水利工程测量1.ppt
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1、第第1章章绪论绪论本章学习目标本章学习目标通过本章的学习通过本章的学习,了解测量学的基本内容与任务、地球的形了解测量学的基本内容与任务、地球的形状和大小、测量常用坐标系统、测量的基本工作和测量工作必状和大小、测量常用坐标系统、测量的基本工作和测量工作必须遵守的原则须遵守的原则。1.1测量学的研究对象及水利工程测量学的任务测量学的研究对象及水利工程测量学的任务1.1.1测量学的研究对象及学科分类测量学的研究对象及学科分类测量学是研究地球及其表面的各种形态的学科,主要任务测量学是研究地球及其表面的各种形态的学科,主要任务是测定地球表面的点位和几何形状,并绘制成图,以及测定和是测定地球表面的点位和几
2、何形状,并绘制成图,以及测定和研究地球的形状和大小。研究地球的形状和大小。随着科学技术的发展,测量学已发展为多个学科。按照研究随着科学技术的发展,测量学已发展为多个学科。按照研究对象和研究范围的不同,测量学可划分为以下几个学科对象和研究范围的不同,测量学可划分为以下几个学科:(1)大地测量学大地测量学(2)地形测量学地形测量学(3)摄影测量学摄影测量学(4)工程测量学工程测量学(5)制图学制图学1.1.水利工程测量学的任务水利工程测量学的任务2水利工程测量任务水利工程测量任务1.1.2水利工程测量学的任务水利工程测量学的任务(1)为水利工程规划设计提供所需的地形资料,规划时需提供中、为水利工程
3、规划设计提供所需的地形资料,规划时需提供中、小比例尺地形图及有关信息以及进行建筑物的具体设计时需提供大小比例尺地形图及有关信息以及进行建筑物的具体设计时需提供大比例尺地形图。比例尺地形图。(2)在工程施工阶段,要将图上设计好的建筑物按其位置,大小测在工程施工阶段,要将图上设计好的建筑物按其位置,大小测设于地面,以便据此施工,称为施工放样。设于地面,以便据此施工,称为施工放样。(3)在施工过程中及工程建成后的运行管理中,都需要对建筑物的在施工过程中及工程建成后的运行管理中,都需要对建筑物的稳定性及变化情况进行监测稳定性及变化情况进行监测变形观测,确保工程安全变形观测,确保工程安全1.2测量学中确
4、定地面点位置的方法测量学中确定地面点位置的方法由测量学的定义可知,研究地球表面各种形态及服务于工程建设由测量学的定义可知,研究地球表面各种形态及服务于工程建设,首先要测定地球表面的点位,就需要对地球的形状和大小有一概略首先要测定地球表面的点位,就需要对地球的形状和大小有一概略了解,并建立适当的确定地面点位的参照标准了解,并建立适当的确定地面点位的参照标准坐标系。坐标系。1.2.1球的形状和大小球的形状和大小1.2.1.1大地水准面和参考椭球大地水准面和参考椭球 假假想想有有一一个个静静止止的的平平均均海海水水面面,延延伸伸至至陆陆地地下下面面形形成成一一个个封封闭闭的的曲曲面面,这这个个曲曲面
5、面称称为为大大地地水水准准面面(任任一一静静止止的的液体表面称作水准面液体表面称作水准面)。大地水准面所包围的形体称为大地体,大地体就代表大地水准面所包围的形体称为大地体,大地体就代表了地球的形状和大小。了地球的形状和大小。我们把选定了形状和大小并在地球上定位的旋转椭球称为参考椭球。参考椭球的表面是一个规则的数学曲面,它是测量计算和投影制图所依据的面。我们把选定了形状和大小并在地球上定位的旋转椭球称为参考椭球。参考椭球的表面是一个规则的数学曲面,它是测量计算和投影制图所依据的面。图图11大地水准面大地水准面图12参考椭球面1.2.1.2我国的大地坐标系所使用的椭球我国的大地坐标系所使用的椭球
6、建国初期,鉴于当时的历史条件,我国以前苏联选定的克拉索夫斯基椭球和普尔科夫天文台为大地原点的椭球定位为依据,利用苏联境内的三角锁与我国境内的绥芬河、呼玛、吉拉林等处三角锁联测,并平差了我国东北部三角网,得出北京基线网点的坐标,作为全国坐标起算基础,建立了我国的大地坐标系,称为”1954年北京坐标系”。后来根据新的测量数据,发现该坐标系所选的参考椭球面与我国范围内地表形态相差较大,1980年我国采用IUGG十六届大会推荐的椭球,建立了我国自己的大地坐标系,称为“1980年国家大地坐标系”1.2.2地面点位置的表示方法地面点位置的表示方法1.1.地心空间直角坐标系地心空间直角坐标系 目前,卫星大地
