工程测量基础知识.docx

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工程测量基础知识

第一节工程测量基础概念及工程测量的重要性

在工程建设的设计、施工和管理各阶段中进行测量工作的理论、方法和技术，称为“工程测量”。

工程测量是测绘科学与技术在国民经济和国防建设中的直接应用，是综合性的应用测绘科学与技术。

按工程建设的进行程序，工程测量可分为规划设计阶段的测量，施工兴建阶段的测量和竣工后的运营管理阶段的测量。

规划设计阶段的测量主要是提供地形资料。

取得地形资料的方法是，在所建立的控制测量的基础上进行地面测图或航空摄影测量。

施工兴建阶段的测量的主要任务是，按照设计要求在实地准确地标定建筑物各部分的平面位置和高程，作为施工与安装的依据。

一般也要求先建立施工控制网，然后根据工程的要求进行各种测量工作。

竣工后的营运管理阶段的测量，包括竣工测量以及为监视工程安全状况的变形观测与维修养护等测量工作。

按工程测量所服务的工程种类，也可分为建筑工程测量、线路测量、桥梁与隧道测量、矿山测量、城市测量和水利工程测量等。

此外，还将用于大型设备的高精度定位和变形观测称为高精度工程测量；将摄影测量技术应用于工程建设称为工程摄影测量。

工程测量是直接为工程建设服务的，它的服务和应用范围包括城建、地质、铁路、交通、房地产管理、水利电力、能源、航天和国防等各种工程建设部门。

无论是工程进程各阶段的测量工作，还是不同工程的测量工作，都需要根据误差分析和测量平差理论选择适当的测量手段，并对测量成果进行处理和分析，也就是说，测量数据处理也是工程测量的重要内容。

