工程测量基础知识

1基础知识
测量学是研究地球的形状和大小以及确定地球表面（包括空中、地面和海底）点位关系的一门科学。

工程建设三阶段：勘测设计、施工建设、运营管理。

一、建筑工程测量的任务及作用：
(1) 地形测图，亦称测定（测绘）
它是利用各种测量仪器和工具，将地面上局部区域的地物和地面起伏得形状、大小，按一定的比例尺缩小测绘成地形图，为工程建设的规划、设计和施工提供服务。

(2) 施工放样，亦称测设（放样）
它是将图纸上规划、设计好的建筑物位置、尺寸测设于地面，作为施工依据，并在施工过程中，配合工程进度进行一系列测量工作，以保证工程质量。

(3) 变形测量
对于一些大型或重要的建筑物，在施工和运营期间，要定期进行变形观测，了解其变形规律，以确保建筑物的安全。

二、地面点位的确定：确定地面上一点的空间位置，需要用三个量来表示，在测量工作中，是用地面点在基准面（参考椭球面)上的投影位置坐标和该点沿投影方向到基准面（大地水准面）的距离来表示的。

三、用水平面代替水准面的限度
（1）地球曲率对水平距离的影响：在半径为10km 的范围内，地球曲率对水平距离的影响可以忽略不计，即可以用水平面代替水准面。

（2）地球曲率对高程的影响：当距离为100m 时，在高程方面的误差就接近1mm ，这对高程测量的影响是很大的，所以地球曲率对高程的影响是必须予以考虑的，即尽管距离很短，也不能以水平面代替水准面。

四、测量基本工作：角度测量、距离测量、高程测量。

五、测量工作应遵循的基本原则：“从整体到局部”“先控制后碎部”。

其目的是：防止测量误差的积累，保证测量精度；同时由于建立了统一的控制网，把碎部测量划分成几部分来进行，可以加快测量进度。

测量工作的基准线是：铅垂线
测量工作的基准面是：水准面
测量计算的基准面是：参考椭球面
水准面：设想由一个静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，曲面上处处和铅锤方向相垂直，这个静止的海水面称为水准面。

大地水准面：海水受潮汐影响，时涨时落，所以水准面有无数个，其中与平均海水面重合的水准面称为大地水准面，是测量工作中点位投影和计算点位高度得基准面。

由于参考旋转椭球体的扁率（α＝1298.257＝长半径a−短半径b
长半径a ） 很小，为计算方便，常把地球近
似看作圆球，其半径为6371km 。

参考椭球体：常选用一个能用数学公式表示其形状和大小，且与大地水准面很接近的旋转球体作为地球的参考形状和大小，并将这个旋转椭球体称为参考椭球体。

在测量工作中，常采用高斯横圆柱投影（一种正形投影）的方法来建立平面直角坐标系统。

绝对高程：地面点沿铅垂线方向至大地水准面的距离称为该点的绝对高程或海拔（绝对高程
是一定的），以H表示。

相对高程：地面点沿铅垂线方向至任意水准面的距离成为该点的相对高程，亦称假定高程（不一定）。

我国目前采用的是“1985年国家高程基准”，以黄海平均海水面作为高程起算的基准面，其高程为72.260m。

高差：地面上两点的高程之差称作高差，用h表示，A、B两点的高差为ℎAB=H B−H A。

确定地面点位的三个基本要素：水平距离、水平角、高差。

测量上将地物和地貌统称为地形。

1度(d)=60分(m)=3600秒(s) 1°=60′=3600″=0.01745rad 1圆周角=360°=2πrad
测量计算数值凑整规则：四舍五入（大于5者进，小于5者舍）等于5者看前面数值，奇进偶不进eg：2.7335→2.734，2.31439→2.314，4.62550→4.626，4.62650→4.626
2水准仪及其使用
水准测量的原理是利用水准仪提供的水平视线，根据前后点水准尺的读数，测定两点的高差，从而由一点的已知高程，推算另一点的高程。

高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同，分为水准测量，三角高程测量和气压高程测量
水准仪主要由望远镜，水准器，托板和基座几部分组成
望远镜由物镜——对光透镜——十字丝分化板——目镜组成，十字丝主要是用来瞄准目标和读数的。

