测量工程师业务培训班讲义(doc 141页)

合蚌铁路建设
测量工程师业务培训班
讲义
京福客专安徽有限责任公司
西南交通大学北京研究院
二○○九年七月
目录
第一篇坐标系统与数据处理 (1)
第一部分高程控制网 (1)
(一) 高程基准与高程控制网 (1)
(二) 水准测量的质量控制与成果分析 (3)
第二部分平面控制网 (7)
(一) 位置基准与坐标系 (7)
(二) GPS定位与平面控制网布设 (17)
(三) 数据质量控制与成果分析 (23)
第二篇无砟轨道铁路测量规范 (27)
一客运专线无碴轨道结构特点 (27)
二无碴轨道铺设精度 (27)
三《暂规》的编制原则和由来 (29)
（一）编制原则 (29)
（二）主要内容 (30)
四《暂规》的重要性 (30)
（一）客运专线无碴轨道铁路精密工程测量的概念 (30)
（二）为什么要制定《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》新标准 (31)
五传统测量与无碴轨道铁路精密工程测量的比较 (33)
（一）传统的铁路工程测量方法 (33)
（二）客运专线铁路精密工程测量的特点 (35)
六《暂规》的特点 (39)
（一）三网合一 (40)
（二）平面基础控制网采用GPS B级网 (40)
（三）二等水准测量 (41)
（四）平面和高程控制网的精度 (41)
（五）CPI、CPII、CPIII建立时机、方法和相互关系 (42)
（六）对评估、验收的一些考虑 (43)
（七）经济指标情况分析 (43)
七《暂规》主要技术标准的宣贯 (44)
（一）平面控制测量 (44)
（二）高程控制测量 (46)
第三篇精测网复测及施工控制网加密 (50)
第一部分精测网复测 (50)
(一) 一般规定 (50)
(二) 基础平面控制网CPⅠ复测 (50)
(三) 数据处理 (54)
(四) 线路控制网CPⅡGPS复测 (58)
(五) 线路控制网CPⅡ导线复测 (58)
(六) 高程控制网复测 (61)
(七) 提交的测量成果报告 (62)
第二部分施工控制网加密 (63)
(一) 编制依据及技术标准 (63)
(二) 平面GPS加密方法与精度要求 (63)
(三) 平面控制网导线加密测量实施方案 (65)
(四) 外业观测的实施 (67)
(五) 高程控制测量作业实施计划 (69)
(六) 平面控制测量作业实施计划 (70)
(七) 质量保证措施 (72)
(八) 精测网施测数据处理和平差方法 (74)
第四篇沉降观测实施细则及CPIII测量技术 (77)
第一部分沉降观测实施细则 (77)
(一) 沉降变形观测网布设的总体原则 (77)
(二) 路基沉降、位移变形观测的具体实施方法 (80)
(三) 桥涵沉降变形观测的具体实施方法 (88)
(四) 隧道基础沉降变形观测的具体实施方法 (96)
(五) 过渡段沉降观测的具体实施方法 (98)
(六)沉降变形观测资料整理及提交 (98)
第二部分CPIII测量技术 (126)
(一) 依据及内容 (126)
(二) 无砟轨道CPⅢ控制网测量的时机 (126)
(三) CPⅢ控制网测量 (126)
(四) CPIII网的维护 (135)
第一篇坐标系统与数据处理
第一部分高程控制网
(一) 高程基准与高程控制网
a)大地水准面和大地体
任意自然静止的液体表面都构成一个水准面。

