工程测量

大学工程测量知识全面总结，主要介绍了测绘学的基本概念、测量技术、测量基准以及高程测量、坐标测量等多个方面。“测量技术”部分详细说明了测绘学的核心技术，包括传统几何测量和全球卫星定位技术等。详细解释了水准测量（最精密）、三角高程测量、气压高程测量、GNSS高程测量等多种方法，并给出了高程测量的计算方法和所需仪器。

工程测量

• 绪论
  • 基本概念
    • 测量学
      • 研究地球表面局部区域内测绘工作的基本理论、技术、方法和应用的学科
      • 核心问题：确定地面点的空间位置
        • 平面坐标
        • 高程
        • 距离、角度、高差
    • 测绘学
      • 研究与地球有关的地理空间信息的采集、处理、显示、管理、利用的科学技术
    • 测量技术（实质：确定地面点位置）
      • 定位
      • 放样（测设）
  • 地面点位的确定方法
    • 传统几何测量
      • 导线测量
        • 极坐标定位原理，卫星定位至少需要4颗卫星
    • 全球卫星定位技术
  • 地面点的表示
    • 测量基准
      • 基准线
        • 铅垂线（重力作用线）
          • 外业测量
        • 法线
          • 内业计算
      • 基准面
        • 水准面
          • 重力等位面，不规则曲面
          • 处处与重力方向垂直
          • 无穷个
        • 大地水准面（大地体）
          • 外业测绘工作
          • 不规则曲面，与重力垂直，重力场不均匀
          • 光滑封闭曲面
          • 唯一
        • 参考椭球体
          • 形状、大小近似大地体
          • 规则曲面体
        • 我国大地坐标系
          • 1954北京坐标系
          • 1980西安坐标系
            • 参心坐标系
            • 原点：陕西泾阳永乐镇
          • 2000国家大地坐标系（CGCS2000）
            • 地心坐标系
    • 高程（点沿基准线到基准面的距离）
      • 绝对高程（海拔/正高）
        • 水准测量
        • 高程基准面
          • 1956黄海高程系（青岛）
          • 1985国家高程基准
            • 以此为起算面的高程为正常高高程
      • 相对高程（假定高程）一标高H'
      • 大地高高程
        • 卫星定位
    • 坐标
      • 地理坐标
      • 空间直角坐标
      • 高斯平面直角坐标
        • 等角投影：保角性和长度变形固定 左手坐标系，横y纵X，y=N×（10）6十5×（10）5+y
        • 分带投影
          • 6带
            • L=6N-3 N=Int（L/6）+1
          • 3带
            • L=3N N=Int［（L-1.5）/3］+1
      • 独立平面直角坐标
  • 水平面代替
    • 100㎞²
  • 测量基本原则和内容
    • 基本原则
      • 从整体到局部
      • 先控制后碎（细）部
      • 先高级后低级
      • 步步有检核
    • 基本内容（测量三要素）
      • 水平角
      • 水平距离
      • 高差
• 高程测量
  • 水准测量（最精密）
    • 原理：利用水准尺水平视线，读取竖立在两点水准尺的读数，从而确定两点间的高差，再根据已知点的高程推算待定点的高程。hAB=a-b
      • a、b与HA、HB的高低相反
    • 计算方法
      • 高差法：HB=HA+hAB=HA+（a-b）
      • 视线高法：HB=Hi（视线高程）-b Hi=HA+a
      • 高差法用于多种路线，视线高法常用于面城（断面）高程测量
    • 水准仪
      • 型号：D一大地测量，S一水准仪，05、1一往返测高差中数的中误差（精度）：±0.5mm/km、±1mm/km，Z一自动安平
    • 构成
      • 望远镜
        • 物镜、物镜调焦透镜、目镜
        • 十字丝分划板
          • 正交长线一十字丝，横一中丝
          • 上、下两短线一上/下丝（视距丝）一视距丝间隔用于测视距
            • 视距：（上丝读数-下丝读数）x100
      • 水准器
        • 圆水准器一铅垂
          • 粗平