视距丝是用来测定距离的，上下视距丝分别成为上丝和下丝，距离=|上丝-下丝|×100。

十字丝交点与物镜光心的连线，称为望远镜视准轴，是用以瞄准和读数的视线。

望远镜的作用是提供一条瞄准目标的视线，并将远处目标放大，以提高瞄准和读数的精度。

圆水准器安装在托板上，其轴线与竖轴平行，所以当圆水准器气泡居中时，仪器的竖轴已基本处于铅锤位置。

旋转脚螺旋可使圆水准器的气泡居中。

整个仪器用中心连接螺旋与三脚架连接
水准尺常选用干燥且伸缩性小的优质木材制成。

DS 3型微倾式水准仪的使用：安置水准仪，粗平，瞄准，精平，读数。

当眼睛在目镜端上下少量移动时，尺面影像与十字丝有相对运动，这种现象称为视差。

视差产生的原因：目标成像平面与十字丝平面不重合。

当欲测高程点距已知高程点较远或高差较大时，安置一次仪器不可能求得其高差，必须在两点之间设立若干个转点，连续安置仪器，分别测得各站高差，其高差总和即为预测两点之间的高差。

水准尺一般为红、黑面，一对双面水准尺的黑面起始读数均为零，而红面起始读数则分别为4.687和4.787。

四等水准测量的观测方法
照准后视尺黑面，读取上丝、下丝及中丝读数
照准后视尺红面，读取中丝读数
照准前视尺黑面，读取上丝、下丝及中丝读数
照准前视尺红面，读取中丝读数
以上观测程序简称为后——后——前——前，对于三等水准测量，应采用后——前——前——后的观测程序
水准仪各轴线应满足的几何条件是：
1.圆水准器轴应平行于竖轴
2.十字丝横丝应垂直于竖轴
3.水准管轴应平行于视准轴
在使用水准仪进行水准测量之前，必须对仪器进行检验，如不满足以上要求，则应进行校正水准测量误差产生的种类：
1仪器误差
仪器校正后的残余误差；水准尺的误差
2观测误差
视差；水准管气泡的居中误差；读数误差；水准尺倾斜的误差
3外界因素的影响
仪器和尺垫下沉的误差；地球曲率和大气折光的影响；温度的影响
水平角就是地面上相交的两方向线之间的夹角在水平面上的投影
竖直角就是在同一竖直面内仪器中心至目标的倾斜视线与水平视线所夹的锐角（同一竖直面，视线方向和水平线方向的夹角），角值范围-90°～+90°
3经纬仪及其使用
光学经纬仪主要由照准部，水平度盘和基座三大部分组成
照准部由望远镜、支架、横轴、竖轴、读数显微镜、照准部制动和微动螺旋、望远镜制动和微动螺旋、竖直度盘、竖直度盘指标水准管、竖直度盘指标水准管微动螺旋、反光镜、照准部水准管和光学对中器组成
基座是用来支撑整个仪器的底座，利用中心螺旋使经纬仪与三脚架相连接，作用是连接和整平
读数上部水平度盘H，下部竖直度盘V
光学经纬仪的使用包括对中、整平、瞄准和读数
对中的目的是使仪器的中心与测站点的中心（即角度的顶点）位于同一铅垂线上，可采用垂球对中或光学对中两种方法
整平的目的是使仪器的竖轴垂直水平度盘处于水平位置
在测量中，为了提高测角的精度，往往要观测多个测回，同时，为了降低度盘刻划误差
计算（n为测回数）。

的影响，在每个测回开始观测时，应变换度盘的位置，变换数值按照180°
n
例如：要观测4个测回，则每个测回起始读数应分别设置为略大于0、45、90、135附近
全圆测回法又称为方向观测法，用于观测两个以上的方向，其步骤如下：
（1）、将经纬仪安置于观测点O对中、整平
（2）盘左瞄准起始目标A配盘于0°附近，读取水平度盘读数，记入表中。

