工程测量学

1.工程测量学定义：
定义一：工程测量学是研究各种工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。

定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段所进行的地形和有关信息的采集和处理，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科，它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。

定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。

2.按工程建设阶段划分
• 工程测量按工程建设的规划设计、施工建设和运营管理三个阶段分为“工程勘测”、施工测量”和“安全监测”。

• 规划设计阶段：主要是提供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质勘探，水文地质勘探以及水文测验等进行测量。

对于重要的工程区的稳定性监测。

•建设施工阶段：建立施工控制网，工程建筑物定线放样，施工质量控制，开挖与建筑方量测绘，工程竣工测量、变形观测以及设备的安装测量等。

• 运营管理阶段：工程建筑物的变形观测：水平位移、沉陷、倾斜以及摆动等定期或持续监测。

建立工程进管理、维护信息系统。

主要内容：模拟或数字的地形资料的获取与表达；工程控制测量及数据处理；建筑物的施工放样；大型精密设备的安装和调试测量；工业生产过程的质量检测和控制；工程变形及与工程有关的各种灾害的监测分析与预报；工程测量专用仪器的研制与应用；工程信息系统的建立与应用等。

3.结构体系：
特殊与一般、纵向与横向处理相结合
特殊：每一工程的特殊性
一般：指各种工程的共性
纵向处理：是指按工程建设的三个阶段阐述测量工作的理论、方法和技术；
横向处理：按典型工程分别进行讲述。

4.工程施工建设阶段的测量工作：
工程施工阶段的测量工作主要是按设计要求将设计的建构筑物位置、形状、大小及高程在实地标定出来，以便进行施工；另一方面作为施工质量的监督，还需进行工程质量监理。

施工测量工作：
不同的施工的对象，其施工测量工作程序基本上是一致的。

主要的测量工作有：
施工控制网的建立、施工放样、竣工测量。

施工放样的原则与工作程序：“从整体到局部”、“先控制后碎部”
施工放样的主要内容:
•放样依据的选择,即放样已知点的选择
•选择放样方法
•计算放样元素
监理测量工作：
•在正式施工开始时，对控制网进行全面复测、检查
•验收承包人的施工定线
•验收承包人测定的原始地面高程
•对桥梁施工还需进行桥梁下、上部结构的施工放样的检测
•对每层路基的厚度、平整度、宽度、纵横坡度进行抽查，检查施工单位的内业资料是否真实
•审批承包人提交的施工图
5.工程营运管理阶段的测量工作:工程运营管理阶段测量工作的主要任务是工程建筑物的变形观测。

在工程建筑物运营期间，为了监视其安全和稳定的情况，了解其设计是否合理，验证设计理论是否正确，需要定期对其位移、沉降、倾斜以及摇摆等进行观测，称为变形观测。

各种工程在运营中的测量工作：
建（构）筑物变形测量工作
工程建筑物
土工建筑物
钢筋混凝土建筑物
工业设备安全运营监测
地表沉降测量
局部地区形变
变形监测网的建立
6.工程建设中的测量信息管理:
一、现状：工程建设的各个阶段都存在着测量信息的管理问题。

目前，我国工程建设中测量信息管理的现状还较落后，加强测量信息的管理，实现各种测量信息从采集、处理、更新管理的一体化、自动化、智能化、网络化和数字化，是工程建设对测绘信息管理工作的新要求。

二、信息处理与管理
信息采集方法：
1.用测量仪器(经纬仪、水准仪或全站仪)观测，手工或自动记录，经加工、处理进入工程测量信息数据库。

2.通过数字化仪自动或手动扫描采集；
3.用摄影测量方法获取影像，通过计算机软硬件系统进行处理从而得到有关信息。

信息处理、信息传输、信息加工、信息存储信息管理
信息分类一般采用两种基本方法：线分类法和面分类法；管理信息时必须建立一套管理标准，信息编码是信息资源管理的重要组成部分。

