水利工程測量

水利工程測量量主講：郭向紅紅太原理工大學(xué)學(xué)水利科學(xué)與與工程學(xué)院個人簡介郭向紅，博士士，講師。主主要研究方向向節(jié)水灌溉理理論與技術(shù)、、土壤水動力力學(xué)計算機模模擬、土壤-作物-大氣（SPAC）系統(tǒng)水分傳傳輸與模擬。。作為主要完完成人參與了了國家自然科科學(xué)基金項目目、國家“863”項目，國家家科技部支撐撐項目、山西西省科技攻關(guān)關(guān)項目、山西西省研究生創(chuàng)創(chuàng)新項目、太太原市大學(xué)生生創(chuàng)新項目等等多項縱向項項目。在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報報》、《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報報》、《水科學(xué)進展》、《水利學(xué)報》、《排灌機械工程程學(xué)報》、《應(yīng)用基礎(chǔ)與工工程科學(xué)學(xué)報報》、《HydrologyResearch》等發(fā)表論文20余篇，被EI、SCI、ISTP收錄10余篇。榮獲山山西省科技進進步一等獎1項，山西省高高等學(xué)?？萍技歼M步一等獎獎1項，國家知識識產(chǎn)權(quán)局軟件件著作權(quán)2項，第六屆農(nóng)農(nóng)業(yè)水土工程程專業(yè)委員會會學(xué)術(shù)會年會會優(yōu)秀青年學(xué)學(xué)術(shù)論文1項。主講本科科生課程：《水利工程測量量》、《農(nóng)田水利學(xué)》、《灌溉工程新技技術(shù)》、《Fortran程序設(shè)計》，碩士博士研研究生課程：：《排灌理論與技技術(shù)》。課程性質(zhì)、目目的和任務(wù)《水利工程測量量》是水利工程專專業(yè)的一門技技術(shù)基礎(chǔ)課，，其教學(xué)目的的是培養(yǎng)學(xué)生生具有測繪科科學(xué)方面的基基礎(chǔ)理論知識識和基本的測測繪技能。本課程的教學(xué)學(xué)任務(wù)是通過過理論講授、、實驗和教學(xué)學(xué)實習，使學(xué)學(xué)生逐步掌握握水利工程測測量方面的基基礎(chǔ)理論、掌掌握常規(guī)測量量儀器的操作作使用方法、、掌握小區(qū)域域大比例尺地地形圖的測繪繪方法、掌握握水利工程施施工放樣測量量技術(shù)，并具具有正確使用用測繪資料的的能力，為今今后從事本專專業(yè)的勘測、、規(guī)劃、設(shè)計計、施工及管管理打下基礎(chǔ)礎(chǔ)。教學(xué)環(huán)節(jié)水利工程測量課堂講授課程實驗測量實習本學(xué)期下學(xué)期課程考核方法法課堂表現(xiàn)試卷成績作業(yè)每節(jié)課開始之之前對上節(jié)課課內(nèi)容進行提提問每章作業(yè)完成成情況第一章緒論論§1.1水工程測量的的任務(wù)§1.2地面上點位的的確定§1.3用水平面代替替水準面的限限度§1.4測量工作的基基本原則§1.5測繪科學(xué)的發(fā)發(fā)展概況§1.1水工程測量的的任務(wù)一、測量學(xué)的的含義及其分分類1、定義：研究究地球及其表表面各種形態(tài)態(tài)的學(xué)科,主要任務(wù)是測測定地球表表面的的點位和幾何何形狀，并繪繪制成圖，以以及測定和研研究地球的形形狀和大小。。2、分類：【1】大地測量學(xué)【2】地形測量學(xué)【3】攝影測量學(xué)【4】工程測量學(xué)【5】地圖制圖學(xué)大地測量學(xué)研究在地球表表面大區(qū)域內(nèi)內(nèi)建立國家大大地控制網(wǎng)，，測定地球形形狀大小和地地球重力場的的理論、技術(shù)術(shù)和方法的科科學(xué)，稱為大大地測量學(xué)地形測量學(xué)研究小區(qū)域內(nèi)內(nèi)測繪地形圖圖的基本理論論、技術(shù)和方方法的學(xué)科稱稱為地形測量量學(xué)攝影測量學(xué)利用攝影像片片測定物體的的形狀、大小小和空間位置置的方法稱為為攝影測量學(xué)學(xué)。工程測量學(xué)研究礦山、水水利、道路、、城市建設(shè)等等各項工程建建設(shè)在規(guī)劃設(shè)設(shè)計、施工和和工程管理階階段進行的各各項測量工作作的學(xué)科。地圖制圖學(xué)研究地圖及其其制作理論、、工藝和應(yīng)用用的學(xué)科，稱稱為地圖制圖圖學(xué)。二、水利工程程測量的任務(wù)務(wù)1、為水利工程程規(guī)劃設(shè)計提提供所需的地地形資料。規(guī)規(guī)劃時需提供供中、小比例例尺地形圖及及有關(guān)信息，，建筑物設(shè)計計時要測繪大大比例尺地形形圖。