中南大学《土木工程测量》课件第01章绪论

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1．测量学(surveying)的定义
测量学是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物 体的形状、大小和空间位置的科学。
其主要任务是测定和测设。
◆测定 (location)：使用测量仪器和工具，通过测量和 计算将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定的符号缩小 绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。
配合最佳的 参考椭球面
大地水准 面差距N
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大地 水准面
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图形：水准面及大地水准面图
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◆水准面的特性——处处与铅垂线正交、封闭的 重力等位曲面。 ◆铅垂线——测量工作的基准线
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测量基准面
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由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地
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2．测量计算基准面——旋转椭球
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大地水准面是有微小起伏、不规则、很难用数学方程表示的复杂曲面。 将地球表面上的物体投影到大地水准面上，计算起来非常困难。 通常选一个与本地区大地水准面最接近的、能用数学方程表示的椭球面 作为投影的基准面，这个椭球面是由椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成的
地图投影 (map projection)
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地图编制 (map compilation) 地图整饰 (map grooming) 地图制印 (map printing)
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百度地图 Google earth
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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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黑白(全色)像片对
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我国所处经纬度范围：
E=75～135 N=20～50
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2、地心坐标系
地心坐标系属空间三维直角坐 标系，用于卫星大地测量。地心 坐标系取地球质心(地球的质量中 心)为坐标系原点，轴在地球赤道 平面内，本初子午面与赤道平面 的交线为轴，轴与地球自转轴相 重合。地面点的空间位置用三维
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图形：高斯投影方法图一
N
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S
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图形：高斯投影方法图二
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投影
剪开
展平
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投影带的划分
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(2) 投影带
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1．6°带的划分
为限制高斯投影离中央子午线愈远，长度变形愈大的缺点，从经
度0°开始，将整个地球分成60个带，6°为一带。
计算公式：
λ =6N-3 λ——中央子午线经度, N——投影带号。
2．3°带的划分
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若仍不能满足精度要求,可进行3 3
°带、1.5 °带的划分。
°带计算公式： λ =3N λ——中央子午线经度, N——投影带号。
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大地测量学(Geodesy)
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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。 必须考虑地球曲率 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)
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Topographic Maps
http://www.topozone.com/
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地图制图学(Cartography)
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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
◆测设（放样）(seeing-out)：将在地形图上设计出的 建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。
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测定:地面 测设:图纸
图纸 地面
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2．测量学科的分类
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◆普通测量学
◆大地测量学 (Geodesy )
◆摄影测量学 (Photogrammetry)
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第一章
§1.1 §1.2 §1.4
绪论
测量学与土木工程 地面点位的确定 测量工作概述
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§1.1 测量学与土木工程
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1．测量学(surveying)的定义及任务 2．测量学科的分类
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3．测量学作用
§1.2
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地面点位的确定
一、地球的形状和大小 二、测量坐标系
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一、地球的形状和大小
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应掌握水准面、大地水准面、参考椭球的概念及关系，以及测量
的基准面。 地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km的椭球。 测量工作是在地球表面上进行的，而地球的自然表面有高山、丘陵、 平原、盆地、湖泊、河流和海洋等高低起伏的形态，其中海洋面积约 占71%，陆地面积约占29%。
z
G
.
o
S
N
A
.