水准面在物理意义上属于一个重力位等位（等势）的表面。

海洋有潮起、潮落，但是通过常年的海洋潮汐观测，可以统计得到一个潮起、潮落的平均位置——平均海水面。

假想有一个通过平均海水面的静止洋面（大地水准面），并设定其可以等重力位的特性向陆地内部无限延伸。

因为任意地表一点的重力位具有唯一性，因而大地水准面必将形成一个封闭的曲面。

大地水准面是个物理面，不是数学面。

这个曲面内部所包含的地球空间称为大地体。

大地水准面是我国高程测量的基准面。

沿重力作用方向的铅垂线是高程测量中的基准线。

b)高程起算基准
地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程。

如下图所示，P0P0'为大地水准面，地面点A和B到P0P0'的垂直距离H A和H B为A、B两点的绝对高程。

地面点到任一水准面的高程，称为相对高程。

下图中，A、B 两点至任一水准面P1P1'的垂直距离H A'和H B'为A、B 两点的相对高程。

我国大地水准面的确定是通过在我国东部黄海沿岸设有多个验潮站（浙江坎门，吴淞口，青岛，大连），并根据多年的验潮资料来确定平均海水面（大地水准面）的。

黄海平均海水面是我国高程的起算面。

1956 年在青岛设立了水准原点，其他各控制点的绝对高程都是根据青岛水准原点推算的，称此为1956年黄海高程系。

1987 年国家测绘局公布：中国的高程基准面启用《1985国家高程基准》取代国务院1959年批准启用的《黄海平均海水面》。

《1985国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升0.0286m。

设在青岛的大地水准原点在1956 年黄海高程系统中的绝对高程值是72.289m，在1985 年国家高程系统中的绝对高程值是72.2604m。

c)高速铁路精密水准控制
我国国家水准控制网共进行三期建设：
➢第一期，1976 年以前完成，以1956 年黄海高程系统为基准的一、二等网完成。

➢第二期，1976 年至1990 年完成，以1985 年国家高程系统为基准的一、二等水准网完成。

➢第三期，1990 年后进行的国家一等水准网的复测和局部地区二等水准网加密。

国家一等水准网共布设289 条路线，总长度93360km，全网有100个闭合环和5 条单独路线，共埋设固定水准标石2 万多座。

国家二等水准网共布设1139 条路线，总长度136368km，全网有822个闭合环和101 条附合路线和支线，共埋设固定水准标石33000 多座。

国家一二等水准网分等级平差，一等水准网先将大陆的进行平差，再求海南岛的结果。

二等是以一等水准环为控制进行平差计算的。

《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》对高速铁路的高程控制测量作
了规定：
➢全线应按国家二等水准测量精度要求施测，建立水准基点控制网；
➢在CPIII平面控制网布点完成后，按精密水准测量精度（界于国家二、三等水准测量精度之间）要求施测，建立CPIII高程测量。

(二) 水准测量的质量控制与成果分析
a)外业的数据质量控制
该部分工作主要用以确认外业水准测量所采集的观测数据的有效性。

只有在外业水准观测数据有效的情况下，才可以进行整网或分段的水准平差数据处理。

外业的水准测量数据的有效性确认包括：投入使用的仪器设备是否满足规定、具体一个测站的测量操作程序和数据检校是否满足规定、具体一个测段的测量操作程序和数据检校是否满足规定。

相应规定可从国家二等水准测量规范和暂规中获取。

不满足规定要求的测站、测段必须重新按要求进行观测。

具体的规定要求摘录如下：
➢水准基点控制网的二等水准路线一般150km 与国家一等水准点联测，最长不应超过400km 联测一次。

CPIII控制点高程测量工作应
在CPⅢ平面测量完成后进行，并起闭于水准基点控制网的二等水准
基点。

➢二等水准测量测站观测顺序为：往测奇数站为“后—前—前—后”，偶数站为“前—后—后—前”；返测奇数站为“前—后—后—前”，
偶数站为“后—前—前—后”。

➢水准测量所使用的仪器及水准尺，应满足：“水准仪视准轴与水准管轴的夹角，DS1 级不应超过15″；水准尺上的米间隔平均长与名义
长之差，对于因瓦水准尺，不应超过0.15mm，对于双面水准尺，不
应超过0.5mm；二等水准测量采用补偿式自动安平水准仪时，其补
偿误差不应超过0.2″”。

