid,
Natural surface of
the earth
Ellipsoid surface
Geoid surface
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Cont’d
Geoid is smooth but irregular,therefore not suitable for horizontal
position definition and computation.
Geoid surface is chosen as a datum for heighting.
The reduced level or elevation of a point is the height above or
below the geoid in the direction of the gravity vector.
The gravity vector is the plumb line that is perpendicular to the
horizontal plane of a properly set up instrument.
Surveying instruments are set up under
gravity relative to the geoid system
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Cont’d
Mean sea level (MSL) surface is adopted as the
height datum.
Since 1989,the national height datum has been
referenced to the MSL computed using 1952-1979
sea-level observations collected at Qingdao tide
gauge station,
H0=72.260 m
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Ellipsoid and 3D Cartesian Coordinate System
Cartesian coordinate system
Ground point
Geocentera
bSemi-minor axis
Semi-major
axis
South pole
North pole
Definition of ellipsoid
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Parameters and Equations of Ellipsoid
Different countries/regions use different ellipsoids with definite
parameters (a,b)
In China,the following ellipsoidal parameters are adopted
– a=6378140 m
– b=6356755 m
– f=1/298.257
Recommended by 1975 International Geodesy Association
地球扁率 (flattening)
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Normal direction
3D Cartesian Coordinates — Geodetic Coordinates
三维坐标 ——(大地经度,大地纬度,大地高 )
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Other Reference Ellipsoids
f
WGS84 6378137 298.257 American GPS
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Rectangular Coordinate System
The Cartesian/geodetic coordinates of any point may be
transformed into the rectangular coordinates by the rigorous
mathematical formulae such as Gaussian Projection,and vice
versa.
This is involved in map projection.
Such rectangular coordinate system is normally adopted for a
small-area surveying work.
X (Northing)
Y (Easting)
P
XpYp
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Map Projection
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高斯投影,等角 横切椭圆柱投影
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Summary,2+1 Coordinate System
Position referenced to
ellipsoid
Height referenced to
MSL (geoid)
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Remember
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高程 /高差
绝对高程 (海拔 )
–地面点到大地水准面 (实用上为 MSL)的铅垂距离
假定高程 (相对高程 )
–地面点到假定水准面的铅垂距离
高差
–两点间的高程之差
Assumed geoid
MSL (geoid)
hAB
''
AB
ABAB
HH
HHh


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地球曲率对距离的影响
Distance affected by the earth
curvature
RR
SDS


t a n
53 15231t a n
2
33
33
33
1
3
1
3
1
R
S
R
S
R
RRS



2
2
3 R
S
S
S
B A C
B’ A’ C’
B’’ C’’
R
D
O
S
R
S
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地球曲率对高程的影响
Elevation affected by the
earth curvature
)1( s e c
'''


R
OBOBh
42 245211s e c
2
2
2
2
1
2
1
1
2
1
1


R
S
R
Rh
R
Sh
2
2

B A C
B’ A’ C’
B’’ C’’
R
O
R
S
h?
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Comparison of Curvature Effects
Distance S (km) Distance error ΔS (mm) ΔS/S
10 8.2 1/1 220 000
25 128.3 1/200 000
50 1026.5 1/50 000
Distance S (km) Elevation error Δh (mm)
0.1 0.78
0.5 20.0
1.0 78.5
Curvature
effects on
distance
Curvature
effects on
elevation
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六、工程测量的基本工作和要求
原则和要求
–先控制后碎部,从整体到局部
–前一步工作经检核不合格,绝不能进行后一步工作
从工作性质来看,工程测量的范畴包括
–测绘:从地面到图上
–测设:从图上到地面
从工程测量本身不同阶段来看,其范畴包括
–控制测量 (Control survey)
–地形测量 (Topographic survey)
–施工放样 (Setting out)
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Cont’d
基本测量工作
–距离测量 (水平距离或斜距,horizontal or slope distance)
–角度测量 (水平角和垂直角,horizontal and vertical
angles)
–直线方向 (bearing)的确定
–高程测量
h?A
B
A
B
a Sx?
y?x
y
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Surveying Instruments & Equipments
测量距离 (distance measurement)
–尺 (Tape)
塑胶尺 (Plastic)、钢尺 (steel)、铟瓦线尺 (invar)
–测距仪 (distance meter)
电磁波测距仪 (electromagnetic)、激光测距仪器 (laser)
测量水平 /垂直角度 (angle measurement)
–光学经纬仪 (optical theodolite)
–电子经纬仪 (electronic theodolite)
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Cont’d
高差测量 (Height difference measurement)
–光学水准仪 (optical level)
–数字水准仪 (digital level)
一体化仪器 (integrated instrument)
–全站仪 (total station),距离、角度、高差
–全球定位系统 (Global Positioning System,
GPS),三维坐标确定
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Ground-Based Instruments
Plastic tape
Steel tape
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国产水准仪 (Level)
Ground-Based Instruments
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Copyright Yipu PengWild T2 Theodolite
LeicaTCA automatic total
station
全站仪经纬仪
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Copyright Yipu PengGPS (Global Positioning System)
全球定位系统
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Appendix,Measurement Units
斜距、水平距离和垂直距离 (高差 )单位
–英制单位,海里、码,英尺、英寸
–市制单位,里、丈、尺、寸
–公制单位,公里、米、分米、厘米、毫米
角度单位
–10进制单位,新度 (g)、新分 (gm)、新秒 (gs)
–60进制单位,度 (d)、分 (m)、秒 (s)
–弧度 (rad)单位,
1园周 =2?弧 度 =57.38 度 = 3434?分 =206265秒
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Intended Learning Outcomes
掌握普通测量的基本知识,基本理论
正确使用常规测量仪器工具
掌握大比例尺地形图的测绘方法
掌握纵横断面图的测绘法
初步掌握道路工程测量及铁路站场测量方法
初步掌握施工控制网的建立方法和典型工程的施工测量
课堂实验:以班为单位,每四人一小组