西南交大《工程测量学》精品课程课件01

1、第一章 绪论 1-1 测量学的产生与组成,生产、生活的需要以及建筑、农田、水利建设等 公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔，其形状与方向都很准确，说明当时已有放样的工具和方法。 我国二千多年前的夏商时代，为了治水开始了水利工程测量工作。司马迁在史记中对夏禹治水有这样的描述：“陆行乘车，水行乘船，泥行乘撬，山行乘撵（j），左准绳，右规矩、载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山。”所记录的是当时的工程勘测情景，准绳和规矩就是当时所用的测量工具，准是可揆（kiu）平的水准器，绳是丈量距离的工具，规是画圆的器具，矩则是一种可定平、测长度、高度、深度和画圆画矩形的通用测量仪器。早期的水利工程多为河道的疏导，以利防洪和灌溉，其主要的测量工作是确定水位和堤坝的高度。秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程，曾用一个石头人来标定水位，当水位超过石头人的肩时，下游将受到洪水的威胁；当水位低于石头人的脚背时，下游将出现干旱。这种标定水位的办法与现代水位测量的原理完全一样。北宋时沈括为了治理汴渠，测得“京师之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”，是水准测量的结果。1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图包括了地形图

2、、驻军图和城邑图三种，不仅所表示的内容相当丰富，绘制技术也非常熟练，在颜色使用、符号设计、内容分类和简化等方面都达到了很高水平，是目前世界上发现的最早的地图，这与当时测绘术的发达分不开。 公元前十四世纪，在幼发拉底河与尼罗河流域曾进行过土地边界的划分测量。我国的地籍管理和土地测量最早出现在殷周时期，秦、汉过渡到私田制。隋唐实行均田制，建立户籍册。宋朝按乡登记和清丈土地，出现地块图。到了明朝洪武四年，全国进行土地大清查和勘丈，编制的鱼鳞图册，是世界最早的地籍图册。,一、测量学的产生,一、测量学的产生,军事、交通运输的需要-旅行、航海等 工程测量学的发展也受到了战争的促进。中国战国时期修筑的午道，公元前210年秦始皇修建的“堑山堙谷，千八百里”直道，古罗马构筑的兵道，以及公元前218年欧洲修建的通向意大利的“汉尼拨通道”等，都是著名的军用道路。修建中应用了测量工具进行地形勘测、定线测量和隧道定向开挖测量。 唐代李筌指出“以水佐攻者强，先设水平测其高下，可以漂城，灌军，浸营，败将也”，说明了测量地势高低对军事成败的作用。中华民族伟大象征的万里长城修建于秦汉时期，这一规模巨大的防御工程，从整体

3、布局到修筑，都进行了详细的勘察测量和施工放样工作。 我国的采矿业是世界上发展最早的国家，在公元前二千多年的黄帝时代就已开始应用金属如铜器、铁器等，到了周代金属工具已普遍应用。据周礼记载，在周朝已建立了专门的采矿部门，开采时很重视矿体形状，并使用矿产地质图来辨别矿产的分布。 我国四大发明之一的指南针，从司南、指南鱼算起，有二千多年的历史，对矿山测量和其它工程勘测有很大的贡献。在国外，意大利都灵保存有公元前十五世纪的金矿巷道图。公元前十三世纪埃及也有按比例缩小的巷道图。公元前一世纪，希腊学者格罗亚里山德里斯基对地下测量和定向进行了叙述。德国在矿山测量方面有很大贡献，1556年格阿格里柯拉出版的采矿与冶金一书，专门论述了开采中用罗盘测量井下巷道的一些问题。,二、测量学（Surveying)的定义,定义: 测量学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的信息进行采集处理、管理、更新和利用的科学和技术。 它的主要任务有三个方面： 一是研究确定地球的形状和大小，为地球科学提供必要的数据和资料； 二是将地球表面的地物地貌测绘成图； 三是将图纸上的设计成果测设至现场

4、。,三、测量学科的组成,大地测量学(Geodesy ) 是研究和确定地球形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。其基本任务是建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和重力场，为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据；为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料。按照测量手段的不同，大地测量学又分为常规大地测量学、卫星大地测量学及物理大地测量学等。,地图制图学(Cartography) 是研究模拟和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术、方法以及应用的学科。它的基本任务是利用各种测量成果编制各类地图，其内容一般包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图制印等分支。,摄影测量与遥感 (Photogrammetry and remote sensing) 是研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。其基本任务是通过对摄影像片或遥感图像进行处理、量测、解译，以测定物体的形状、大小和位置进而制作成图。根据获得影像的方式及遥感距离的不同，本学科又分为地面摄影测量学，航空摄影测

5、量学和航天遥感测量等。,工程测量学(Engineering surveying) 定义一：工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。 各项工程包括：工业建设、铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线（输电线、输油管）工程、矿山和城市建设等。一般的工程建设分为规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。工程测量学是研究这三阶段所进行的各种测量工作。 定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段所进行的地形和有关信息的采集和处理，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科，它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。 定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。,测量仪器学 研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。 地形测量学 是研究如何将地球表面局部区域内的地物、地貌及其它有关信息测绘成地形图的理论、方法和技术