松开照准部和望远镜的制动螺旋按顺时针方向依次瞄准目标B、C各点，并再次瞄准起始目标A，将其读数分别记入表中，即测完上半测回。

在半测回中，两次瞄准起始目标A的读数差称为“归零误差”，一般不得大于24″。

（3）倒转望远镜，盘右按逆时针方向依次瞄准A、C、B、A，将各目标的水平读盘读数由下而上分别记入表中，即测完下半测回。

以上为一测回的观测工作，若要测n个测回，则每个测回开始时要按180°
的角度间隔变
n
换水平度盘的起始读数。

①由于起始方向A 有两个盘左、盘右平均值，则将这两个平均值再取平均，作为目标A 的方向值计入表3.3第五栏上方括号内
②计算“归零方向值”，将各方向的平均值减括号内的起始方向平均值，即得各方向一测回的归零方向值，记入表3.3第六栏内
③计算“各测回归零方向平均值”，各测回同一方向的归零方向值应很接近，其差数称为归零方向值之差，一般不得大于24″，如在允许范围内，则取其平均值作为各测回归零方向平均值，记入表3.3第七栏内。

④计算“水平角值”，将相邻归零方向平均值相减，即得相邻方向所夹的水平角，记入表3.3第八栏内。

一侧站上各水平角之和应为360°，以此作为计算的校核。

4距离测量及直线定向
视线水平时视距测量公式：D=Kl （K=100,l 是上丝下丝之差）
视线倾斜时视距测量公式：D=Kl α2cos （α是竖直角）
距离测量是测量地面上两点之间的水平距离。

常采用的测量方法有钢尺量距、视距测量和电磁波测距。

量距精度：在平坦地区，量距精度要达到1/3000以上，在困难地区要达到1/1000以上。

直线定向：确定地面上两点间平面位置的相对关系，除了要知道两点间的水平距离外，还必须确定这条直线的方向，确定一条直线与标准方向之间的水平角，称为直线定向。

标准方向分为真子午线方向，磁子午线方向，坐标纵轴方向。

方位角：由标准方向的北端开始，顺时针方向量至某直线的水平角，称为该直线的方位角。

象限角：由标准方向的北端或南端开始，顺时针或逆时针方向量至某直线的锐角，成为该直线的象限角。

正反坐标方位角：由坐标纵轴的北端开始，顺时针方向量至某直线的水平角，称为该直线的坐标方位角。

以A 为起点、B 为终点的直线AB 的坐标方位角αAB ,称为AB 直线的正方位角；
则直线BA的方位角αBA，称为AB直线的反方位角，一条直线的正反方位角相差180°。

5测量误差的基本知识
观测误差：通常把观测值与观测值，观测值与理论值之间的差异，称为观测误差。

（不可避免的）
观测误差的来源：仪器误差、观测者的误差、外界条件的影响。

观测误差的分类：系统误差、偶然误差。

偶然误差的特性：
①在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限值（界限性，说明误差范围）
②绝对值较小的偶然误差比绝对值较大的偶然误差出现的机会多（单峰性，说明误差值大小出现的规律）
③绝对值相等的偶然误差出现的机会相等（对称性，说明误差出现的符号规律）
④当观测次数无限增加时，偶然误差的算术平均值趋近于零，即：lim
n→∞[Δ]
n
=0，式中n—
—观测次数，[ ]——表示求和，[Δ]=Δ1+Δ2+......+Δn（抵消性，是由第三个特性导出的）
真误差：用X表示真值，用L表示观测值，则真值与观测值之差称为真误差（Δ），用Δ表示
Δi=L i−X（i=1,2,3，...........）
在测量学中，三角形内角和的真误差通常称为三角形闭合差。

精度：指该组观测值误差分布密集或离散的程度。

在误差分布曲线图中，陡峭的误差曲线，误差分布密集，小误差出现机会多，精度高；平缓的误差曲线，误差分布离散，观测精度低。

中误差:
（1）设在等精度条件下，对某量进行n次观测，其观测值分别为L1、L2、.....、L n相应的真误差分别为Δ1、Δ2、.....、Δn，通常取各个真误差平方和的平均值的平方根作为中误差m，即：
m=±√[ΔΔ]
n
式中m——一次观测值的中误差
[ΔΔ]——平方和，[ΔΔ]=Δ12+Δ22+...+Δn2
n——观测次数
中误差不等于真误差，它只表示，该观测列中每个观测值的精度，中误差m的大小反映了这组观测值精度的高低，由于是等精度观测，故每个观测值的精度是相同的，均为m，但是该组观测值的真误差彼此并不相等，这是由于真误差具有偶然误差的特性。

