《土木工程测量》第7章教案1小地区控制测量.ppt

第7章 小地区控制测量 7.1 控制测量概述测量工作必须遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则。这里的“整体”是指控制测量(control survey)，其含义为控制测量应按由高等级到低等级逐级加密进行，直至最低等级的图根控制测量(mapping control survey)，再在图根控制点上安置仪器进行碎部测量或测设工作。控制测量包括平面控制测量和高程控制测量，称测定点位的(x,y)坐标为平面控制测量，测定点位的H坐标为高程控制测量。在全国范围内建立的控制网，称为国家控制网。它是全国各种比例尺测图的基本控制，也为研究地球的形状和大小，了解地壳水平形变和垂直形变的大小及趋势，为地震预测提供形变信息等服务。国家控制网是用精密测量仪器和方法依照国家三角测量和精密导线测量规范、全球定位系统(GPS)测量规范、国家一、二等水准测量规范及国家三、四等水准测量规范按一、二、三、四等四个等级、由高级到低级逐级加密点位建立的。(1)平面控制测量我国的国家平面控制网(horizontal control network)是采用逐级控制、分级布设的原则，分一、二、三、四等方法建立起来的。主要由三角测量(triangulation)法布设，在西部困难地区采用导线测量(traverse survey)法。,一等三角锁沿经线和纬线布设成纵横交叉的三角锁系，锁长200250公里，构成许多锁环。一等三角锁内由近于等边的三角形组成，边长为2030公里。二等三角测量有两种布网形式，一种是由纵横交叉的两条二等基本锁将一等锁环划分成4个大致相等的部分，这4个空白部分用二等补充网填充，称纵横锁系布网方案；另一种是在一等锁环内布设全面二等三角网(triangulation network)，称全面布网方案。二等基本锁的边长为2025公里，二等网的平均边长为13公里。一等锁的两端和二等网的中间，都要测定起算边长、天文经纬度和方位角。国家一、二等网合称为天文大地网(astro-geodetic network)。我国天文大地网于1951年开始布设，1961年基本完成，1975年修补测工作全部结束，全网约有5万个大地点。三、四等三角网为在二等三角网内的进一步加密。图7-1为广东省(含现在的海南省)的一等三角锁(triangulation chain)和二等三角基本锁的布设略图。,城市或厂矿等地区，一般应在上述国家等级控制点的基础上，根据测区的大小、城市规划或施工测量的要求，布设不同等级的城市平面控制网，以供地形测图和测设建、构筑物时使用。建立城市平面控制网可采用GPS测量、三角测量、各种形式边角组合测量和导线测量方法。平面控制测量方法的选择应因地制宜，既满足当前需要，又兼顾今后发展，做到技术先进、经济合理、确保质量、长期适用。城市测量规范规定的三角网、边角组合网、导线网的主要技术要求见表7-1表7-4。,(2)高程控制测量高程控制测量的方法主要有水准测量(leveling)三角高程测量(trigonometric leveling)。在全国领土范围内，由一系列按国家统一规范测定高程的水准点构成的网称为国家水准网。水准点上设有固定标志，以便长期保存，为国家各项建设和科学研究提供高程资料。国家水准网按逐级控制、分级布设的原则分为一、二、三、四等，其中一、二等水准测量称为精密水准测量(precise leveling)。一等水准是国家高程控制的骨干，沿地质构造稳定和坡度平缓的交通线布满全国，构成网状。一等水准路线全长为93000多公里，包括100个闭合环，环的周长为8001500公里。二等水准是国家高程控制网的全面基础，一般沿铁路、公路和河流布设。二等水准环线布设在一等水准环内，每个环的周长为300700公里，全长为137000多公里，包括822个闭合环。沿一、二等水准路线还要进行重力测量，提供重力改正数据。一、二等水准环线要定期复测，检查水准点的高程变化供研究地壳垂直运动用。三、四等水准直接为测制地形图和各项工程建设用。三等环不超过300公里；四等水准一般布设为附合在高等级水准点上的附合路线，其长度不超过80公里。全国各地地面点的高程，不论是高山、平原及江河湖面的高程都是根据国家水准网统一传算的。图7-2为广东省(含现在的海南省)的一、二等水准路线略图。,城市测量规范将城市水准测量分为二、三、四等。城市首级高程控制网不应低于三等水准，视测区需要，各等级高程控制网均可作为首级高程控制，光电测距三角高程测量可代替四等水准测量。二、三、四等及图根水准测量的主要技术要求列于表7-7。,7.2平面控制网的定向、定位与坐标正反算在新布设的平面控制网中，至少需要已知一条边的坐标方位角才可以确定控制网的方向，简称定向(orientation)；至少需要已知一个点的平面坐标才可以确定控制网的位置，简称定位。