        • 管水准器一水平
          • 精平
      • 基座
    • 操作步骤
      • 微倾水准仪
        • 安置仪器
        • 粗略整平（左手大拇指法则）
        • 照准水准尺
          • 目镜调焦
          • 初步瞄准
          • 物镜调焦
          • 精确照准
          • 消除视差
            • 目标的像与十字丝板不重合，产生照准误差
            • 判定方法：眼睛上下移动，中丝与水准尺影像之间是否有相对移动（读数变化）
            • 产生原因：两镜调焦不精确，成像与十字丝平面不重合
            • 消除方法：分别进行目镜调焦和物镜调焦至眼睛上下移动读数不变
        • 精确整平（微倾螺旋）
        • 读数
          • 从小到大读数（若标尺倾斜，读数偏大）
      • 自动安平水准仪
        • 安置仪器
        • 粗略整平
        • 照准水准尺
        • （消除视差）
        • 读数
      • 电子水准仪
    • 辅助工具
      • 水准尺［直尺（精度最高）、塔尺、折尺］
        • 单面尺
        • 双面尺（三、四等）
          • 4687mm
          • 4787mm
      • 尺垫（尺台）：转点处支撑水准尺
        • 转点：传递高程的过渡点
        • 测段：控制点之间的距离
    • 水准测量
      • 分类
        • 一、二等（国家高程控制的基础）
        • 三、四等（地形测图和工程建设提供必需的高程控制）
        • 等外（五等和图根）
        • 工程测量为二、三、四、五等
      • 水准点（BM）
        • 测定高程的控制点
        • 分类
          • 永久性
          • 临时性
        • 位置选择：土质坚硬，易于长期保存和使用方便的地方
      • 检核
        • 测站检核
          • 变动仪高法
          • 双面尺法（常用）
        • 路线检核
          • 附合水准路线（已知到另一已知）
            • fh=∑h测-（H终-H始）
          • 闭合水准路线
            • fh=∑h测
          • 支水准路线（已知到未知）
            • fh=∑h往+∑h返
          • 高差闭合差fh限差
        • 一个测段偶数个测站
      • 观测顺序
        • 后前前后（黑黑红红）
        • 后后前前（黑红黑红）（四等可用）
      • 内业计算
        • 闭合差调整
          • 反号加权（四舍六入，五看奇偶）
  • 三角高程测量
  • 气压高程测量
  • GNSS高程测量
• 角度测量
  • 水平角（确定点的平面位置）
    • 测站与两目标的视线在同一个水平面上垂直投影所形成的夹角β，0°~360°。
    • β=b-a（右目标读数-左目标读数）
    • 测量方法
      • 测回法（两个目标）
        • 步骤
          • 盘左读取a左、b左
          • 盘右读取b右、a右
          • ①盘左顺转，盘右逆转 ②竖盘相对望远镜在左则为盘左，反之盘右 ③测量前需配角，起始角≥0°00'00" ④各测回起始读数配角变换量为180°/n，n为测回数
        • 计算
          • 上半测回角值β左=b左-a左 下半测回角值β右=b右一a右
            • DJ6：丨β右-β左丨≤36"，DJ2：丨β右-β左丨≤18"
          • 一测回角值β=（β左+β右）/2
            • β之差：DJ6：≤24"，DJ2：≤12"
          • 结果取β的平均值
      • 全圆方向法（多于3个目标）
        • 两倍照准误差（2C）：2C=盘左读数-（盘右读数±180°）
      • 方向观测法（2个或3个方向）
  • 坚直角（三角高程测量确定高程/斜距化平距时使用）
    • 测站与目标的视线与水平面之间的夹角α，-90°~90°。（仰角为正，俯角为负）
      • 测量前读数为90°或270°
      • 计算
        • 盘左：α=α左+X=（90°-L）+X 盘右；α=α右-X=（R-270°）-X
        • 结果：α=（α左+α右）/2=［（R-L）-180°］/2