7、测量的日益发展,常用地心空间直角坐标来表示空间一点的目前,卫星大地测量的日益发展,常用地心空间直角坐标来表示空间一点的地心空间直角坐标系的原点设在地球椭球的中心地心空间直角坐标系的原点设在地球椭球的中心O O,用相互垂直的用相互垂直的x x、y y、z z三个轴三个轴表示,表示,x x轴通过起始子午面与赤道的交点,轴通过起始子午面与赤道的交点,z z轴与地球旋转轴重合,形成右手坐标轴与地球旋转轴重合,形成右手坐标系。如图如图系。如图如图1313所示所示 图图13 13 空间直角坐标系空间直角坐标系2.地面点的大地坐标系地面点的大地坐标系 用地面点的大地坐标系表示地面点的位置需要三个参用地面点的
8、大地坐标系表示地面点的位置需要三个参数:大地经度,大地纬度,大地高数:大地经度,大地纬度,大地高 大地经度L和大地纬度B表示地面点在参考椭球面上的二维投影位置,用大地高H表示地面点到参考椭球面的垂直距离,如图14所示 图14大地坐标系 1.2.3二维坐标系二维坐标系1.231平面直角坐标平面直角坐标在在小小范范围围进进行行测测量量工工作作时时,可可用用水水平平面面作作为为基基准准面面,平平面面直直角角坐坐标系的原点以标系的原点以O表示表示(图图15)。通过。通过O点的南北方向线为点的南北方向线为x轴轴(纵轴纵轴),向北为正,向南,向北为正,向南为负;通过为负;通过O点而垂直于点而垂直于X轴的东
9、西方向线为轴的东西方向线为Y轴轴(横轴横轴),向东为,向东为正,向西为负。象限次序按顺时针方向排列。为了避免测区内各点正,向西为负。象限次序按顺时针方向排列。为了避免测区内各点的坐标出现负值,通常将原点的坐标出现负值,通常将原点O选在测区西南角上,使地面各点都选在测区西南角上,使地面各点都投影于第投影于第1象限内。如图象限内。如图15中中,地面点,地面点A、B的位置分别用的位置分别用平面直角坐标平面直角坐标(xA、yA)、(xB、yB)表示;该两点的表示;该两点的坐标之差称为坐标增量,坐标之差称为坐标增量,以以x、y表示。坐标增表示。坐标增量可以通过测量有关距离量可以通过测量有关距离和角度进行
10、计算求得和角度进行计算求得。图15平面直角坐标232高斯平面直角坐标高斯平面直角坐标在大范围进行测量工作时,由于水平面和水准面存在较大的差异,所以不能用水平面代水准面。应将地面点投影到椭球面上,再按一定的条件投影到平面上,形成统一的平面直角坐标系。我国现采用的是高斯克吕格投影方法,该方法是按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带,如图1-6所示图16高斯平面直角坐标。再将每一带投影到平面上,以中央子午线的投影为纵轴,赤道线的投影为横轴,建立统一的平面直角坐标系统。如图1-7所示图图17高斯平面直角坐标系统高斯平面直角坐标系统 分带时,既要考虑投影后长度变形不大,又要使带数不至于过分带时,既要考虑
11、投影后长度变形不大,又要使带数不至于过多以减小换带计算工作,通常按经差多以减小换带计算工作,通常按经差6 或或3 分为六度带或三度带。分为六度带或三度带。六度带自六度带自0 子午线起每隔经差子午线起每隔经差6 自西向东分带,将整个地球分成自西向东分带,将整个地球分成60个投影带。个投影带。用第用第1、第、第2、第、第3、第、第60表示投影带的带号,如图表示投影带的带号,如图1-8所示。所示。三度带是在六度带的基础上分成的,它的中央子午线与六度带的中三度带是在六度带的基础上分成的,它的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合,即自东经央子午线和分带子午线重合,即自东经15 子午线起每隔经差
12、子午线起每隔经差3 自自西向东分带,将整个地球分成西向东分带,将整个地球分成120个投影带。用第个投影带。用第1、第、第2、第、第3、第第120表示投影带的带号。表示投影带的带号。图图1-8 1-8 椭球面分带示意图椭球面分带示意图六度带中任意带的中央子午线经度Lo为:式中,N为6投影带的带号。如图1-9所示三度带中任意带的中央子午线经度划为Ll=3n式中,n为3投影带的带号。如图1-9所示图19高斯平面分带示意图高斯平面直角坐标以赤道为零起算,赤道以北为正,以南为负 高斯平面直角坐标以赤道为零起算,赤道以北为正,以南为负高斯平面直角坐标以赤道为零起算,赤道以北为正,以南为负.1.2.4高程系
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