(1)地面任意两点间的坐标增量与坐标方位角的关系1)由边长的坐标方位角和水平距离计算坐标增量,7.3 导线测量(1)导线的布设将相邻控制点连成直线而构成的折线称为导线(traverse)，控制点称为导线点(traverse point)。导线测量(traverse survey)是依次测定导线边的水平距离和两相邻导线边的水平夹角，然后根据起算数据，推算各边的坐标方位角，最后求出导线点的平面坐标。水平角使用经纬仪测量，边长可以使用光电测距仪测量，也可以使用钢尺丈量。导线测量是建立小地区平面控制网常用的一种方法，在地物分布比较复杂的建筑区，视线障碍较多的隐蔽区和带状地区，多采用导线测量方法。导线的布设形式有闭合导线(closed traverse)附合导线(connecting traverse)支导线(open traverse)三种。1)闭合导线起讫于同一已知点的导线，称为闭合导线。它有3个检核条件：一个多边形内角和条件和两个坐标增量条件。2)附合导线布设在两个已知点之间的导线，称为附合导线。它有3个检核条件：一个坐标方位角条件和两个坐标增量条件。,3)支导线由一已知点C和一已知边的方向CD出发，延伸出去的导线C、9、10称为支导线。支导线只有必要的起算数据，没有检核条件，它只限于在图根导线中使用，且支导线的点数一般不应超过3个。(2)导线测量外业导线测量外业工作包括：踏勘选点、建立标志、量边、测角。1)踏勘选点及建立标志在踏勘选点之前，应到有关部门收集测区原有的地形图、高一等级控制点的成果资料，然后在地形图上初步设计导线布设路线，最后按照设计方案到实地踏勘选点。现场踏勘选点时，应注意下列事项：相邻导线点间应通视良好，以便于角度测量和距离测量。如采用钢尺量距丈量导线边长，则沿线地势应较平坦，没有丈量的障碍物。点位应选在土质坚实并便于保存之处。在点位上，视野应开阔，便于测绘周围的地物和地貌。导线边长应按参照表7-3表7-6的规定，最长不超过平均边长的2倍，相邻边长尽量不使其长短相差悬殊。导线应均匀分布在测区，便于控制整个测区。导线点位选定后，在泥土地面上，要在点位上打一木桩，桩顶钉上一小钉，作为临时性标志；在碎石或沥青路面上，可以用顶上凿有十字纹的大铁钉代替木桩；在混凝土场地或路面上，可以用钢凿凿一十字纹，再涂上红油漆使标志明显。,若导线点需要长期保存，则可以参照图7-8埋设混凝土导线点标石。导线点在地形图上的表示符号见图7-9，图中的2.0表示符号正方形的长宽为2mm，1.6表示符号圆的直径为1.6mm。导线点埋设后，为便于观测时寻找。可以在点位附近房角或电线杆等明显地物上用红油漆标明指示导线点的位置。应为每一个导线点绘制一张点之记(description of station)。,2)导线边长测量图根导线边长可以使用检定过的钢尺丈量或检定过的光电测距仪测量。钢尺量距宜采用双次丈量方法，其较差的相对误差不应大于1/3000。钢尺的尺长改正数大于1/10000时，应加尺长改正；量距时平均尺温与检定时温度相差大于10时，应进行温度改正；尺面倾斜大于1.5%时，应进行倾斜改正。3)导线转折角测量导线转折角(traverse angle)是指在导线点上由相邻导线边构成的水平角。导线转折角分为左角和右角，在导线前进方向左侧的水平角称为左角，右侧的水平角称为右角。如果观测没有误差，在同一个导线点测得的左角与右角之和应等于360。图根导线(mapping traverse)的转折角可以用DJ6经纬仪测回法观测一测回。(3)闭合导线测量内业计算导线测量内业计算的目的是计算各导线点的坐标。计算之前，应全面检查导线测量的外业记录：数据是否齐全，有无遗漏、记错或算错，成果是否符合规范的要求。检查无误后，就可以绘制导线略图，将已知数据和观测成果标注于图上，如图7-11所示。,7.4 交会定点的计算交会定点(intersection location)是通过测量交会点与周边已知坐标点所构成三角形的水平角，来计算交会点的平面坐标，它是加密小地区平面控制点的方法之一。按交会的图形，交会定点可以分成前方交会(forward intersection)侧方交会(side intersection)后方交会(resection)；按观测值类型，交会定点可以分成测角交会(angular intersection)测边交会(linear intersection)边角交会(linear-angular intersection)。本节只介绍测角交会的坐标计算方法，测边交会和边角交会的坐标计算方法可由测角交会方法推出。主流全站仪的程序测量功能都带有交会定点计算功能，只要按其要求观测了水平角和边长并输入已知点的坐标，就可以自动计算出交会点的坐标。,(4)使用NTS-355进行边角后方交会测量使用边角后方交会测量时，只需要对两个已知点进行观测。设I10、I11点为已知控制点，且C点的坐标也已知，可以使用NTS-355全站仪的后方交会功能测量C点的坐标。