土木工程测量

1绪论

1.1测量学的任务及其作用

测量学是研究地球的形状和大小以及确定地面点位的科学。其内容包括两部分，即测定和测设。测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据或成果，将地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、国防建设、规划设计及科学研究使用。测设（放样）是指用一定的测量方法，按要求的精度，把设计图纸上规划设计好的建(构）筑物的平面位置和高程标定在实地上，作为施工的依据。测量学按其研究的范围和对象的不同，可分为大地测量学、普通测量学、摄影测量学、海洋测量学、工程测量学及地图制图学等。本教材主要介绍土木工程在各个阶段所进行的测绘工作(简称土木工程测量）。土木工程测量与普通测量学、工程测量学等学科都有着密切的联系，其主要内容有测图、用图、放样和变形观测等。测量学是一门历史悠久的科学，早在几千年前，由于当时社会生产发展的需要，中国、埃及、希腊等国家的劳动人民就开始创造与运用测量工具进行测量。我国在古代就发明了指南针、浑天仪等测量仪器，为天文、航海及测绘地图做出了重要的贡献。随着人类社会需求和近代科学技术的发展，测绘技术已由常规的大地测量发展到空间卫星大地测量，由航空摄影测量发展到航天遥感技术的应用；测量对象由地球表面扩展到空间星球，由静态发展到动态；测量仪器已广泛趋向精密化、电子化和自动化。从20世纪50年代起，我国的测绘事业进一步得到了蓬勃发展，在天文大地测量、人造卫星大地测量、航空摄影与遥感、精密工程测量、近代平差计算、测量仪器研制以及测绘人才培养等方面，都取得了令人鼓舞的成就。我国的测绘科学技术已居世界先进行列。测绘技术是了解自然、改造自然的重要手段，也是国民经济建设中一项基础性、前期和超前期的工作，应用广泛。它能为城镇规划、市政工程、土地与房地产开发、农业、防灾、科研等方面提供各种比例尺的现状地形图或专用图和测绘资料；同时按照规划设计部门的要求，进行道路规划定线和拨地测量，以及市政工程、工业与民用建筑工程等土木建筑工程的勘察测量，直接为建设工程项目的设计与施工服务；在工程施工过程和运营管理阶段，对高层、大型建（构）筑物进行沉降、位移、倾斜等变形观测，以确保建（构）筑物的安全，并为建（构）筑物结构和地基基础的研究提供各种可靠的测量数据。所以测绘工作将直接关系到工程的质量和预期效益的实现，是我国现代化建设不可缺少的一项重要工作。随着测绘科技的发展以及新技术的研究开发与应用，必将为各个行业及时提供更多更好的信息服务与准确、适用的测绘成果。

1.2地球的形状和大小

测绘工作是在地球的自然表面上进行的，而地球自然表面是极不平坦和不规则的，其中有高达8848.86m的珠穆朗玛峰，也有深至11022m的马里亚纳海沟，尽管它们高低起伏悬殊，但与半径为6371km的地球比较，都是可以忽略不计的。此外，地球表面海洋面积约占71%，陆地面积仅占29%。因此，人们设想以一个静止不动的海水面延伸穿越陆地，形成一个闭合的曲面包围整个地球，这个闭合的曲面称之为水准面。由于海水面在涨落变化，水准面可有无数个，其中通过平均海水面的一个水准面称为大地水准面，它是测量工作的基准面。由大地水准面所包围的地球形体，称为大地体，如图1-1a所示。

水准面是受地球重力影响而形成的，它的特点是水准面上任意一点的铅垂线（重力作用线）都垂直于该点的曲面。由于地球内部质量分布不均匀，重力也受其影响，故引起了铅垂线方向的变动，致使大地水准面成为一个有微小起伏的复杂曲面。如果将地球表面的图形投影到这个复杂曲面上，对于地形制图或测量计算工作都是非常困难的。为此，人们经过几个世纪的观测和推算，选用一个既非常接近大地体，又能用数学式表示的规则几何形体来代表地球的实际形体，这个几何形体是由一个椭圆NWSE绕其短轴NS旋转而成的形体，称为地球椭球体或旋转椭球体，如图1-1b所示。