➢观测读数和记录的数字取位应满足：“使用DS05 或DS1 级仪器，应读记至0.05mm 或0.1mm；使用数字水准仪应读记至0.01mm”。

➢其它要求见下图表
b)内业的数据质量控制
经检查，各项技术指标均合格的整网或分段的水准观测数据才可以进行内业的平差数据计算、处理。

水准基点控制网应以国家一等水准点为起算数据，采用固定数据平差和1985 国家高程基准；CPIII高程控制点应附合于水准基点控制网上，采用固定数据平差。

水准基点测量和CPIII控制点高程测量工作应在全线测量贯通后进行整体的严密平差。

水准测量有不同于平面控制网观测，它有自已的特点：观测精度高，工作量大，难于多次重复。

一般水准测量只进行往返测，取往返测（符合要求的）高差
平均作为高差的最或是值。

当评定这种最或是值的精度时，也只有往返测高差之差可以被利用，它反映了水准测量各种误差共同作用的结果，具有真误差的性质。

它们含有偶然误差的影响也含有系统误差的影响。

系统误差具有累积的特性。

测量工作者（原苏联巴甫洛夫、我国周江文等）早已发现，在往返测高差之差中有某种系统误差存在。

但是，不论用那一种公式都不能正确反映往返测平均高差中系统误差影响的大小。

按照目前往返测水准测量的作业方式，每公里系统误差是不可能单独求得的。

根据对一些实验性（多次重复）水准测量进行统计分析有如下结果：“按照现行往返测规范作业，往返测高差平均值中的系统误差影响会随着测线的加长而减少。

根据实验结果，在300km长的测线上，其值不会大于(±0.01~0.02)mm/km。

这是由于在较长的线路上系统误差会有更多机会得到抵消或减弱，不会朝一个方向无止境地系统的累积起来，所以对高差的影响不会很大。

基于这样思想，目前既然还无法正确计算系统误差，因而也就没有必要去计算什么系统误差”。

在短距离，如一个测段的往返测高差之差Δh中，偶然误差肯定得到反映，虽然也不排除有系统误差的影响，但由于距离短，系统误差毕竟很小，所以用测段的往返测高差之差Δh来估算偶然中误差还是可行的。

同时，对于闭合环，由往返测平均高差所形成的闭合差W也具有真误差的性质，反映了高差平均值中的偶然误差，也必然反映着系统误差，包含着这两种误差的综合反映，可叫全中误差。

因而用环形闭合差W来估算全中误差。

因此，水准测量作业结束后，每条水准路线应按测段往返测高差不符值计算偶然中误差MΔ；当水准网的环数超过20 个时，还应按环线闭合差计算全中误差M w。

MΔ和M w应符合下图表的规定，否则应对超限的路线进行重测。

满足要求的技术规定，表明该水准测量精度是合格的，可根据需要或要求进行成果分析和采用。

MΔ和M w按下列公式计算
要注意在实际水准测量中，使用高精度仪器进行低等级水准观测的问题。

在这种情况下，如果计算得到的中误差没有达到仪器应有的标称精度，则应该怀疑仪器的工作状况是否正常，即使水准等级的精度指标满足了，对水准成果的采用仍然应该慎重。

因为一台工作不正常的仪器，提供的观测数据是不可靠的。

c)高程测量成果的分析
这部分工作主要针对复测和检测。

为了保证控制点提供的高程基准的正确性，在工程建设的过程中，经常需要对已有高程控制点的复测和检测，确保高程控制点的稳定。

常用的方法有两种：高差比对和高程比对。

高差比对用以比较分析相同高程点之间的高差，可以反映出地表相对高程变化；高程比对用以比较分析相同高程点的高程，可以反映出地表整体的高程变化。

无论那种比对方式，只有在比对差异超出相应等级水准测量精度的限差指标时，才能说这种高差或变化是显著的，并考虑更新高程成果。

否则，应沿用原高程成果。

第二部分平面控制网
(一) 位置基准与坐标系
a)参考椭球
地球的真实表面是凹凸不平的自然连续表面，其难以用规则的数学描述来表征它的形态，这不利于对地表点位的准确描述和确定。

但是，总体来看，地球近似为一个椭球体。

因而，人们用一个椭圆绕其自身短半轴旋转而形成的旋转椭球体来近似地替代地球的真实形状。

旋转椭球体与地球形体非常接近，旋转椭球面是一个形状规则的数学表面，在其上可以做严密的计算，而且所推算的元素（如长度与角度）同真实地球表面上的相应元素十分接近。

这种用来代表地球形状的旋转椭球称为大地椭球。

地球椭球体表面是一个规则的数学表面。

大地椭球的形态和大小由两个元素确定：长半径“a”和短半径“b”，或由一个半径和扁率来决定。

扁率“f”表示椭球的扁平程度。

扁率的计算公式为：
f =（a-b）/a
地球椭球体的基本元素a、b、f 等，由于推求它的年代、使用的方法以及测定的地区不同，其结果并不一致，故地球椭球体的参数值有很多种。