（2）由改正数计算中误差：
改正数：观测值的算术平均值x与观测值L i的差数称为改正数，用υi表示，即：
υi=x-L i（i=1,2,3，.......n）
经过推算得用改正数υ来计算观测值中误差的公式，
即：m=±√[υυ] n−1
（大多数情况下因为不知道真值X，所以用这个公式的几率更大）
容许误差：通常将3倍的中误差作为偶然误差的的容许值，称为容许误差，即：
Δ
容
=3m
在实际工作中，有时对精度比较严格，规定2倍中误差作为容许误差，即：
Δ
容
=2m
相对中误差：中误差与观测值之比，一般用K来表示
K=|m|
L
（一般要换算为分子为1的分数）
观测值函数的中误差
算术平均值的中误差M
M=
√n
根据该公式，可推测出，如果已知某仪器一测回的测角中误差m及规定某角应达到的经测角精度M,则测量该角所需的测回数n可用下式计算:
n=(m
M ) 2
6小地区控制测量
控制网按其性质分为平面控制网和高程控制网。

测定控制点平面位置的工作称为平面控制测量，测定控制点高程的工作称为高程控制测量。

小地区控制网：在小范围内建立的控制网称为小地区控制网。

导线测量是建立平面控制网的一种方法，是用连续的折线把各控制点连接起来，测其边长和转折角，以推算各控制点坐标。

因此，导线按布置形式的不同可以分为如下三种：闭合导线、附合导线、支导线。

导线测量的等级及主要技术要求
导线测量的外业工作：踏勘选点、转折角测量、边长测量、导线的定向和连接。

踏勘选点：踏勘选点的任务是根据测图的目的、要求和测区的具体情况，拟定导线的布置形式，实地选定导线点并设立标志
转折角测量：导线的转折角用经纬仪按测回法进行观测。

转折角有左角和右角之分，在导线前进方向左边的角度称为左角，右边的角度称为右角。

附合导线一般观测左角，闭合导线观测右角，对于图根导线，用D J6型经纬仪测一个测回,半测回差不得超过±36″，方位角闭合差不得超过±60″√n（n为测站数）
边长测量：边长测量可用检定过的钢尺，按钢尺量距的一般方法进行量距，往、返丈量各一次，边长丈量较差的相对误差一般不得超过1/3000，在特别困难地区允许到1/1000
导线的定向和连接：①对于独立导线，用罗盘仪测定起始边的正、反磁方位角取平均值作为定向的依据②对于连接到高级控制点上的导线，要观测连接角，以便借助于高级控制点的方位角来推算各导线边的方位角。

导线测量的内业计算
一、闭合导线的内业计算
角度闭合差的计算与调整
从几何原理可知，n边形闭合导线内角和的理论值应为：
∑β
理
=（n-2）×180°
由于观测存在误差，测得的内角总∑β测和与理论值∑β理有一差数，此差数称为角度闭
合差，用fβ表示，即：fβ=∑β-（n-2）×180°
对于图根导线，规范规定为：
fβ容=±60″√n
若fβ≤fβ容，可将反其符号平均分配到各内角观测值上，设各角度改正值为Δβ，则：
Δβ=−fβ
n
若算出的Δβ带有小数，可适当进行凑整至秒，使改正后的内角和等于∑β理。

改正后的角
度用表示β’，即：
β’=β
测
+Δβ
例如：Δβ=−fβ
n =−−27″
4
=+6.75″。

四边形中，为了使改正值凑整至秒，将边长较长的夹角改
正+6″，其余各角改正+7″、+7″、+7″（7+7+7+6=27）
坐标方位角的推算
根据起始边的坐标方位角及改正后的角值，推算各导线边的坐标方位角。

