工程测量原理与方法

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1、第二讲 工程测量学的原理、方法和技术Theory,way,technology of engineering surveying主要内容：观测量和测量定位原理、地面测量方法和技术、专用测量方法与 技术、空间测量方法与技 术。难 点：专用测量方法与技术、空间测量方法与技术 2 1 概述 工程测量学与大地测量学、摄影测量与遥感学、地图制图学海洋测绘和 测绘仪器 学一样，是现代测绘学的分支学科。它即遵循测绘学的基本原理、 方法和技术，又为 了解决工程和工程建设中的测绘技术问题，工程测量学也 形成了具有自身特点的原 理、 方法和技术， 以及各种专用和通用的测量仪器。 22 观测量和测量定位原理 221

2、工程测量中的观测量 工程测量的实质是： 1通过各种观测量确定客观物体上的特征点在某一坐标系下的三维坐标 （平 面位置 与高程即x, 丫，H）及其随时间的变化。2根据设计坐标（X, Y, Z）通过各种观测量将设计实体放样到实地。观测量：1 角度（方向）观测量 角度观测量又分水平角和垂直角 （高度角） 或天顶距 （观 测方向线与铅垂 线间的夹角） 所用仪器：经纬仪、全站仪 2 距离观测量 两点间的平距、斜距,一点到直线的距离,一点到平面的距离。 所用仪器：钢尺、 皮尺、铟瓦线尺（叫丈量法或机械法） 经纬仪、视距仪（叫视距法或视差法） 测 距仪、全站仪（叫物理测距法） GPS 全球定位系统（伪距法）

3、3 高差观测量 两点正常高程之差 所用仪器：钢尺、水准仪、测距仪、全站仪、液体 静力水准测量（用于工 程变形测量）4 方位角观测量 地面上某一方向线与真北方向的夹角（真方位角） 所用仪器：陀螺 仪（用于矿山、铁路与公路隧道及城市地铁隧道中）222 工程测量中测量定位原理 工程测量的任务：测量、测设或放样 工程测量中 所采用的坐标系统： 1 平面高斯克吕格平面直角坐标系或独立平面直角坐标系 2 高程正常高系统测量定位原理：1高差与高程的测定 不论进行水准测量还是利用水准仪进行高程放样,均是利用水平 视线测定两点之间的高差（如图 2-1 ）:EaHabHbHab=a-b如A点的高程已知，贝U B点

4、 的高程为：h ab = h A hAB对于三角高程测量中的高差计算:二 hi2 v2So 剛12 - h 文地水准面前进方向水平视线JSo :为两点之间的实测水平距离，：-12 :为P、N两点间的垂直角，I、V2 :分别为仪器高和站标高， C 为球气差系数，有：1 - KC二一一其中K为大气垂直折射系数，R为参考椭球面上弧AB的曲2R 率半径。也可以将So化算为高斯投影面上的长度d进行计算，对于对向观测，还 可以用下式进行计算：12= h (i1 v212) (i2 v2)=h12式 中:y m2)巾 12 W R 2R” 1 h =d tan (:12*h21)2Hm :为 A、 B 两点

5、的平均大地高ym :为 A、 B 两点到中央子午线的平均横坐标。2点的平面直角坐标的测定 目前比较常用的确定点位的方法有极坐标法、测角前方交会法 极 坐标法的原理如下：已知:B两点，求P点的坐标Xp =xB +s cosBP Y =YB +S SINGPBG BPXP = XB +S COS0BA+aP )YP =YB +S SIN0BA+GP)t YB_yaBAarcta nBX _ X ABA、B为已知点，P点为待定点，B和S分别为水平角和水平距离，加上各种改正计算得到。当用于放样时过程相反：P点的坐标已知，通过坐标反算可求取AP的边长、 AB和AP的方位角，从而得到放样元素a和SAP :

6、AB - APSap（ Xb=Xa）2礼匚 丫人）2通过放样元素在实地上标定出P点测角前方交会的原理：a、B为观测角，P点为待定点（如图）X gXb ct （Yb-YJYa COt 1 YBCOL （XBCt x cot :Xa）cot 二 1 cot :2点的空间三维直角坐标的测定在工业测量中，如图所示的坐标系，待定点P的三维空间直角坐标米用前方交会 法，按下式计算：PA/|sin P2 cosX = L n；sin ( S. sin 卩sin2sin+ P2 ).sin P2 tanjK sg2) sinP2 tana2 2二1Z=ZZ2_sin( V ：2)tan ：12“ -2和斜、2