        • 竖盘指标差：X=（L+R-360°）/2
          • DJ6：≤20"，DJ2：≤16"
  • 仪器
    • 光学经纬仪
      • 照准部
      • 水平度盘
      • 基座
    • 电子经纬仪
    • 全站仪
    • D一大地测量，J一经纬仪，07、1一1测回水平方向观测中的误差一0.7"、1”
  • 操作步骤
    • 光学经纬仪
      • 对中
        • 垂球/光学对点器对中（使位于同一铅垂线）
      • 整平
        • 左手姆指法则
      • 照准
        • 水平角：竖丝照准目标（单丝均分）
        • 竖直角：横丝照准目标顶部
      • 读数
        • 测微微轮上下分划线对齐
  • 辅助工具
    • 觇牌、测钎、标杆
• 距离测量
  • 钢尺量距
    • 用钢卷尺沿地面直接丈量距离
    • 钢尺
      • 端点尺
      • 刻线尺
        • 精度更高
    • 辅助工具
      • 测钎、花杆、锤球、弹簧秤、温度计
    • 步骤
      • 直线定线：为了不使线段偏离，在直线方向设立若干标记点
        • 目估定线（普通量距，cm）
        • 仪器定线（精密量距，精度1/10000~1/20000）
      • 距离丈量
        • 一般方法
          • 整尺段丈量，最后加余长：DAB=nL+q
          • ①往返丈量 ②返测时重新定线 ③丈量结果取往返距离平均值 ④相对误差K校核精度（平坦地区K≤1/3000，一般：K≤1/2000，）
        • 精密方法
          • ①仪器精确定线 ②拉力均衡（弹簧秆测定拉力） ③丈量温度（温度改正） ④1/10000<K<1/20000
          • 计算
            • 一般形式：It=I0（名义长度）+ΔI（标准温度t0时尺长改正值）+α（线膨胀系数）l0（t-t0）
            • 成果处理：①尺长改正：Δld=ΔI×I/I0 ②温度改正：ΔIt=αI（t-t0） ③倾斜改正：ΔIh=-h²/2I L=I+ΔId+ΔIt+ΔIh
            • 精度评定：K=丨D往-D返丨/D均=1/M（M一般凑成整百数的形式）
  • 视距测量
    • 测距误差：1/100~1/300》钢尺量距 高差精度巜水准测量
    • 水平
      • 距离D=100I 高差h=i（仪器高）-v（中丝读数）
    • 倾斜
      • S=Kl'=Klcosα D=Scosα=KIcos²α h=Dtanα+i-v
  • 电磁波测距（精度最高）
    • 优点：量程长，精度高，作业快，工作强度低，几乎不受地形限制（精度越远越高）
    • 分类
      • 脉冲式测距仪（精度低0.5~1m）
      • 相位式测距仪
    • 标称精度：mD（测距中误差）=±（a（固定误差，mm）+10⁻⁶×b（比例误差，10⁻⁶~ppm）×D（所测距离，km）
    • 成果整理：①加常数C的改正：D=D'（所测距离）+C ②乘常数改正：D'×K+D'=D ③气象改正：D'×Ka+D'=D ④倾斜改正：D=Scosα（ΔD=-h²/2S，D=S+ΔD）
  • 全球卫星定位卫星测距
• 坐标测量
  • 直线定向
    • 确定两点间直线与标准方向之间的水平角
    • 方法
      • 方位角
        • 由直线起点标准方向的北端起算顺时针至某直线的水平角，0°~360°
        • 真方位角
          • 真子午线（切线）方向北端起算顺时针至某直线的水平角，A 天文测量方法或陀螺经纬仪测定
        • 磁方位角
          • 磁子午线方向（磁针在地球磁场作用下，磁到自由静止时其轴线所指的方向）北端起算顺时针至某直线的水平角，Am 罗盘仪测定
        • 坐标方位角
          • 坐标纵轴（中央子午线）方向北端起算顺时针至某直线的水平角，α 两点已知坐标反算得到
          • 正反坐标方位角之间的关系：αQP=αPQ±180°
          • 坐标方位角的推算
            • αi，i+1=αi-1，i十βi左（-β右）一180°（+180°）
              • 若结果α>360°则-360°，若<0°则+360°
          • 坐标正、反算
            • 坐标正算
              • 已知边长、坐标方位角，由已知点求待定点坐标
              • 子主题
            • 坐标反算
              • 已知两点坐标，求边长和坐标方位角