中国在1952 年以前采用海福特（Hayford）椭球体，从1953-1980 年采用克拉索夫斯基椭球体。

随着人造地球卫星的发射，有了更精密的测算地球形体的条件。

1975 年第16 届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会第一号决议中公布的地球椭球体，称为GRS（1975），中国自1980年开始采用GRS （1975）新参考椭球体系。

由于地球椭球长半径与短半径的差值很小，所以当制作小比例尺地图时，往往把它当作球体看待，这个球体的半径为6371 公里。

我国涉及使用的参考椭球形状参数
仅仅确定大地椭球的形态，还不足以准确表述地表点位的相对和绝对关系，还需要确定大地椭球和地球真实形体之间的相对位置关系（椭球定位和定向）。

椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和地心定位。

局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。

椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位，都应满足两个平行条件：
➢椭球短轴平行于地球自转轴；
➢大地起始子午面平行于天文起始子午面。

这两个平行条件是人为规定的，其目的在于简化坐标转换之间的换算。

具有确定参数，经过定位和定向，同全球或某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球叫做参考椭球。

居于各国（地区）不同的地理位置和地貌情况，目前世界上采用的参考椭球有很多个。

我国的54北京坐标系和80西安坐标系使用的参考椭球采用局部定位模式，而GPS全球定位系统的WGS-84坐标系使用的参考椭球采用地心定位模式。

b)坐标系
所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工作中，所采用的椭球的大小形状；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。

因此，选定了一个参考椭球，就确定了一个坐标系。

以参考椭球为基准的坐标系叫做参心坐标系。

参心坐标系可分为空间直角坐标系和大地坐标系两种，它们都与地球体固连在一起，与地球同步运动因而又称为地固坐标系。

以地心为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系，主要用于描述地面点的相对位置。

空间直角坐标用（x,y,z）表示，大地坐标用（B,L,H）表示，它们之间可以方便的相互转换。

大地坐标系P点的子午面NPS与起始子午面NGS所构成的二面角叫做P点大地经度，P点的法线Pn与赤道面的夹角B叫P点的大地纬度，P点的位置用B、L表示。

经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为90 度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，也称为地理坐标系。

地表面某两点经度值之差称为经差，某两点纬度值之差称为纬差。

例如北京在地球上的位置可由北纬39°56'和东经116°24'来确定。

若点P不在椭球面上，还要附加另一参数大地高H；若点在椭球面上，H=0。

大地坐标系是大地测量的基本坐标系，其优点为：它是整个椭球体上统一的坐标系，是全世界公用的最方便的坐标系统。

大地参考框架是指大地坐标系的物理实现，大地控制网是其具体表现形式。

空间直角坐标系以椭球中心O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为Z轴，构成右手坐标系O-XYZ，在该坐标系中，P点的位置用X、Y、Z表示。

地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴方向的变化。

地心地固坐标系是建立在一定的大地基准上的，用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系。

这里谈到的大地基准是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。

具体的坐标参考框架是上述大地基准的一个
物理实现，它通过一系列高精度控制点的空间直角坐标或大地坐标来确定。

我国的54北京坐标系下的高等级三角点就确定了我国54北京坐标框架；我国80西安坐标系下的高等级三角点就确定了我国80西安坐标框架；全球IGS台站的精确空间直角坐标就确定了GPS定位系统所采用的坐标框架（IGS97、IGS00、IGS05，其是用GPS观测手段来对ITRF97、ITRF2000、ITRF2005的一个实现或者确定）。

不同的坐标框架的建立可以是因为参考椭球形态选用不相同，也可以是参考椭球的定向、定位不相同。

我国的两种坐标系统的框架相对固定。

GPS定位系统采用的坐标框架有周期的更新，但参考椭球参数没有变化，只有定向上的细微变化，除非高精度的全球定位分析，一般定位情况下对各坐标框架不做区别而是笼统地称为WGS-84坐标框架。

不同的坐标框架之间可以通过转换参数实现其内坐标系的变换。

任意一个坐标系都是在一定的坐标框架下，通过一定的方式（空间三维、大地坐标、高斯平面坐标）来描述点位的绝对和相对位置的。

方式的不同，决定了坐标系的种类不同。

c)我国高铁平面精测网采用的坐标系
高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标系有：1954北京坐标系、1980西安坐标系、WGS-84坐标系。