2、施工階段要要將圖上設(shè)計計好的建筑物物按其位置、、大小測設(shè)于于地面，以便便據(jù)此施工，，稱為施工放放樣。3、在施工過程程中及工程建建成后運行管管理中，需要要對建筑物的的穩(wěn)定性及變變化情況進行行監(jiān)測——變形觀測，確確保工程安全全?！?.2地面上點位的的確定認識地球是人人類探索的目目標之一，也也是測量學(xué)的的任務(wù)之一;絕大多數(shù)測量量工作是在地地球上進行，，或以地球作作為參考系。。地物：地面上上的道路、河河流、房屋等等地面上位置置固定的天然然、人工物體體。地貌：地表高高低起伏的形形態(tài)。地形：地物和和地貌的總稱稱。一、地球的形形狀和大小1、地球的形狀狀和大小地球既圍繞太太陽旋轉(zhuǎn)又繞繞自己的軸自自轉(zhuǎn)，地球上上的物體將受受到地球、太太陽、月亮引引力、離心力力等多種力的的作用，而其其中主要是受受到離心力和和地球質(zhì)心吸吸引力的作用用，這兩個力的合合力稱為重力力，重力方向向即為垂線方方向。由于地球的自自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，，使得地球成成橢球形，其其赤道半徑大大，極半徑小小。地球表面面并不光滑，，形狀十分復(fù)復(fù)雜，有高山山平原，江河河湖泊，如：：有高于海平面面8848m珠穆朗瑪峰有低于海平面面11022m馬里亞納海溝溝但是這樣的高高低變化與地地球半徑6371km相比只有1/600變化是微小的的。因為海洋洋約占整個地地球表面的71%?！锼匀藗冊O(shè)設(shè)想將靜止的的海水面向整整個陸地延伸伸，用所形成成的封閉曲面面代替地球表表面，這個曲曲面稱為大地地水準面。大大地水準面所所包含的形體體，稱為大地地體，它代表表了地球的自自然形狀和大大小。2、水準面定義：設(shè)想以以一個靜止不不動的水面向向陸地延伸，，形成一個閉閉合的曲面包包圍整個地球球，，稱這個閉合合曲面為水準準面。特點：1.重力等位面，，其表面處處處與重力方向向垂直。2.有無窮多個，，但各水準面面之間是不平平行的。3.是不規(guī)則的閉閉合曲面水準面地球自然表面面3、大地水準面面定義：水準面面有無數(shù)個，，其中通過平平均海水面的的一個水準面面稱為大地水水準面。作用：測量工工作的基準面面獲?。何覈谠谇鄭u設(shè)有驗驗潮站大地水準面包包圍的形體稱稱為大地體地球自然表面面大地水準面4、旋轉(zhuǎn)橢球面面與旋轉(zhuǎn)橢球球體由于大地水準準面是不規(guī)則則曲面，無法法準確描述和和計算。也難難以在其面上上處理測量成成果。因此，，用一個非常常接近大地水水準面的數(shù)學(xué)學(xué)模型——旋轉(zhuǎn)橢球面代代替大地水準準面。用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢球體描述述的地球，稱稱為參考橢球球體。構(gòu)成：由橢圓圓NWSWE繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而形成的的。要求：①總質(zhì)質(zhì)量=地球質(zhì)量，中中心與質(zhì)心重重合，短軸與與旋轉(zhuǎn)重合。。②旋轉(zhuǎn)角速度度與地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度相等。。③表面與大地地水準面擬合合最好。大地水準面與與橢球面高差差最大差為±200m旋轉(zhuǎn)橢球面大地水準面abNSWEa=6378140m扁率α=(a-b)/a=1:298.257（1）1954年北京坐標系系，采用前蘇蘇聯(lián)克拉索夫夫斯基參考橢球體參參數(shù)：a=6378245m=1:298.3（2）1980年國家大地坐坐標系采用國國際大地測量量協(xié)會與地球物理聯(lián)合合會在1975年推薦的IUGG-75地球橢球。其參數(shù)：a=6378140m=1:298.257（3）在測量工作作范圍不大時時，可將地球球看作圓球體體，以球面代代替大地水準準面，其半徑徑R=6371km二、地面上點點位的表示方方法（一）坐標1、地理坐標以以經(jīng)度和緯緯度表示地面面點位置的稱稱為地理坐標標。NSWEoλ首子午線格林威治φ地面上任意點點M（λ、Φ）子午面子午線又叫經(jīng)經(jīng)線M點的經(jīng)度M點的緯度空間位置包括括點在球面上上的位置和到水準面的的距離2、高斯平面直直角坐標以中央子午線線作為坐標縱縱軸（用X表示）以赤道道作為坐標橫橫軸（用Y表示））。S赤道中央子子午線線中央子子午線線赤道NNS6°帶的劃劃分為為限限制高高斯投投影離離中央央子午午線愈愈遠，，長度度變形形愈大大的缺缺點，，從經(jīng)經(jīng)度0°開始，，將整整個地地球分分成60個帶，，6°為一帶帶。