三、信息系统设计
数据库设计•数据库的逻辑模式设计
•用户权限的设计
•索引文件的设计
•中间文件或临时文件的设计
•视图的设计
输入／输出及界面设计（输入设计、输出设计）
7.工程控制网的分类、作用和特点
分类：
按用途分：测图控制网、施工（测量）控制网、变形监测网、安装（测量）控制网按网点性质分：一维网（或称水准网、高程网）、二维网（或称平面网）、三维网
按网形分：三角网、导线网、混合网、方格网
按施测方法划分：测角网、测边网、边角网、GNSS网
按坐标系和基准划分：附合网（约束网）、独立网、经典自由网、自由网
按其他标准划分：首级网、加密网、特殊网、专用网
作用：工程控制网也具有全局控制、提供基准和控制测量误差积累的作用
测图控制网作用：控制测量误差的累积；
保证图上内容的精度均匀；
相邻图幅正确拼接。

施工控制网特点：1) 控制的范围较小，控制点的密度较大，精度要求较高；
2) 使用频繁；
3) 受施工干扰大；
4) 控制网的坐标系与施工坐标系一致；
5) 投影面与工程的平均高程面一致；
6) 有时分两级布网，次级网可能比首级网的精度高。

变形监测网要点：
•变形监测网由参考点和目标点组成；
•变形监测网的坐标系和基准的选取原则；
•对变形监测网应作同时顾及精度、可靠性、灵敏度以及费用进行监测网的优化设计；•对变形监测网都要进行重复观测。

安装测量控制网特点：
•通常是一种微型边角网，边长从几米至一百多米
•整个网由形状相同、大小相等的基本图形组成
•精度要求很高，其测量精度有时要达到计量级
8、工程控制网的质量准则：
一、精度准则：1总体精度准则 1）E准则：置信超椭球的最大半轴应尽可能地小
2）体积准则：置信超椭球的体积应尽可能地小
3）方差准则（A准则）置信超椭球的半轴平方和应尽可能地小 4）平均精度准则
5）均匀性和各向同性准则
2点位精度和相对点位精度
3未知数函数的精度
4主分量
5准则矩阵
二、可靠性准则：定义：控制网发现（或探测）观测值粗差的能力（称内部可靠性）和抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力（称外部可靠性）。

作用：可靠性准则可以提供衡量控制网内部观测值相互控制、检核的量化数值和可能出现但不能被发现的最大模型误差值。

提高实现质量的办法：1.对网进行第二次独立观测（复测）
2.布网时事先考虑用独立的附加观测值来控制网的结构（较常用）
三、灵敏度准则：对变形监测网，定义为在给显著水平α0和检验功效β0下，周期平差结果统计检验时，能发现位移向量的下界值。

四、费用准则：用观测值的权的总和最小作为费用准则（最大准则、最小准则）
9.工程控制网的优化设计分类：零类设计，一类设计，二类设计，三类设计
优化设计内容：提出设计任务；制定设计方案；进行方案评价；进行方案优化。

方法：解析法：通过数学方程用最优化方法求解。

模拟法：根据经验和准则，通过计算比较、修改，得到最优方案。

模拟法优化设计过程：①设计网形、实地踏勘；
②定初始方案，模拟观测值，网平差；
③观测修改；
④再作模拟计算，重复进行，直到满意。

⑤人机交互方式进行。

基于可靠性的模拟优化设计法：
1）网的初始方案应对所有可能观测的边和方向进行全测，是一个“肥网”或“密网”。

2）观测值之间的精度相差不要太大，边角间的精度应基本匹配。

3）观测精度应选取仪器所能达到的最高精度，使优化时有降低的余地。

4）模拟初始观测方案，进行平差计算，对精度、可靠性乃至灵敏度计算结果进行分析：观测精度是否合理，是否需作调整
10.规划设计阶段对地形图的要求：（1）满足规划设计各阶段的要求
（2）易于使用
（3）满足工程精度要求
11.模拟法地形图平面位置的精度：模拟地形图的误差来源主要有：
✓解析图根点的展绘误差m展；
✓图解图根点的测定误差m图；
✓测定地物点的视距误差m视；
✓测定地物点的方向误差m向
✓地形图上地物点的刺点误差m刺
数字法测图：
定向误差对地物点平面位置的影响——m定；
✓对中误差对地物点平面位置的影响——m中；
✓观测误差对地物点平面位置的影响——m测；
✓棱镜中心与待测地物点不重合对地物点平面位置的影响—m重。