在当代国民经济建设中，测量技术的应用十分广泛。

在很多工程建设中，从规划、勘测、设计、施工及管理和运营阶段等的决策和实施都需要有力的测绘技术保障。

在研究地球自然和人文现象，解决人口、资源、环境和灾害等社会可持续发展中的重大问题以及国民经济和国防建设的重大抉择同样需要测绘技术提供技术支撑和数据保障。

第二节常用仪器及其操作方法

1.水准仪及其操作

常用的水准仪为DS3型微倾式水准仪（见图1）。

水准仪可以提供一条水平视线，通过观测水准尺读数，测算两点间的高差。

其基本操作程序为：

安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。

图1DS3型微倾水准仪

（1）、安置仪器

①．在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。

②．从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。

（2）、粗略整平

通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。

具体操作步骤如下。

①．如图2所示，用两手按箭头所指的相对方向转动脚螺旋1和2，使气泡沿着1、2连线方

图2粗略整平

向由a移至b。

②．用左手按箭头所指方向转动脚螺旋3，使气泡由b移至中心。

整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。

（3）、瞄准水准尺

①．目镜调焦松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。

②．初步瞄准通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。

③．物镜调焦转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。

④．精确瞄准转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央，如图3所示。

图3精确瞄准

⑤．消除视差眼睛在目镜端上下移动，有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，这种现象叫视差。

产生视差的原因是水准尺的尺像与十字丝平面不重合。

视差的存在将影响读数的正确性，应予消除。

消除视差的方法是仔细地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合。

（4）、精确整平

精确整平简称精平。

眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气图4精确整平

泡两端的影像严密吻合。

此时视线即为水平视线。

微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致，如图4所示。

（5）、读数

符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数。

读数时应从小数向大数读，如果从望远镜中看到的水准尺影像是倒像，在尺上应从上到下读取。

直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。

读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。

2.经纬仪及其操作

经纬仪用于角度测量，包括水平角测量及竖直角测量。

常用的经纬仪有J2型和J6型。

其结构主要由基座、照准部、度盘三部分组成。

（见图5）经纬仪操作的基本程序：

架设仪器、对中、整平、照准、读数。

图5经纬仪构造

（1）、架设仪器：

将经纬仪放置在架头上，使架头大致水平，旋紧连接螺旋。

（2）、对中：

目的是使仪器中心与测站点位于同一铅垂线上。

可以移动脚架、旋转脚螺旋使对中标志准确对准测站点的中心。

（3）、整平：

目的是使仪器竖轴铅垂，水平度盘水平。

根据水平角的定义，是两条方向线的夹角在水平面上的投影，所以水平度盘一定要水平。

①．粗平：

伸缩脚架腿，使圆水准气泡居中。

检查并精确对中：

检查对中标志是否偏离地面点。

如果偏离了，旋松三角架上的连接螺旋，平移仪器基座使对中标志准确对准测站点的中心，拧紧连接螺旋。

②．精平：

旋转脚螺旋，使管水准气泡居中。

（4）、瞄准与读数：

①．目镜对光：

目镜调焦使十字丝清晰。

②．瞄准和物镜对光：

粗瞄目标，物镜调焦使目标清晰。

注意消除视差。

精瞄目标。

③．读数：

调整照明反光镜，使读数窗亮度适中，旋转读数显微镜的目镜使刻划线清晰，然后读数。

3.光电测距仪原理

图6光电测距原理

如图6所示，欲测定A、B两点间的距离D，可在A点安置能发射和接收光波的光电测距仪，在B点设置反射棱镜，光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又返回到测距仪。

通过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大气中的传播速度c，按下式计算距离D：

D=1/2ct

光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。

高精度的测距仪，一般采用相位式。

相位式光电测距仪的测距原理是：

由光源发出的光通过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。

通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差φ来解算距离。

4.全站仪简介

全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

它是够能自动测量和计算，并通过电子手簿或直接实现数据自动记录、存储和输出。

几乎可以用在所有的测量领域。

因其精度高、操作简便、易于掌握，在现在的工程建设中得到了广泛的应用。

全站仪的操作过程与经纬仪基本相似，在此就不再赘述了。

第三节控制测量

控制测量是工程建设中各项测量工作的基础，包括高程控制测量和平面控制测量两项内容。

1.高程控制

为了统一全国的高程系统，我国采用与黄海平均海水面相吻合的大地水准面作为全国高程系统的基准面，我国采用的高程系统有“1956黄海高程系”及“1985年国家高程基准”。

常用高程控制测量方法有：

水准测量和三角高程测量。

水准测量是依据几何原理用水准仪和水准标尺测定地面两点间高差的方法。

水准测量是高程测量中精度最高和最常用的一种方法，被广泛应用于高程控制测量和各类施工测量中。

水准测量施测方法　水准测量是用沿水准路线逐点向前推进的方式实施。

为了测量地面上A、P两点间高差（见图7），先将水准标尺R1竖立在水准点A（高程已知）上，再将水准标尺R2竖立在一定距离的B点上，在A、B之间安置水准仪。

依据水准仪的水平视线，在标尺上分别读数，两标尺读数差就是A、B两点间的高差hAB。

第一站测完后，B点上水准标尺R2保持不动，A点的水准标尺R1移至C点，水准仪移至BC的中间，测得B、C两点间高差hBC，如此继续推进至P点，A、P两点间的高差

hAP=hAB+hBC+……+h×P。

图7水准测量原理示意图

除了水准测量外，三角高程测量也是比较常用的高程控制方法。

三角高程测量是通过观测两点间的水平距离和天顶距（或竖直角）而采用三角函数计算来求定两点间的高差的方法。

它观测方法简单，不受地形条件限制，是测定大地控制点高程的基本方法。

三角高程测量的基本原理如图8，A、B为地面上两点，自A点观测B点的竖直角为α1.2，S0为两点间水平距离，i1为A点仪器高，i2为B点觇标高，则A、B两点间高差为