9o0o3o6o1220102o105o108o111o120o1819114o12o117o500kmyMyxM我國高高斯平平面直直角坐坐標的的表示示。方法：：（1）先將將自然然值的的橫坐坐標Y加上500000米；（2）再在在新的的橫坐坐標Y之前標標以2位數(shù)的的帶號號。例如：：M點位于于111o中央子子午線線以西西4321.90m，那么么對應(yīng)應(yīng)的高高斯坐坐標的的橫坐坐標是是多少少？第一步步：計計算帶帶號N=(111+3)/6=19第二步步：計計算橫橫坐標標19500000-4321.90=19495678.103°帶的劃劃分從從東東經(jīng)1°30開始，，將整整個地地球分分成120個帶，，3°為一帶帶。例如，，南京京市處處于東東經(jīng)118°47，即6°帶號Ｎ=(118°47’+3°°)/6°°=20.3=20Ｌ０=6×20-3=117°°3°帶號即n=118°47′′/3°=39.6=40Ｌ０=3=3°××40=120°適用于于：測測區(qū)范范圍較較大，，不能能將測測區(qū)曲曲面當當作平平面看看待。。3、平面面直角角坐標標系適用于于：測測區(qū)范范圍較較小，，可將將測區(qū)區(qū)曲面面當作作平面面看待待。西y(東)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AyAxAox(北)獨立平平面直直角系系原點點一般般選擇擇在測測區(qū)西西南角角直接將將地面面點沿沿鉛垂垂線方方向投投影到到水平平面上上。在在實際際測量量中，，一般般將坐坐標原原點選選在測測區(qū)的的西南南角，，使測測區(qū)內(nèi)內(nèi)的點點位坐坐標均均為正正值，，并以以該測測區(qū)的的子午午線(或磁子子午線線)的投影影為X軸，向向北為為正，，與之之相垂垂直的的為Y軸，向向東為為正，，由此此建立立了該該測區(qū)區(qū)的獨獨立平平面直直角坐坐標系系。其與數(shù)數(shù)學(xué)中中平面面直角角坐標標系相相比，，不同同點：：1．測量量上取取南北北方向向為縱縱軸（（X軸），，東西西方向向為橫橫軸（（Y軸）2．角度度方向向順時時針度度量，，象限限順時時針編編號。。相同點點：數(shù)數(shù)學(xué)中中的三三角公公式在在測量量計算算中可可直接接應(yīng)用用。（二））高程程1、絕對對高程程（海海拔））：指指地面面點沿沿鉛垂垂線方方向到到大地地水準準面的的距離離，用用Ｈ表表示。。2、相對對高程程：地地面上上一點點到假假定水水準面面的鉛鉛垂距距離（（H′）3、高差差：地地面上上兩點點間的的高程程之差差。（（h）AB點的高高差：：hAB=HB-HA=HB’-HA’ABHAHBH'AH'B大地水水準面面假定水水準面面黃海平平均海海水面面hAB三、地地面點點的相相互位位置關(guān)關(guān)系及及測量量的基基本工工作水平距距離、、水平平角及及高程程是確確定地地面點點相對對位置置的三三個基基本幾幾何要要素。。要確確定地地面點點的相相對位位置常常規(guī)測測量的的基本本工作作是：：①測測距距離D②測角度度（β）③測測高高差hABCabcxyαβ§1.3用水平平面代代替水水準面面的限限度一、地地球曲曲率對對水平平距離離的影影響oA’B’ABCtdRαR———地球半半徑6371Kmα——圓心角角將tgα用級數(shù)數(shù)展開開，去去前兩兩項，，得：：因為α=d/R，故：：相對誤誤差：表1水平面面代替替水準準面的的距離離誤差差和相相對誤誤差距離D/km距離誤差ΔD/mm相對誤差ΔD/D1081/1220000251281/2000005010261/4900010082121/12000由表可可知，，在半半徑為為10km的范圍圍內(nèi)（（相當當于面面積320km2），用用水平平面代代替水水準面面可不不考慮慮地球球曲率率對距距離的的影響響。當精度度要求求較低低時，，還可可以將將測量量范圍圍的半半徑擴擴大到到25km(相當于于面積積2000km2)。二、地地球曲曲率對對高程程的影影響B(tài)’A’ABCtdRα將secα用級數(shù)數(shù)展開開，取取前兩兩項，，得：：代入得得：因為α=d/R，故：：取R＝637lkm，則得得相應(yīng)應(yīng)的高高差誤誤差值值，如如表所所列。。距離D/km0.l0.20.30.40.512510△h/mm0.83713207831419627848表2水平面面代替替水準準面的的高差差誤差差由表可可知，，在進行行水準準(高程)測量時時，應(yīng)應(yīng)當用用水準準面作作為測測量的的基準準面?！?.4測量工工作的的基本本原則則1、測量量工作作的基基本原原則在實際際測量量工作作中應(yīng)應(yīng)當遵遵守以以下基基本原原則:在測量量布局局上，