首先在计算机中启动NTS320通讯软件，并输入I10、I11点的三维坐标(也可以在仪器中直接输入)，使用通讯电缆CE-203连接好全站仪和计算机，打开全站仪电源，然后将其上传到NTS-355全站仪的文件QC中。在C点安置好全站仪，量取仪器高(假定为1.463m)，操作全站仪进行边角后方交会测定C点坐标的操作步骤如下：,(4)使用NTS-355进行边角后方交会测量使用边角后方交会测量时，只需要对两个已知点进行观测。设I10、I11点为已知控制点，且C点的坐标也已知，可以使用NTS-355全站仪的后方交会功能测量C点的坐标。首先在计算机中启动NTS320通讯软件，并输入I10、I11点的三维坐标(也可以在仪器中直接输入)，使用通讯电缆CE-203连接好全站仪和计算机，打开全站仪电源，然后将其上传到NTS-355全站仪的文件QC中。在C点安置好全站仪，量取仪器高后，即可操作仪器测量。7.5 三、四等水准测量小地区一般以三等或四等水准网作为首级高程控制，地形测量时再用图根水准测量或三角高程测量进行加密。三、四等水准点的高程应从附近的一、二等水准点引测，布设成附合或闭合水准路线，其点位应选在土质坚硬、便于长期保存和使用的地方，并应埋设水准标石。也可以利用埋设了标石的平面控制点作为水准点，埋设的水准点应绘制点之记。在第2章的2.3节中介绍了图根水准测量的方法，本节介绍三、四等水准测量的方法。(1)三、四等水准测量的技术要求三、四等水准测量所用仪器及主要技术要求见表7-7，每站观测的技术要求见表7-11。,(2)三、四等水准测量的方法三、四等水准测量观测应在通视良好、望远镜成像清晰及稳定的情况下进行。下面介绍双面尺法的观测程序。1)一站观测顺序 在测站上安置水准仪，使圆水准气泡居中，后视水准尺黑面，用上、下视距丝读数，记入表7-12中(1)、(2)位置；旋转微倾螺旋，使管水准气泡居中，用中丝读数，记入表7-12中(3)位置。前视水准尺黑面，用上、下视距丝读数，记入表7-12中(4)、(5)位置；旋转微倾螺旋，使管水准气泡居中，用中丝读数，记入表7-12中(6)位置。前视水准尺红面，旋转微倾螺旋，使管水准气泡居中，用中丝读数，记入表7-12中(7)位置。后视水准尺红面，旋转微倾螺旋，使管水准气泡居中，用中丝读数，记入表7-12中(8)位置。以上观测顺序简称为后、前、前、后。,2)一站计算与检核 视距计算与检核根据前、后视的上、下丝读数计算前、后视的视距(9)和(10)：后视距离(9)=(1)-(2)10前视距离(10)=(4)-(5)10计算前、后视距差(11)：(11)=(9)-(10)对于三等水准，(11)不超过3m，对于四等水准，(11)不超过5m。计算前、后视视距累积差(12)：(12)=上站(12)+本站(11)对于三等水准，(12)不超过6m，对于四等水准，(12)不超过10m。水准尺读数检核同一水准尺黑面与红面读数差的检核：(13)=(6)+K-(7)(14)=(3)+K-(8)K为双面水准尺的红面分划与黑面分划的零点差(本例，106尺的K=4787mm，107尺的K=4687mm)。对于三等水准，(13)、(14)不超过2mm，对于四等水准，(13)、(14)不超过3mm。,高差计算与检核按前、后视水准尺红、黑面中丝读数分别计算一站高差：黑面高差(15)=(3)-(6)1000红面高差(16)=(8)-(7)1000红黑面高差之差(17)=(15)-(16)0.1=(14)-(13)对于三等水准，(17)不超过3mm，对于四等水准，(17)不超过5mm。红、黑面高差之差在容许范围以内时，取其平均值作为该站的观测高差：(18)=(15)+(16)/2,(3)三、四等水准测量成果处理水准测量成果处理是根据已知点高程和水准路线的观测高差，求出待定点的高程值。第2章2.3节介绍的图根水准测量成果处理方法是一种近似的成果处理方法，他不能用于三、四等水准测量的成果处理。城市测量规范规定，各等级高程控制网(指一、二、三、四等水准网)应采用条件平差或间接平差进行成果计算，条件平差或间接平差是符合最小二乘原理的严密平差方法，本书没有介绍它们的内容，所以，三、四等水准测量成果处理的方法已经超出了本书的范围。如果需要，可以使用专用平差计算软件如武汉大学测绘学院开发的“科傻”软件或南方测绘公司的“平差易”软件进行计算。7.6 三角高程测量当地形高低起伏、两点间高差较大而不便于进行水准测量时，可以使用三角高程测量(trigono-metric leveling)的方法测定两点间的高差和点的高程。由第3章3.5节的内容可知，进行三角高程测量时，应测定两点间的水平距离或斜距以及竖直角。根据测量距离方法的不同，三角高程测量又分为光电测距三角高程测量和经纬仪三角高程测量，前者可以代替四等水准测量，后者主要用于山区图根高程控制。(1)三角高程测量的严密计算公式,