1954 年北京坐标系
新中国建立后，我国大地测量进入全面发展时期，在全国范围开展了正规的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。

鉴于当时的历史条件，暂时采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。

其中高程异常是以前苏联1955 年大地水准面差距重新平差结果为依据，按我国的天文水准路线传算过来的。

因此1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸，它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃，相应的椭球是克拉索夫斯基椭球。

1954 年北京坐标系建立以来，我国依据此坐标系建成了全国天文大地网，完成了大量的测绘任务，但随着测绘新理论、新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在如下缺点：
➢椭球参数有较大误差。

与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大
109m；
➢参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大+68m。

使得大比例尺地图反映地
面的精度受到影响，也对观测元素的归算提出了严格要求；
➢几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一，给实际工作带来麻烦；
➢定向不明确。

椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议（习用）原点CIO（Conventional International Origin）,也不是我国地
极原点1968.0 JYD ；起始大地子午面也不是国际时间局BIH 所定义
的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误
差；
➢另外，监于该坐标系是按局部平差逐步提供大地点成果的，因而不可避免地出现一些矛盾和不够合理的地方。

尽管如此，由于习惯的沿用，居于54北京坐标系的基础地图资料和坐标数据成果仍在我国广泛使用。

1980 年国家大地坐标系（1980 年西安坐标系）
为适应大地测量发展的需要，我国也已经具备条件，1978年4月决定建立我国新的坐标系。

建立新的坐标系提出如下原则：
➢全国天文大地网整体平差要在新的参考椭球面上进行。

为此，首先建立一个新的大地坐标系，并命名为国家大地坐标系；
➢1980 年国家大地坐标系大地原点设在我国中部的西安市附近泾阳县永乐镇；
➢采用国际大地测量和物理联合会协会1975 年推荐的4 个地球椭球基本参数；
➢该椭球在定向满足两个条件：1)1980 年国家大地坐标系的椭球短轴平行于地球质心指向我国1968.0 地极原点（1968.0 JYD ）的方向；
2)大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台起始子午面；
➢椭球定位参数以我国范围内高程异常值平方和等于最小为条件求解。

新建立的1980国家大地坐标系从根本上避免了54北京坐标系的缺点，能够更好地服务于我国的测绘事业与工程测量工作。

WGS-84坐标系
该坐标系是一个协议地球参考系（CTS-Conventional Terrestrial System），其原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP-Conventional Terrestrial Pole）的北方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y 轴和Z、X轴构成右手坐标系。

WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值。

自1987年1月10日之后，GPS卫星星历均采用WGS-84坐标系统。

因此GPS 网的测站坐标及测站之间的坐标差均属于WGS-84系统。

为了求得GPS测站点在某一国家或地区的坐标系中的坐标，就必须进行坐标系的转换。

我国高速铁路平面精密控制网在坐标形式的采用上，空间直角坐标或大地坐标只是在提供首级或次级控制点成果时使用。

具体到工程建设，因为使用的直观和习惯性，一般均采用高斯平面直角坐标。

我国高速铁路平面精密控制网在坐标系统的采用上，因为各省市的基础地图资料均采用54北京或（和）80西安坐标系，高速铁路在建设过程中因土地征用，以及铁路建设需要和当地市政规划相协调一致的原因，需要提供铁路线路范围内的54北京或80西安坐标。

但是，作为高速铁路工程建设中对平面点位高精度的需要，并不直接使用54北京或80西安坐标作为工程建设的施工放样，而是使用具有更高内符合精度的WGS-84坐标来进行。

这是因为：
➢高速铁路平面精密控制网大量使用GPS定位技术，直接获取的成果坐标就是WGS-84坐标（三维空间坐标、大地坐标或高斯平面直角坐
标）；
➢国家三角点成果通常只能获取54北京或80西安坐标框架下的高精度高斯平面直角坐标，或大地经、纬度。

由于准确的大地高数值的缺
失，使得WGS-84和54北京（或80西安）坐标系之间的转换参数不能
精确确定。

➢工程建设可以采用独立的坐标系统，为了保证GPS定位技术获得的平面精测网的内符合高精度，适宜直接采用WGS-84坐标进行施工建。