7、为在A B两点上架设仪器所测的P点的水平角和垂直角， L 为两台仪器间的水平距离， 12为两台仪器间的垂直角仪器实测的是方向值G和rBp，设两台仪器间的方向值为ap和阮则有：J 7上 卩2 = Tap - rBA我们把确定初始参数ab、ba、12和L的值称为系统定向。设两台仪器间的高差为：lH12 =L tan_ 其中：L：用基准尺进行丈量得到因此，系统定向主要为确定参数 ： B、 BA2. 3 通用的地面测量方法和技术2. 3. 1 经典的地面测量方法与技术一、角度与方向测量1、光学经纬仪测角 光学经纬仪是一种普通的测角仪器，在控制测量中用于各种等级的测角 网、边角 网、导线网等，在工程测量

8、规范中按测角精度分为DJ1、DJ2、DJ6几种型号，比较典型的仪器为 T2、T3。2、陀螺经纬仪定向图中： C表示仪器常数、三北方向及其之间的关系Ao精密导线边或三角网边的地理方位角:0地面精密导线边或三角网边的坐标方位角:T陀螺方位角C 子午线收敛角A 井下定向边的地理方位角子午线收敛角= 井下定向边的坐标方位角: T陀螺方位角、陀螺经纬仪的定向作业过程、在地面已知边上测定仪器常数仪器常数：通常陀螺经纬仪轴的稳定位置不与地理子午线重合，二者的夹角称为仪器常数。将仪器安置在已知边上通过测定陀螺 方位角:T来求算仪器常数。八-AO -T(2)、在井下定向边上测定陀螺方位角井下定向边的长度应大于3

9、0米，将仪器安置在C测定:rA = : T 、仪器上井后重新测定仪器常数、求算子午线收敛角一般地面精密导线边或三角网边已知的是坐标方位角：0，需要求算的井下定向边，也是要求出其坐标方位角，而不是地理方位角A,因此，需要求算子午线收敛角。Ao八0 00当仪器所在点在中央子午线以东为正，以西为负，其值可根据安置仪器点的高斯平面坐标求算：=K y式中： 以分为单位K系数，以纵坐标x(以公里计)为引数由表中查，丫点的横坐标，KM、求算井下定向边的坐标方位角卜=人 一 F00 -井下定向边的坐标方位角为：】=A -_ * 厶平_ 因此：a = a0 _ &T -aT数，可用下式计算=y。 _ y式中：单

10、位为秒；亠=：32.23tg（为当地纬度，在地面和井下点 的距离不 超过 10 公里，纬度不超过 60 度是采用）y0 和 y 是地面和井下定向点的横坐标。、长度测量1、 机械法包括铟瓦线尺悬空丈量法、皮尺和钢尺量距2、 视距法利用视距装置由上下丝进行间接测距的方法3、 电磁波测距 电磁波测距包括：脉冲式光波测距、相位式光波测距、微波测距三种。其中相位测距使用最广。其测距公式为：1CD _o K式中：C。为真空中的光速，f4 二 f n为调制频率，n为大气折射率，为相位值，K为仪器常数。测距误差分：固定误差（与测距无关），比例误差（与距离成比例）。 大气 折射误差和相位测定误差是测距的主要误差

11、。降 低相位误差 是提高调制信号频率，降低大气折射误差 是通过测定沿光路 的气象元素（温度、气压、湿度）， 所以对于一台仪器影响 测距精度最大的是大气折射率 误差。三、高程测量1、 光学几何水准测量 几何水准由于其劳动强度大，不易实现自动化，迄今仍是高程控 制和高 程传递的基本方法。在工程测量中，主要采用国家基准和等级 水准点作为高 程联测点。目前采用的仪器按每公里往返平均高差中误 差大小分为： S05 S1、S3 S10。2、 电磁波测距三角高程 目前，在丘陵、山区电磁波测距三角高程可代替三、四等水准测 量。由 于折射系数误差对高程测定影响随边长的平方增长，因此， 测距边长应受到 相应的限制

12、，当视线长 200 米时精度可达到一、二 等，代替三、四等水准 对应的视线长分别为 700 米和 2100 米。实际 工作中为了提咼精度除进行 对向观测外有时有意抬咼站标咼。四、近景摄影测量（略）2. 3. 2 现代地面测量方法与技术二、电子全站仪（略）三、测量机器人（Georobot）测量机器人俗称自动寻标电子全站仪， 测量机器人系统包括：坐标参 考系， 操作系统，激励器，计算机和控制器，闭路控制传感器，决定 制作，目标捕 获和集成传感器。 实现了地面测量的作业自动化， 代替 了人照准和读数。 其作业方式有主动式和被动式两种。主动式作业方式：从镜站发射信号用以遥控指挥仪器进行照准读数。 测量