推算导线方位角的公式为：α前=α后±180°−β’
坐标增量的计算与坐标增量闭合差的调整
{Δx =D cos αΔy =D sin α
坐标增量闭合差，分别用f x 、f y 表示，即
{f x =∑Δx f y =∑Δy
导线全长闭合差，用f 表示
f =√f x 2+f y 2 一般用f 与导线全长∑D 的比值K 来衡量其精度，K 称为导线全长相对闭合差，即： K=f
∑D =1
∑D f
坐标增量改正数为：
{υx =−f
x ∑D ×D i υy =−f y ∑D ×D i 改正后的坐标增量为
{Δx ’=Δx +υx
Δy ’=Δy +υy
二、附合导线的内页计算
高程控制测量
三角高程测量原理
三角高程测量是根据测站点与未知点两点间的水平距离，以及测站点向未知点目标所观测的竖直角，按三角公式计算两点间的高差，进而推算未知点高程。

将仪器安置于A 点标杆立于B 点，量取仪器高I 及标杆高s ，用望远镜的中丝瞄准杆顶，测得竖直角α，根据两点间的水平距离D ，即可按下式求得A 、B 两点间的高差，即：
ℎAB =D ×tan α+i −s
则B 点高程为：
H B =H A +ℎAB
地球曲率计算公式：
Δh=D2 2R
地球曲率和大气折光联合影响的球气差改正数f为：
f=0.43D2
R
用三角形高程测量的方法传递高程，当距离超过300m时，应加球气差改正，这时的高差计算公式变为：
ℎAB=D×tanα+i−s+0.43D2
R
三角高程测量的施测方法
（1）安置仪器于测站上，量取仪器高I及目标高S
（2）瞄准目标，采用测回法观测竖直角α，取平均值作为最后结果
（3）应用公式计算高差
大比例尺地形测量
比例尺：地形图上某一线段的长度与地面上相应线段的水平距离之比称为比例尺。

比例尺的表示方法有两种，数字比例尺和图示比例尺。

等高线：等高线是指地面上高程相同的相邻点所连成的闭合曲线，通常用等高线表示地貌。

等高距：相邻两等高线间的高差称为等高距（或等高线间隔），用h表示。

等高线平距：相邻等高线间的水平距离称为等高线平距，用d表示。

等高线的分类：
①首曲线（0.15mm的细实线表示）在同一幅图上，按规定的等高距测绘的等高线称为首曲线
②计曲线（0.3mm的粗实线表示）为方便于读图，每隔四条首曲线加粗描绘一条能被5整除的等高线，这些加粗的等高线称为计曲线
③间曲线和助曲线（0.15mm的细长虚线，0.15的短虚线）当首曲线不足以显示局部地貌特征时，可加绘1/2基本等高距的等高线，称为间曲线，还可加绘1/4基本等高距的等高线，称为助曲线。