h1.2=S0tanα1.2＋i1－i2

图8三角高程测量基本原理图

2.平面控制

我国常用的平面坐标系有：

（1）1954年北京坐标系

该坐标系是通过与原苏联1942年坐标系联测而建立的。

是苏联1942年坐标系的延伸，其原点不在北京，而在苏联普尔科沃。

（2）1980年西安坐标系

1978年4月召开的“全国天文大地网平差会议”上决定建立我国新的坐标系，称为1980年国家大地坐标系。

其大地原点设在西安西北的永乐镇，简称西安原点。

（3）新1954年北京坐标系

将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新1954年北京坐标系。

该坐标系与1980年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。

（4）WGS84坐标系

在GPS定位中，定位结果属于WGS-84坐标系。

该坐标系是使用了更高精度的VLBL、SLR等成果而建立的。

坐标系原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0协议地极（CTP）。

平面控制测量的目的是精确测定控制点的平面位置。

根据测量工作需要，在测区内选择一系列控制点，形成平面控制网。

通过观测各点间的水平角及边长，用三角函数来计算控制点的坐标。

平面控制网的主要布设形式有三角网（图9）和导线网（图10-1、图10-2）两种形式。

图9三角控制网示意图

三角网是国家大地控制网的基本布设形式，故亦称国家三角网。

导线网常用于工程建设中控制网点的加密。

导线网又可分为闭合导线、附和导线和支导线（因缺少校核条件而不常用）三种布设形式。

图10-1闭合导线示意图图10-2附合导线示意图

导线的坐标计算：

首先，根据起始边的已知坐标方位角及改正后的水平角，按下述左/右角公式推算其它各导线边的坐标方位角。

前=

后+β左±180°（左角公式）

或

前=

后-β右±180°（右角公式）

α前是导线点的前进边方位角，α后导线点的后边方位角β左是指所测水平角位于导线前进边的左侧，β左是指所测水平角位于导线前进边的右侧。

计算检核：

最后推算出起始边坐标方位角，它应与原有的起始边已知坐标方位角相等，否则应重新检查计算。

检核无误后，按下式进行坐标增量的计算。

△X=Dcos

△Y=Dsin

最后进行坐标的推算。

X前=X后+△X

Y前=Y后+△Y

第四节地形测绘及数字测图

地形测绘即对地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小，用符号和注记绘制成地形图的工作。

地形测量包括控制测量和碎部测量。

控制测量前面已经有过介绍，下面主要介绍地形碎部测量。

碎部测量是测绘地物地形的作业。

地物特征点、地形特征点统称为碎部点。

图11

在以前没有全站仪的情况下，碎部点的平面位置常用极坐标法测定，碎部点的高程通常用视距测量法测定。

按所用仪器不同，有平板仪测图法、经纬仪和小平板仪联合测图法、经纬仪（配合轻便展点工具）测图法等。

它们的作业过程基本相同。

测图前将绘图纸或聚酯薄膜固定在测图板上，在图纸上绘出坐标格网，展绘出图廓点和所有控制点，经检核确认点位正确后进行测图。

测图时，用测图板上已展绘的控制点或临时测定的点作为测站，在测站上安置整平平板仪并定向，然后用望远镜照准碎部点，通过测站点的直尺边即为指向碎部点的方向线，再用视距测量方法测定测站至碎部点的水平距离和高程，按测图比例尺沿直尺边沿自测站截取相应长，即碎部点在图上的平面位置，并在点旁注记高程。

这样逐站边测边绘，即可测绘出地形图（图11）。

随着计算机技术的迅猛发展和全站仪的广泛应用，数字化测图已经成为地形测绘发展的主流趋势。

已经日益广泛的应用于工程建设的各个阶段。

数字测图系统是以计算机为核心，连接测量仪器的输入输出设备，在硬件和软件的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、编辑、成图、输出、绘图、管理的测绘系统。

数字测图系统的综合框图如图11所示。

图11数字测图系统示意图

用全站仪在测站进行数字化测图，称为地面数字测图。

由于用全站仪直接测定地物点和地形点的精度很高，所以，地面数字测图是几种数字测图方法中精度最高的一种，也是城市大比例尺地形图最主要的测图方法。

若测区已有地形图，则可利用数字化仪或扫描仪将其数字化，然后，再利用数字测图系统将其修测或更新，得到所需的数字地形图。

对于大面积的测图，通常可采用航测方法或数字摄影测量方法，通过解析立体测图仪或数字摄影测量系统得到数字地形图。

地面数字测图系统，其模式主要有两种，即数字测记法模式和电子平板模式。

数字测记法模式为野外测记，室内成图，即用全站仪测量，电子手簿记录，同时配以人工画草图和编码系统，到室内将野外测量数据从电子手簿直接传输到计算机中，再配以成图软件，根据编码系统以及参考草图编辑成图。