地物点相对于邻近的图根点的点位（在实地的）中误差为
13.大比例尺地形图在工程建设中的应用：（1）绘制地形断面图
（2）按规定坡度选定最短路线
（3）地形图在平整土地中的应用——确定最少的开挖方量14.竣工测量任务（目的）：在新建或扩建的工程时，为了检验设计的正确性，阐明工程竣工的最终成果，作为竣工后的技术资料，就必须提交出竣工图。

如为阶段施工时，则每一期工程竣工后，就应作出该期工程的竣工图，以便作为下期工程设计的依据。

15.施测竣工图的原则：控制测量系统应与原有系统保持一致
测量控制网必须有一定的精度标准
充分利用已有的测量和设计的资料
16.竣工图内容：1）厂区现状标准图 2）辅助图 3）剖面图
4）专业图（上、下水管道图、工业管网图、输电线路图（包括地下电缆）、运输线路图）5）技术总结报告和成果表
17.竣工图要求：1）图幅——主要取决于实际需要。

一般采用50×50cm2的图幅面积。

2）比例尺——根据图面负荷、用图视读方便及图解精度确定。

一般与设计总平面的比例尺一致，由设计人员在任务书中提出的。

3）坐标和高程系统——竣工图的坐标和高程系统，应保持原有控制系统，
在不得已的情况下，可重建控制网的坐标和高程系统。

4）竣工图测量的精度要求：以细部坐标点和细部高程点的精度来衡量的，是确定竣工图及高程精度的标准，应满足工程建设和生产管理的需要。

5）控制网的建立及精度要求：1.恢复和扩展同等级控制点
2.重建控制网
3.控制网的精度要求
施测竣工图的控制网必须满足施测细部坐标点和细部高程点的精度要求；同时兼顾改、扩建和施工放样精度的需要
18.工程测量规范对竣工总图编绘的基本要求是：
①竣工总图的比例尺一般为1∶500。

其坐标系统、图幅大小、注记、图例符号及线条，应与原设计图一致。

②竣工总图应根据现有资料，及时编绘。

重新编绘时，应详细实地检核。

对不符之处，应实测其位置、标高及尺寸，按实测资料绘制。

19.总图编绘的基本规定：1)总平面及交通运输竣工图
2）给、排水管道竣工图
3）动力、工艺管道竣工图
4）输电及通讯线路竣工图
5）综合管线竣工图
20.编绘资料：①数字化的设计图
②旧有的白纸图
③施工过程中通过复测检查及竣工时的实测，提交的施工放样检查和竣工资料。

21.回声探测仪所测水深值的改正：（1）吃水改正Δh a
（2）转速改正Δh n
3）声速改正Δh c
4）测深值的总改正数=
22.测深点定位方法：
1）前方交会2）后方交会 3）断面索法 4）极坐标法 5）无线电定位 6）GPS定位
23.深度基准面：水深计算的起算面称为深度基准面
24.水下地形测量方法：一般采用前方交会和极坐标法。

在内业前进行如下工作：
（1）检查野外观测成果，发现不合格或遗漏的应补测
（2）求水底高程
（3）绘制各测点位置，注记相应高程
（4）在图上绘等高线或等深线
目前大多由计算机自动成图。