zA
W
E
yA
xA
y
x
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直角坐标xA 、 yA 、zA表示。全
球定位系统（GPS）采用的就是地 心坐标系。
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3、平面直角坐标系
Dept. of RE, CSU 适用于：研究范围较小，将水准面看作水平面。
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数学平面直角坐标系
测量平面直角坐标系
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坐标系的异同：
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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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水准面是个复杂的不规则曲面。
1．测量工作基准面——水准面、大地水准面。
◆水准面——静止海水面所形成的封闭曲面。
◆大地水准面——其中通过平均海水面的那个水准面。
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2．测量计算基准面——旋转椭球
Dept. of RE, CSU 由椭圆（长半轴a，短半轴b）绕b轴旋转而成的 椭球体。可用数学式表示的光滑曲面。
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（3）高斯平面直角坐标系：
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在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线。以中央子 午线和赤道的交点作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐
标轴，规定轴向北为正；以赤道的投影为横坐标轴，轴向东为
正，这样便形成了高斯平面直角坐标系 。
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（4） 图家统一坐标
2003-10-15
神州五号发射3小时之后的“酒泉卫星发射中”影像
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QuickBird彩色合成影像
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法国巴黎埃菲尔铁塔
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工程测量学(Engineering Surveying)
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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
◆工程测量学 (Engineering surveying)
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◆地图制图学 (Cartography)
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普通测量学
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定义
研究将地球表面局部地区的地貌及地物测绘成大比
例尺地形图的基本理论和方法的科学。
不考虑地球曲率 基本任务
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地图绘制理论与方法研究。
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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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摄影测量与遥感学
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(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
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课程介绍
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1、实用性很强 测量基本功：测、绘、算（毕业学生多年之后可能还需要用到此课程的 内容），考研（专业基础课）。 2、以往学习情况 课不难，考试的时候比较简单，但是学的不扎实；眼高手低，基础知识 掌握不好，不该出错的地方出了错。 3、实践性强：56学时，20学时为实验课，4学分 暑期还有4周勘测实习，4学分 ① 时间少，预习；②实验指导书；③实验手薄； ④ 实验分组，4人一组，成绩，动手能力，男女，组长 小心仪器，照价赔偿 4、成绩：卷面70%；平时30% 操作水平，实验报告，作业 （按时，独立）、出勤等 5、实验报告：认真、规范、完整、按时 6、答 疑：集中答疑 7、教材和实验手册：南校区图书馆统一购买。
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大地水准面（mean sea level）
Dept. of RE, CSU 静止的水面称为水准面。
同一水准面上的重力位处处相等； 同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交。
与平静的平均海水面相重合、并延伸通过陆地而形成的 封闭曲面称为大地水准面。 大地水准面包围的形体称为大地体(Geoid)。
3、土木工程测量学的作用
（1）勘测设计：
为选线测绘带状地形图。
（2）施工（放样）：
把线路和各种建筑物正确地测设到地面上。
（3）竣工：
对建筑物进行竣工测量。
（4）营运：
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维护、保养（公路段中肯定有搞测量的） 扩大建而进行的各种测量。
为改建、
（5）变形观测
为安全运营，防止灾害进行变形测量。
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旋转椭球面，称为参考椭球(reference ellipsoid)，其表面称为参考椭球面。
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二、测量坐标系
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1、大地坐标系(大地经度B，大地纬度L ) 大地坐标，是表示地面点在参考椭球面上的位置，它的基准是法线和参考椭 球面，它用大地经度(geodetic longitude)和大地纬度(geodetic latitude)表示。 P点大地经度：过P点的大地子午面(geodetic meridian plane)和首子午面所夹的 两面角。 P点大地纬度：过P点的法线与赤道面的夹角。 我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点(geodetic origin)为起算点，由此建立的大 地坐标系，称为“1980西安坐标系”(Xian geodetic coordinate system 1980)，简 称80系或西安系。
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天安门广场
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IKONOS
1m分辨
率全色影 像
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IKONOS获取的影像
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2003-10-4
神州五号发射11天前的“酒泉卫星发射中心”影像
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IKONOS获取的影像
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方法：
（1）先将自然值的横坐标Y加上 500000米； （2）再在新的横坐标Y之前标以 2位数的带号。 所以点的横坐标通用值为
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y=N*1000000+500000+y’
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Dept. of RE, CSU 不同点：
1．测量上北方向为X轴正向，
东方向为Y轴正向。 2．角度方向顺时针度量；象限顺时针编号。
相同点:
数学中的三角公式在测量中可直接应用。
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sin
px oy cos(900 ) op op
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4、高斯平面直角坐标
Dept. of RE, CSU 适用于：研究范围较大。 （1）高斯投影方法：目的是将椭球面投影到平面上。 使投影带的中央子午线与椭圆柱体相切，展开后为X轴，向 北为正； 展开后为Y轴，向东为正。
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
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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