13、数 据通过无线电线通信在镜站显示， 可用于大 比例尺测 图和施工放样，其测程在数百米以内。被动式作业方式：在镜站发射信号，需要在测站上进行一次初始测量， 机器 人具有自学功能， 自后的重复测量由完全仪器 自动完 成，这种模式主要用于具有许多目标的变形 监测及大型 工程的施工放样测量。自动跟踪功能：用于水下地形测量中的平面位置测量， 三维工业测量。四、电子水准仪电子水准仪是通过对标尺的图象经过一段空气在望远镜像平面处 CCD 车列上编码经过运算得到数字读数，同时具有记录、检核、传 输、 计算、数据处理功能。24专用测量方法 工程测量的专用测量方法和技术集中反映在仪器上，主要用于精密 工程 测量、

14、三维工业测量和工程建筑物的变形监测。包括精密测角、距离、高程、 倾 斜、基准线（偏距） 、定位测量、精密投点。主要特点是高精度、自动化、 遥测、持 续观测。一、精密角度测量 精密角度测量主要采用的是精密光学经纬仪、精密电子经纬仪 和精密陀螺经纬仪（测定某一方向线与真北方向之间的水平角） 。目前电子经 纬仪的 测角精度已达到测角的极限精度 0。5秒。电子经纬仪采用光电侧 角法，又分编 码法、动态法和增量法，前两种属于绝对法，后一种属于 相对法。测角分粗测和 精测两步，因为，光电测角消除了读数误差、度 盘偏心误差和刻划误差，所以， 其测角精度主要由对中误差、照准误差 和外界大气条件的影响。常见的有

15、：用于飞机、轮船、汽车外形测量（两台仪器空间交会） 用于滑坡 监测用于大型特种工程施工测量二、精密距离测量 主要采用机械法和光电法。机械法包括各种定长杆尺和定长铟 瓦线 尺配合测微装置组成的量测仪和测量距离变化的应变仪、伸缩仪。光电 法分 为干涉法和相位法。精密测距按测程分为中长距离（数十公里） 、短距离（ 10米）和微距 离 （毫米至米）。三、精密水准测量 精密水准测量的专用测量方法和技术主要是微水准测量、激光 扫平 水准测量和液体静力水准测量。前两种采用专用的微型水准尺和激光水 准 仪，后者采用连通管原理，通过传感器测量液面密度来获取测点高程。1、微水准测量微水准测量：采用短视线的观测方法

16、。原因：精密水准测量的主要误差来源有： 照准误差和读数误差，仪器 检校 后的剩余误差，温度变化对仪器和标尺的影响，标尺分化划误差 和标尺弯 曲，标尺底面不水平，在观测过程中仪器和标尺下沉、 视场 影象跳动和折光 影响，对大范围水准测量，重力、潮汐和地壳运动的 影响，对于自动安平水 准仪，还应顾及磁场的影响。减短视线是克服 上述误差的有效途径。2、液体静力水准测量根据连通原理，将两个或多个容器连接起来，液面状态可由贝努 利方程 描述：P s 二 cP1 rg1Hi = 12 : 2 g2 H 2式中：P为作用在液面上的大气压力，P为液体的密度，g为 重力加速度， H 为液面高度， C 为常数。如

17、图将 C1、C2 置于 A、B 两点上，容器分别用水管和气管连接，当容器 处于封 闭状态时，P不变。当采用同一种液体，p、g相等，当各容器液面处于平衡状态 时，有：屯也b hb 为液面读数， h 为零点间的高差，即 h=a-b 目前测定液面高度的方法： 、目视法、电子传感器法（精度能达到001m m的瞬时变化）四、倾斜测量倾斜测量又称挠度曲线测量，是确定被测对象（如桥、塔）在竖直 平面内相 对于水平基准线（面）或铅直基准线（面）的挠度曲线。五、精密基准测量精密基准测量又称精密准直测量，是直线型设备精密安装或水平位移精密测量的一种方法。基本原理是在两个基准点之间通过光学视准线 或机械引张线或激光束建立一条基准线，测出设备上的观测点偏离该基 准线的偏离值，从而把设备调整安装到该基准线上或测出水平位移观测 值。常用的方 法有三种：光学法、机械法和光电法。六、精密投点 精密投点是将一个高程面上的点在垂直方向上精确地投影到另一个 高程 面上的测量，其精度为毫米级到厘米级。常用的方法有机械法和光 学投点法。七、三维工业测量利用光学和摄影测量原理， 在航空航天、 汽车和船舶等现代工业中为 进行产品 质量控制而提供在特定坐标系下的精确三维坐标的测量工作。八、混合测量系统 混合测量系统是将多种测量仪器和方法集成在一起的测量系统。 如： 电子全站 仪上装配 GPS 它将是以后工程测量的发展方向。