25.变形监测：对监视对象或物体(简称变形体)进行测量，以确定其空间位置随时间的变化特征。

包括全球性、区域性、和工程的变形监测。

26.变形体自身的形变：伸缩、错动、弯曲和扭转。

变形体的刚体位移: 整体平移、转动、升降和倾斜。

27.变形监测的意义：1、实用意义：保障工程安全
2、科学意义：解释变形的机理，
验证变形的假说，
检验设计是否合理，
为修改设计、制定规范提供依据。

28.变形监测内容和特点：
内容：获取变形几何量、获取与变形有关的影响因子（物理量）
特点：要进行周期观测，每一周期的观测方案如监测网的图形、使用仪器、作业方法乃至观测人员都要尽可能一致。

动态、持续监测。

要求精度高，对于重要工程，一般要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测设计”。

29.参考点、目标点及其它们之间的连接称为变形体的几何模型。

30.变形监测方法：
常规的大地测量方法：指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。

方法：变形监测网（GPS网、边角网），几何水准、电磁波测距、三角高程测量等。

摄影测量方法特点：(1) 不接触监测的变形体。

(2) 外业工作量小，观测时间短，快速，很多点
(3) 信息量大，利用率高，利用种类多；
(4) 仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求较高。

特殊的大地测量方法：精确地获取被测对象的变化
1短距离和距离变化测量方法：机械法
2偏离水平基准线的微距离测量：准直法
偏距：偏离基准线的垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称偏距(或垂距)。

基准线基准面的产生：光学法、光电法、机械法
3偏离垂直基准线的微距离测量：铅直法：以过基准点的铅垂线为垂直基准线，测量沿铅垂基准线上的目标点相对于基准线的水平距离(亦称偏距)的方法。

4液体静力水准测量法原理：连通管中处于静止状态的液体压力满足贝努利方程P+ρgh=常数
5挠度曲线和倾斜测量：相对于水平或铅垂基准线的弯曲线称挠度曲线。

曲线上某点到基准线的距离称为挠度。

6裂缝观测。

7振动观测（高层（或塔式）建筑物，在温度和风力荷载作用下）
8三维激光扫瞄测量
31.变形监测为什么要求自动化？
•变形速度太快；
•监测点太多。

需要同一时刻获得许多个测点上的变形；
•监测间隔太短。

变形过程需要大量短时间间隔的观测数据描述；
•监测环境太恶劣。

噪声、高压、高热、高磁场或人无法到达；
•监测不能影响生产和运行管理。

32.如何实现变形监测自动化？
采用基于信号转换传感技术把变形监测中的距离、角度、高差、倾角等几何量及其微小变化转化为电信号。

将这些传感器安装在伸缩仪、应变仪、准直仪、铅直仪、测斜仪及静力水准测量系统等仪器中，通过数据获取、信号处理、数据转换与通讯，可将成百上千个测点上的数据传送到数据处理中心，实现持续监测和数据的自动记录、传输与处理，即变形监测自动化。

33.变形观测数据处理：
1. 监测网的周期观测数据处理
2. 各监测点上的监测数据处理
3. 变形分析（几何分析。

确定变形量的大小、方向及其变化，即变形体形态的动态变化。

物理解释。

确定引起变形的原因、确定变形的模式，从本质上认识变形。

）4. 变形预报
34.变形监测点的数据处理：回归分析法
35.线状工程：铁路、公路、石油与燃气管线、渠道、管道、城市综合管网、输电线及索道工程等。

线状工程测量：为各种线状工程勘测设计、施工安装与运营管理阶段所进行的测量工作。

线状工程测量的主要内容:
✓中线测量；
✓纵、横断面测量；
✓带状地形测量；
✓施工放样；
✓竣工测量和有关调查工作等。

其主要目的是为设计、施工、运营管理提供必要的基础资料。

36.铁路工程测量：
一、铁路勘探阶段的测量工作：
1.线路初测：1）选点插旗2）导线测量（水平角观测、边长丈量、导线的联测）
3）高程测量（基平测量、中平测量、带状地形图测绘）
4）地形测量
2.线路定测：1）中线测量（拨角放线法、支距放线法、全站仪极坐标法、GPS RTK法）
2）中桩测量3）水准测量
二、纵横断面测量
三、线路施工测量：
1.线路复测
2.护桩设置
3.路基边坡放样
4.竣工测量（中线、高程、横断面）
四、铁路既有线测量：
1.既有线的里程丈量
2.高程测量
3.横向测绘
4.站场测绘
5.既有桥涵测量
6.既有曲线测量
7.既有线设备调查测量
37.管线测量：各阶段的测量工作：
（1）收集确定区域内大中比例尺地形图、控制点资料、原有各种管线的平面图及断面图等。