              • D=（ΔX²+Δy²）½ R=arctan丨Δy/ΔX|，由R推算α
      • 象限角
        • 直线与标准方向（北/南）之间所夹的锐角R，0°~90°
        • 象限角需同时注明角度与象限
        • 象限角与坐标方位角的换算
  • 平面坐标测定
    • 水平角、水平距离
      • 极坐标法
      • 导线法
    • 水平角
      • 角度交会法（水平角尽量≥30°，否则误差较大）
    • 水平距离
      • 距离交会法
      • 自由设站法
    • 高程
      • 水准测量
      • 三角高程测量
        • h（单向高差）=D（水平距离）tanα（竖直角）+i（仪器高）-S（目标高）+f（球气差改正）
        • 往返测高差中数：h=½［（Dtanα-D'tanα'）+（i-i'）-（S-S'）］
        • 球气差改正：f=6.75D²=（1-K）×D²/2R （K一大气垂直遮光，R一地球半径）
          • 对向观测可消除球气差
          • 隔站法，尽量减小前后视距差以削弱球气差
• 地形图
  • 基本知识
    • 地图是按照一定的数学法则，使用地图语言，通过制图综合，表示地面上地理事物的分布、联系及其随时间发展变化状态的图形
    • 基本特征
      • 数学法则
      • 符号表示（地图语言）
      • 制图综合（地图概括）
    • 地图要素
      • 数学要素（数字比例尺，坐标格网，控制点和指向标志）
      • 地理要素
        • 自然要素（水系、地貌、土质与植被等）
        • 社会经济要素（居民地、交通网、行政区等）
        • 其他要素（环境污染与保护，灾害与预，军事设施与行动路线等）
      • 辅助要素（图外要素、整饰要素、图外注记）：图廓以外所表示的内容
        • 工具性要素（图例、图示比例尺、坡度尺等）
        • 说明性要素（图名、图号等）
        • 补充性要素（附图、图像、表格等）
    • 分类
      • 普通地图
      • 专题地图
  • 地形图测绘
    • 能反映自然地貌和人为改造的自然环境
    • 比例尺
      • 分类
        • 数字比例尺
        • 图示比例尺
        • 斜分比例尺
      • 基本比例尺
        • 大比例尺（1：500，1：1000，1：2000，1：5000）
        • 中比例尺（1：10000，1：25000，1：50000，1：100000）
        • 小比例尺（1：250000，1：500000，1：1000000）
      • 比例尺（最大）精度（0.1mm所代表的实地距离）
        • 数字地形图不存在比例尺精度问题
        • 计算：0.1mm×比例尺分母
        • 比例尺越大，精度越高，地图越详细
    • 分幅和编号
      • 方法
        • 梯形分幅法
          • 以经纬线为分幅界线，以1:1000000比例尺地形图为基础，实行全球统一分幅和编 号。因此，梯形分幅法又称为国际分幅法
          • 1：1000000（经分6°，纬分4°）
            • 行号=Int(B/4°)+1，结果转换成A~N的英文字母
            • 列号 = Int(L/6°)+31
          • 通用公式
            • 本图行号=Int［（B北-B）/本图纬度差］+1
            • 本图列号=lnt［（L-L西）/本图经度差］+1
            • 各差值根据比例尺顺序依次折半，特别的在1：250000到1：100000时发生一次1/3的突变
          • 编号：1：1000000行号（_）+列号（_ _）+比例尺代码［A~H］（_）+本图行号（_ _ _）+列号（_ _ _）
        • 矩形分幅法（大比例尺采用）
          • 标准分幅编序法：以西南角坐标进行编号
            • 坐标精度：1：5000取1km，1：2000和1：1000取0.1km，1：500取0.01km
    • 图外注记
      • 大比例地形图
        • 图名图号、比例尺、邻接图表、内外图廓和坐标网线、其他要素。（其中1：5000的增加了坡度尺和政区略图）
          • 坡度i=tanα（地面倾角）=h（等高距）/d（等高线平距/图上距离）M（比例尺分母）
      • 中、小比例地形图