等高线的特性
（1）同一条等高线上的各点高程相同。

（2）等高线应是一条闭合曲线，若不在本图幅内闭合，就必在相邻的图幅内闭合。

只有遇到用符号表示的峭壁和坡地时才能断开。

（3）除峭壁或悬崖外，不同高程的等高线不能重合或相交。

（4）等高线与山脊线和山谷线正交，且山脊的等高线向低处凸出，山谷的等高线向高处凸出。

（5）在同一幅地形图上等高距相同。

等高线越密，表示地面坡度越陡，等高线越细，表示地面坡度越缓。

1、工程测量：是一门测定地面点位的科学。

2、大地水准面：代替海水静止时水面的平均海水面是一个特定的重力等位的水准面（面上处处与重力方向线正交）。

3、铅垂线：重力方向线。

4、绝对高程：地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。

5、中央子午线：高斯分带投影中，位于各带中央的子午线。

6、水准测量：又名几何水准测量，它是用水准仪和水准尺测定地面两点高差的测量。

7、望远镜视准轴：望远镜目镜中心十子丝交点与物镜光心的连线。

8、水准路线：在两水准点之间进行水准测量所经过的路线，也就是所经路线上各高程点的连线。

9、水准点：用水准测量方法建立的高程控制点。

10、高差闭和差：在水准测量中，由于误差的存在，使得两点间的实测高差与其理论值不符。

11、水平角：一点至两目标方向线在水平面上投影的夹角。

12、竖直角：在同一竖直面内一点至目标倾斜视线与水平线所夹的锐角。

13、竖盘指标差：竖盘子指标水准管气泡居中时，竖盘指标不是恰好指在始读数上，而是与之相差一个x角。

14、照准部偏心差：照准部旋转中心与水平度盘分划中心不重合，指标在度盘上读数时产生的误差。

15、照准误差：视准轴偏离目标与理想照准线的夹角。

16、直线定线：在欲量直线的方向上标定出一些表明直线走向的中间点的工作。

17、端点尺：以最外端作为零点位臵的钢尺。

18、刻划尺：在前端刻有零分划线的钢尺。

19、尺长改正：钢尺实际长度与名义长度的差值。

20、温度改正：钢尺检定时的温度与用之进行丈量时温度一般不相等则由于温度变化引起钢尺本身热胀冷缩所导致的尺长变化。

21、直线定向：确定直线与一基本方向线之间的水平夹角，以表达直线方位。

22、方位角：以直线端点的子午线北端起算，顺时针方向量至直线的水平夹角。

23、象限角：以直线端点的子午线北端或南端起算，量至直线的锐角。

24、子午线收敛角：地面上两点真子午线间的夹角。

25、轴北方向：坐标纵轴（x轴）正向所指方向（轴子午线北端所指方向）。

26、误差：在测量中，由于仪器本身不尽完善、观测者的局限性以及外界条件的影响，使得观测值不可避免地与其理论值不符。

27、系统误差：观测误差在正负号及量的大小上表现出一致的倾向，即按一定的规律变化或保持为常数，这类误差称为。

28、偶然误差：观测值结果的差异在正负号和数值上都没有表现出一致的倾向，即没有任何规律性，例如读数时估读小数的误差等等。

29、误差传播定律：是一种阐明直接观测值与其函数之间的误差关系的规律。

30、权：就是衡量不等精度观测值在计算中应占的比例数。

31、平面控制测量：在全测区范围内选点布网，测定控制点平面位臵x、y的工作。

32、导线：将测区内相邻控制点连成直线而构成的折线。

33、图根点：直接用于测图的控制点。

34、导线相对闭合差：在导线测量中，实际计算出的闭合（或附合）导线坐标并不闭合（附合），存在着一个终点点位误差f，f与导线全长的比值。

35、归零差：在用全圆方向观测法测量水平角时，两次照准起始方向的读数差。

36、比例尺精度：按比例尺缩小，相当于图上0.1的地上水平距离（0.1*m）。

37、等高线：地面上相邻等高点连接而成的闭合曲线。

38、等高距：相邻两等高线之间的高差。

39、地貌特征线：地表相邻坡面的交线，即相邻特征点的连线。

40、示坡线：垂直绘在等高线上表示坡度递减方向的短线。

41、视距测量：是根据几何光学原理，利用望远镜视距丝（上、下丝）同时测定地形点距离和高差的一种方法。

42、碎部测量：是以图根控制点为测站，测定周围碎部点的平面位臵和高程，并按规定的图式符号绘成地形图的一种测量方法。

简答题
1、工程测量的定义及其主要任务是什么？
答：工程测量是一门测定地面点位的科学。

其主要任务是：测图、用图、放样（放图）。

2、测量上所采用的平面直角坐标系与数学上所用的直角坐标系统有何不同？答：坐标轴互换；象限编号顺序相反。

3、什么叫大地水准面？测量中的点位计算和绘图能否投影到大地水准面上？为什么？
答：通过平均海水面并延伸穿过陆地所形成闭合的那个水准面。

不能，因为大地水准面表面是一个凹凸不平的闭合曲面，这给测量中点位计算以及绘图投影带都会带来很大麻烦。

4、测量选用的基准面应满足什么条件？为什么？
答：条件：1）基准面的形状和大小，要尽可能地接近地球的形状和大小；2）要是一个规则的数学面，能用简单的几何体和方程式表达。

这是因为：1）所有的测量工作都是在地球表面进行的，是以地球为参照的，所以要保证测量工作的真实性和准确性；2）为了尽可能地方便测量中繁杂的数据计算处理。

5、水准仪必须满足哪些条件？
答：1）水准管轴平行于视准轴；2）圆水准器轴平行于仪器竖轴；3）当仪器整平后，十字丝必须满足水平的条件。

6、为什么把水准仪安臵在距离前后视两根尺子大致相等的地方？
答：可以消除或减弱视准轴水平残余误差、对光透镜进行误差、地球曲率误差、大气折光误差等对高差观测值的影响。