（2）地形图测绘。

根据初步规划的线路，实地测量管线附近的带状地形图或修测原有地形图。

（3）管线中线测量。

根据设计要求，在地面上标定出管道中心线的位置。

（4）纵、横断面图测量。

测绘管线中心线和垂直于中心线方向的地面高低起伏的情况。

（5）管线施工测量。

根据定线成果及设计要求测设施工过程中所需要的各种标志。

（6）竣工测量。

将施工成果绘制成图，反映实际施工情况，作为使用期间维修、管理的依据。

38管线中线测量：
交点桩测设、中桩测设、转向角测量、绘制管线地形图、管线的纵横断面测量
40.管线竣工测量基本内容：
1．根据城市加密控制点，测量管线的起点、终点、折点（交点）、变坡点及检修井等（这些点统称为管线点）的坐标。

2．根据城市水准点或已知高程的城市一、二级导线点，施测管线点的高程
3．调查测量管线的规格（如管径、断面）及其相应的设施
4．将所测管线的坐标、高程及其他有关数据，综合成管线成果表，作为展图的依据；
5．将已测的管线展绘于相应的1∶500管线带状地形图或展绘在1∶500基本地形图上，
成为管线竣工图或综合管线图。

41.地下工程测量的特点
(1) 地下工程施工面黑暗潮湿，环境较差，经常需进行点下对中，有时边长较短，因此测量精度难以提高；
(2) 地下工程的坑道往往采用独头掘进，洞室之间互不相通，不便组织校核，出现错误不能及时发现。

随着坑道的进展，点位误差的累积越来越大；
(3) 地下工程施工面狭窄，并且坑道往往只能前后通视，造成控制测量形式比较单一，仅适合布设导线；
(4) 测量工作随着坑道工程的掘进而不间断的进行。

一般先以低等级导线指示坑道掘进，而后布设高级导线进行检核；
(5) 由于地下工程的需要，往往采用一些特殊或特定的测量方法（如为保证地下和地面采用统一的坐标系统，需进行联系测量）和仪器。

42.自由陀螺仪在高速旋转时具有两个重要特性：
(1)陀螺仪自转轴在无外力矩作用时，始终指向其初始恒定方向。

该特性称为定轴性
(2)陀螺仪自转轴受到外力矩作用时，将按一定的规律产生进动。

该特性称为进动性。

43.陀螺经纬仪定向的作业过程
在地面已知边上测定仪器常数
在待定边上测定陀螺方位角
在地面上重新测定仪器常数
求算子午线收敛角
求算待定边的坐标方位角
44.一次测定陀螺方位角的作业过程
1 在测站上整平对中陀螺经纬仪，以一个测回测定待定边或已知边的方向值，然后将仪器大致对正北方。

2 粗略定向锁紧灵敏部，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，用粗略定向的方法测定近似北方向。

完毕后制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方向位置，固定照准部。

3 测前悬带零位观测打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部。

进行测前悬带零位观测。

同时用秒表记录自摆周期T。

零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。

4 精密定向（精密测定陀螺北）：采用有扭观测方法（如逆转点法等）或无扭观测方法（如中天法、时差法、摆幅法等）精密测定已知边或待定边的陀螺方位角。

5 测后悬带零位观测。

6 以一个测回测定待定边或已知边的方向值，测前测后两次观测的方向值的互差对J2和J6级经纬仪分别不得超过10″和25″。

取测前测后观测值的平均值作为测线方向值。