        • 增加内外图廊、坡度尺、三北方向图和地磁标志点（1：25000~1：10000）以及高度表、深度表和投影方法（1：250000~1：1000000）。
          • 小比例尺用分层设色法表示地貌高程变化
    • 图式
      • 原则：简明、象形、易于判断地物
      • 地形
        • 地貌：地球表面的高低起伏状态，例如：高山.丘陵.平原，洼地
          • 地貌符号（等高线）
            • 地面上高程相等的相邻点连成的闭合曲线
            • 相邻等高线之间的距离称为等高距h
              • 同一测区的相同比例尺地形图，等高距相同，称为基本等高距
            • 相邻等高线之间的水平距离称为等高线平距d（实地距离）
              • d越小坡度越大
            • 典型地貌等高线
              • 山丘、洼地
              • 山脊、山谷
                • 根据示坡线判断，示坡线指向低处"一"
              • 鞍部
              • 陡崖（坡度≥70°）
                • 悬崖：上部突出，下部凹进的陡崖。上部等高线投影到水平面时与下部等高线相交，下部凹进的等高线用虚线表示。
            • 分类
              • 首曲线（基本等高线）
              • 计曲线（每隔4条首曲线就加粗）
              • 间曲线（1/2基本等高距绘制等高线，半距等高线）
              • 助曲线（1/4基本等高距绘制的等高线）
            • 特性
              • 同一条等高线上，各点的高程必然相等。
              • 等高线是闭合曲线，如果不在本幅图内闭合必然在其他图幅内闭合。
              • 不同高程的等高线不能相交。但某些特殊地貌，如陡崖和悬崖等，用特定符号表示等高线在此相交或重叠。
              • 一幅地形图的基本等高距相等。等高线平距小， 坡度陡；平距大，坡度缓；平距相等，坡度 相同。
              • 等高线与山脊线、山谷线正交。
        • 地物：地面上有明显轮廓的，无然形成或人工建造的固定轮廓的物体，例如：江河，湖泊
          • 地物符号
            • 依比例尺符号（面状符号）一形状、大小
            • 不依比例尺符号一位置
            • 半依比例尺符号（线状符号）一长度、方向
            • 地物注记
    • 绘制方法
      • 实地测绘成图法
        • 原则：从整体到局部，先控制后碎部，先高级后低级
        • 控制测量
          • 技术设计，实地选点、标石埋设和造标（埋石选点），数据观测，平差计算
            • 控制点要求稳固，能长期保存，便于观测和扩展加密（导线控制点还需保证相邻总之间通视良好）
          • 平面控制测量
            • 分类
              • 国家平面控制
              • 工程平面控制
              • 小区域平面控制
            • 方法
              • 三角形网测量
                • 三角网测量
                  • 一等三角网沿经纬方向布设，不仅是二等平面控制网的基础，还为研究地球形状和大小提供了重要的科学数据。
                  • 水平角、水平距离
                • 三边网测量
                  • 所有边长
                • 边角网测量
                  • 水平角、水平距离
              • 导线测量
                • 水平距离、水平角（转折角）
                  • ①结合坐标方位角计算方法进行平差计算 ②fβ=∑β测-∑β理 ③fβ反号平均分配 ④长度反号加权分配 ⑤丅=f/∑D=1/K
          • 高程控制测量
            • 水准测量
              • 全国范围内采用水准测量方法建立的高程控制网称为国家水准网
              • 高差
            • 三角高程测量
              • 距离、坚直角
            • GNSS高程测量
              • 载波相位
            • 代替四等及以下等级测量
        • 碎部测量
      • 航空摄影测量成图法
      • 遥感成图法
      • 编绘成图法