使用的电子手簿可以是全站仪原配套的电子手簿，也可以是专门的记录手簿，或者直接利用全站仪具有的存储器和存储卡作为记录手簿。

测记法成图的软件也有许多种。

电子平板模式为野外测绘，实时显示，现场编辑成图。

所谓电子平板测量，即将全站仪与装有成图软件的便携机联机，在测站上全站仪实测地形点，计算机屏幕现场显示点位和图形，并可对其进行编辑，满足测图要求后，将测量和编辑数据存盘。

这样，相当于在现场就得到一张平板仪测绘的地形图，因此，无需画草图，并可在现场将测得图形和实地相对照，如果有错误和遗漏，也能得到及时纠正。

地形图图面上的符号和注记在手工制图中是一项繁重的工作。

用计算机成图不需要逐个绘制每一个符号，而只需先把各种符号按地形图图式的规定预先做好，并按地形编码系统建立符号库，存放在计算机中。

使用时，只需按位置调用相应的符号，使其出现在图上指定的位置。

这样进行符号注记，快速简便。

地形图符号分为比例符号、非比例符号及半比例符号三种。

这些符号的处理方法如下：

（1）．比例符号的绘制

比例符号主要是一些较大地物的轮廓线，依比例缩小后，图形保持与地面实物相似，如房屋、道路、桥梁、河流等。

这些符号一般是由图形元素的点、直线段、曲线段等组合而成，因而可以通过获取这些图形元素的特征点用绘图软件绘制。

（2）．非比例符号的绘制

非比例符号主要是指一些独立的、面积较小但具有重要意义或不可忽视的地物，如测量控制点、水井、界址点等。

非比例尺符号的特点是仅表示该地物中心点的位置，而不代表其大小。

对这些符号的处理，可先按照图式标准将符号做好存放于符号库中，在成图时，按其位置调用，绘制于图上。

（3）．半比例符号的绘制

半比例符号在图上代表一些线状地物，如围墙、斜坡、境界等。

这些符号的特点是在长度上依比例。

在处理这些符号时，可对每一个线状地物符号编制一个子程序，需要时，调用这些子程序，只需输入该线状地物转折处的特征点，即可由程序绘出该线状地物。

（4）．符号的面填充

地面的植被、土质等按照图式规定绘制一定的代表性符号均匀分布在图上该范围内，这种绘图作业可由绘图软件的“面填充”功能来完成。

（5）．说明注记

图上的说明注记分为数字注记、字母注记和汉字注记三种。

数字注记和字母注记一般为绘图程序中所固有的，注记比较方便；对于汉字注记，可先建立矢量汉字库，根据汉字特征码进行注记，对于汉化的CASS软件，则可直接进行汉字注记。

第五节工程测设的基本工作

测设也就是常说的放样，它是根据工程设计图纸上待建的建筑物、构筑物的轴线位置、尺寸及其高程，算出待建的建、构筑物各特征点（或轴线交点）与控制点（或原有建,构筑物特征点）之间的距离，角度，高差等测设数据，然后以地面控制点为依据，将待建的建,构筑物的特征点在实地标定出来，以便施工。

测设的基本工作是测设已知的水平距离,水平角度和高程。

1.测设已知水平距离

测设已知水平距离就是从地面直线的一个端点开始，沿指定直线的方向测设一段已知的水平距离，定出直线的另一端点的测设工作。

测设水平距离的工作，按使用仪器工具不同，有使用钢尺测设和使用光电测距仪测设两种。

一般中、高精度的距离测设都采用光电测距仪测量，若用钢尺测量，必须要进行尺长改正及温度改正。

如图12，设A为地面上的已知点，D为设计的水平距离，需要从A点开始沿AB方向测设水平距离D设，以标定端点B。

可先根据设计水平距离D设，按一般方法在地面概略地定出B′点，如图7.2所示，然后按照第四章介绍的方法，精密丈量AB′的水平距离，并加入尺长、温度及倾斜改正数，设求出AB′的水平距离为D。