6、的学科。按成图方式的不同地形测图可分为模拟化测图和数字化测图。,1-2测量学的发展与作用,这 是人 类 长 期 探 索 的 问 题 。 早 在 公 元 前 6 世 纪 古 希 腊 的 毕 达 哥 拉 斯（Pythagoras） 就 提 出 了 地的球 形 状的 概 念 。,一、测量学在人类认识地球中的作用,“地球 的 形 状 是 甚 么样的？” What is the shape of the earth?,两 世 纪 后 ， 亚 里 士 多 德（Aristotle） 作 了 进 一 步 论 证 ， 支 持 这 一 学 说 。 又 一 世 纪 后 ， 埃 拉 托 斯 特 尼（Eratosthenes） 用 在 南 北 两 地 同 时 观 测 日 影 的 办 法 首 次 推 算 出 地 球 子 午 圈 的 周 长 。,其 想 法 很 简 单 ， 先 测 量地面上一段( 子 午 线) 的 弧 长 l， 再 测 量 该 弧 长所 对 的 中 心 角 。 则 地 球 的 半 径R 就 可求 得 ： R=l/ 地 球 子 午 线 的 周 长 可 等 于 L=2R 这 里 关 键 在 于 如 何

7、求 。,为 此 要 同 时 在 南 北 两 点 测 量 竖 杆 影 子 的 长 度 。 凭 影 长和 杆 高 就 可 以 求 得 两 个杆 子 与 阳 光 的 夹 角 1 和 2。 设 在 同 一 时 刻 两 地 的 阳 光 相 互 平 行 则 = 2 - 1,1,2,= 2 - 1,l,R,R=l/,L=2R,l=R,在人类认识地测球形状和大小的过程中，测量学获得了飞速的发展。 例如：三角测量和天文测量的理论和技术、高精度经纬仪制作的技术、距离丈量的技术及有关理论、测量数据处理的理论以及误差理论等。 在测量学发展的过程中很多数学家、物理学家作出了巨大的贡献，如托勒密、墨卡托等。,二、 测量学在军事的作用,“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。 要有地利就要了解和利用地利。 地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定位置、辨识方向的作用。,地图一直在军事活动中起着重要的作用，这对于行军、布防以及了解敌情等军事活动都是十分重要的。因此，早就成为军事上不可缺少的工具，获得广泛的应用。,人造卫星定位技术早期用于军事部门，后逐步解密才在测绘及其它众多部门中获得应用、海洋测

8、量技术首先是由航海的需要而产生，但其高速发展的动力主要来自军事部门的需要等等。至今军事测绘部门仍在测绘领域科技前沿对重大课题进行探索和研究,传统上各国测绘部门隶属于军事部门。至今相当多国家的测绘部门仍然隶属于军事部门。随着测绘技术在各方面的应用愈来愈广泛，测绘科技国际间的交流日益频繁，不少国家终于建立了民用的测绘机构,三、 测量学在国土管理中的作用,测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。非洲尼罗河每年泛滥会把土地的界线冲刷掉，为了每年恢复土地的界线很早就采用了测量技术,早期亦称“土地测量”、“土地清丈”等。用以测定地块的边界和坐落，求算地块的面积，在农业为主的社会里，国家为了征税而开展地籍测量，同时记录业主姓名和土地用途等。 在我国,地籍测量是国家管理土地的基础。地籍测量的成果不仅用于征税，还用于管理土地的权属以保障用地的秩序，为了提高土地利用的效益、合理和节约利用十分珍贵和有限的土地。,地籍测量,测量学还服务于国家领土的管理。战国策燕策中关于荆轲刺秦王，“图穷而匕首见”的记述，表明在战国时期地图在政治上象征着国家的领土和主权。当代，在一些国家间的领土争执中，也常以对方出版的地图上对

9、国境线的表示作为有利于己方的证据或者用测量技术为手段标定国界,四、 测量学在工程建设中的作用,1勘测设计阶段 为选线测制带状地形图。 2施工阶段 把线路和各种建筑物正确地测设到地面上。 3竣工测量 对建筑物进行竣工测量。 4运营阶段 为改建、扩大建而进行的各种测量。 5变形观测 为安全运营，防止灾害进行变形测量。,测量学在工程建设中的作用,在修建宫殿、陵墓时须要平整地基，开凿渠道修建运河须要了解地形的起伏，建造城市时中心线常要定向，开挖地道更需仔细的定向定位定高度等等。我国的考古工作者研究证实，早在2000多年前已经在修建宫殿时有平整地基的措施。,测量学在工程建设中的作用,现代的测量学作为一门能采集和表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等几何信息，以及能把设计的建筑物、设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来的技术，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。,例如，粒子加速器的磁块必须以0.1mm的精度安放在设计的位置上。某些飞行器的助飞轨道要求其准直度的偏差小于长度的10-6。建筑物建成后（甚至在施工期间）会因地基承载力弱或因自重和外力的作用而产生变形。如大坝可能位移、高层建筑物可能倾斜等。,测量学在工程建设中的作用,为了保障建筑物的安全运行，往往需要测量工作者以技术上可行的最高精度监测建筑物的变形量和变形速度的发展情况。有时还要求在一段时间内进行连续监测，为此要使用自动化的监测和记录的仪器。,测量学在工程建设中的作用,工程测量学的发展 在很长的一段时间内是非常缓慢的。直到二十世纪初，由于西方的第一、二次技术革命和工程建设规模的不断扩大，工程测量学才受到人们的重视，并发展成为测绘学的一个重要分支。以核子、电子和空间技术为标志的第三次技术革命，使工程测量学获得了迅速的发展。 20世纪50年代，世界各国在建设大型水工建筑物、长隧道、城市地铁中，对工程测量提出了一系列要求； 20世纪60年代，空间技术的发展和导弹发射场建设促使工程测量进一步发展； 20世纪70年代以来，高能物理、天体物理、人造卫星、宇宙飞行、远程武器发射等，需要建设各种巨型实验室，从测量精度和仪器自动化方面都对工程测量提出了更高的要求。二十世纪末，人

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