若D不等于D设，则按下式计算改正数ΔD，并进行改正，以标定B点位置。

图12测设已知水平距离

2.测设已知水平角

测设已知水平角工作与测量水平角的工作正好相反。

测设已知水平角实际上是根据地面上已有的一条方向线和设计的水平角值，用经纬仪在地面上标定出另一条方向线的工作。

水平角测设一般采用盘左盘右分中法，或叫正倒镜法。

如图13所示，A点为已知点，AB为已知方向，欲测设一水平角β，在地面上标定出AC方向线。

测设时，首先在A点安置经纬仪，对中，整平，用盘左位置瞄准B点，使水平度盘读数为0°00′00″，顺时针转动照准部至水平度盘读数为β值时，对准视线在地面上做标记C′，然后换成盘右位置瞄准B点，重复前面的操作，又在地面上做标记C″点，最后取C′C″连线的中点C。

AC与AB两方向线之间的水平夹角就是要测设的β角。

为了检核，可重新观测AB与AC两方向线之间的水平角，并与设计值比较。

图13正倒镜分中法测设水平角示意图

3.测设已知高程

测设已知高程就是根据地面上已知水准点的高程和设计点的高程，在地面上测设出设计点的高程标志线的工作。

如图14所示，已知某水准点的高程H水，欲在附近测设一高程为H设的B点的高程标志。

测设时，先在水准点与待测设点之间安置水准仪，在水准点上立尺，读出后视读数a，由此求出仪器的视线高Hi＝H水＋a，再根据B点的设计高程计算出水准尺立于该标志线上的应读前视数b应＝Hi－H设，然后，将水准尺紧贴B点木桩的侧面，并上下挪动，使水准仪望远镜的十字丝横丝正好对准应读前视数b应，沿尺底画一短横线，该短横线的高程即为欲测设的已知高程。

为了检核，可改变仪器的高度，重新读出后视读数和前视读数，计算该短横线的高程，与设计高程比较，符合要求，该短横线作为测设的高程标志线。

并注记相应高程符号和数值。

图14测设已知高程示意图

第六节常用测量术语解释

1.测量学：

测量学是研究整个地球的形状及大小和确定地球表面点位关系的一门学科。

2.测绘：

测绘是测量和地图制图的简称。

测量就是获取反映地球形状、地球重力场、地球上自然和社会要素的位置、形状、空间关系、区域空间结构的数据。

地图制图是将这些数据经处理、分析或综合后加以表达和利用的一种形式。

3.测设：

测设是根据工程图纸，将图上设计的建（构）筑物在实地上标定出来，作为施工或定界的依据，又称放样。

4.测量的基准线与基准面：

基准线：

铅垂线（即重力指向方向）。

基准面：

水准面（即处处和重力方向垂直的曲面）。

5.大地水准面：

大地水准面是指平均海平面通过大陆延伸勾画出的一个封闭连续的封闭曲面。

6.海拔：

某点至大地水准面的垂直距离。

也叫绝对高程。

7.水平角：

水平角是指相交的两条直线在同一水平面上的投影所夹的角度，或指分别过两条直线所作的竖直面所夹的二面角。

8.天顶距：

天顶距是竖直面内，铅垂线天顶方向与某一方向线的夹角。

9.竖直角：

竖直角是指在同一竖直面内，某一方向线与水平线的夹角，测量上又称为倾斜角或竖角。

天顶距：

天顶距是竖直面内，铅垂线天顶方向与某一方向线的夹角。

10.测回：

测回即对某一量进行盘左盘右测量。

11.方位角：

以特定基准方向为起点（一般为北方），依顺时针方式旋转至指定方向的夹角度。

12.三角高程测量：

三角高程测量是根据两点间的水平距离及竖直角应用三角学公式计算两点间的高差。

13.比例尺：

指图上一段长度与实地相应线段的实际长度的比值。

14.中误差：

测量工作中，用标准差来衡量观测的精度，但在实际工作中，观测次数有限，故取标准差的估值作为中误差。

15.高差：

指两点间高程的差值。

16.平距：

指两点间的水平距离。

17.地形：

地形是地物和地貌的总称。

18.地物：

地物是地面上天然或人工形成的物体。

19.地貌：

地貌是地面的高低起伏状态。

20.等高线：

地面上高程相同的各相邻点所连成的闭合曲线，叫做等高线。

21.等高距：

相邻等高线之间的高差称为等高距。

22.等高线平距：

相临两等高线之间的水平距离称为等高线平距。

23.首曲线：

按规范规定的基本等高距描绘的等高线称为首曲线。

24.计曲线：

为便于读图，每隔四条首曲线加粗的一条等高线，称为计曲线。