工程測(cè)量第2章工程控制網(wǎng)理論與方

2023/12/291工程測(cè)量學(xué)第二章工程控制網(wǎng)實(shí)際與方法主要內(nèi)容2.1概述2.2工程丈量坐標(biāo)系統(tǒng)2.3工程控制網(wǎng)的基準(zhǔn)2.4坐標(biāo)變換與基準(zhǔn)變換2.5工程控制網(wǎng)的建立2023/12/292本次課重點(diǎn)內(nèi)容：〔1〕工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟〔2〕施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)〔3〕常用坐標(biāo)系：空間直角坐標(biāo)系、空間大地坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系、地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系2023/12/2932.1概述2.1.1丈量控制網(wǎng)的分類2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2.1.4施工控制網(wǎng)2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2.1.6安裝丈量控制網(wǎng)2023/12/294丈量控制網(wǎng)由位于地面的一系列控制點(diǎn)構(gòu)成，控制點(diǎn)的空間位置是經(jīng)過知點(diǎn)的坐標(biāo)及控制點(diǎn)之間的邊長(zhǎng)〔或空間基線〕、方向〔角度〕或〔和〕高差等觀丈量確定的。全球控制網(wǎng)：由國(guó)際組織在全球范圍建立的大地丈量參考框架，主要用于確定、研討地球的外形、大小及其運(yùn)動(dòng)變化。及確定和研討地球板塊運(yùn)動(dòng)等。2023/12/2952.1.1丈量控制網(wǎng)的分類2023/12/296國(guó)家控制網(wǎng)由各國(guó)測(cè)繪部門建立的區(qū)域性大地丈量參考框架。提供全國(guó)范圍內(nèi)的一致地理坐標(biāo)系統(tǒng)；保證國(guó)家根本圖的測(cè)繪和更新；滿足大比例尺測(cè)圖的精度要求；為精細(xì)地確定地面點(diǎn)的位置提供知點(diǎn)的及其特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。工程控制網(wǎng)是工程工程的空間位置參考框架，是針對(duì)某項(xiàng)詳細(xì)工程建立測(cè)圖、施工或管理的需求，在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)的平面和高程控制網(wǎng)。2.1.1丈量控制網(wǎng)的分類2023/12/297一、分類按用途分：測(cè)圖控制網(wǎng)施工〔丈量〕控制網(wǎng)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝〔丈量〕控制網(wǎng)2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/12/298按網(wǎng)點(diǎn)性質(zhì)分：一維網(wǎng)〔或稱水準(zhǔn)網(wǎng)、高程網(wǎng)〕二維網(wǎng)〔或稱平面網(wǎng)〕三維網(wǎng)按施測(cè)方法劃分：測(cè)角網(wǎng)測(cè)邊網(wǎng)邊角網(wǎng)GPS網(wǎng)2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟按坐標(biāo)系和基準(zhǔn)分為附合網(wǎng)〔約束網(wǎng)〕獨(dú)立網(wǎng)經(jīng)典自在網(wǎng)自在網(wǎng)2023/12/2992.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/12/2910按其他規(guī)范劃分：首級(jí)網(wǎng)加密網(wǎng)特殊網(wǎng)公用網(wǎng)〔如隧道控制網(wǎng)、建筑方格網(wǎng)、橋梁控制網(wǎng)等〕2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/12/2911二、作用工程控制網(wǎng)也具有控制全局、提供基準(zhǔn)和控制丈量誤差積累的作用。三、建網(wǎng)步驟遵照大地丈量學(xué)的原理，要有坐標(biāo)系和基準(zhǔn)要構(gòu)成網(wǎng)要逐級(jí)布設(shè)等。2.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟步驟主要是：①確定控制網(wǎng)的等級(jí)；②確定布網(wǎng)方式；③確定丈量?jī)x器和操作規(guī)程〔國(guó)家或行業(yè)規(guī)范〕④在圖上選點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)，到實(shí)地踏勘；⑤埋設(shè)標(biāo)石、標(biāo)志；⑥外業(yè)觀測(cè)；⑦內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處置；⑧提交成果。2023/12/29122.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟2023/12/2913作用：控制丈量誤差的累積；保證圖上內(nèi)容的精度均勻；相鄰圖幅正確拼接。測(cè)圖控制網(wǎng)的精度是按測(cè)圖比例尺的大小確定的，通常應(yīng)使平面控制網(wǎng)能滿足1:500比例尺測(cè)圖精度要求。2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2023/12/2914測(cè)圖控制網(wǎng)的等級(jí)：二\三\四等三角網(wǎng)；一\二級(jí)小三角網(wǎng)；一\二\三級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)；一\二級(jí)導(dǎo)線。GPS首級(jí)網(wǎng)@加密網(wǎng)盡量減少布網(wǎng)的層次，且一次性加密，便于控制起始數(shù)據(jù)誤差的影響，也使加密點(diǎn)精度趨于均勻；@GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，首級(jí)、加密GPS或者首級(jí)GPS，加密傳統(tǒng)方法；2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2023/12/2915測(cè)圖控制網(wǎng)中的大比例尺高程控制網(wǎng)：方法：通常是水準(zhǔn)丈量；等級(jí)：二\三\四級(jí)；精度：規(guī)范對(duì)不同等級(jí)有不同要求；三角高程替代水準(zhǔn)時(shí)留意：@斜距<=1km；@有利時(shí)間觀測(cè)，需往返測(cè)且往返時(shí)間短，兩臺(tái)儀器對(duì)測(cè)；@各控制點(diǎn)的高程觀測(cè)應(yīng)組成閉合環(huán)以添加平差條件；@角度、儀器及標(biāo)靶按規(guī)范觀測(cè)。2.1.3測(cè)圖控制網(wǎng)2.1.4施工控制網(wǎng)2023/12/2916平面控制網(wǎng)根據(jù)地形條件布設(shè)：三角、邊角網(wǎng)：起伏較大或跨越江河的地域；導(dǎo)線網(wǎng)：平坦但通視困難的地域；建筑方格網(wǎng):建筑物或工業(yè)場(chǎng)區(qū)多為規(guī)那么矩形的地域；GPS網(wǎng)：主流布網(wǎng)方式；GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)相結(jié)合的混合網(wǎng):高精度的施工控制網(wǎng)?？刂频姆秶^小，控制點(diǎn)的密度較大，精度要求較高；范圍：點(diǎn)盡量控制整個(gè)區(qū)域，滿足放樣需求。大型水利樞紐工程<20km2,中小型<10km2,工業(yè)場(chǎng)地<1km2。精度高：點(diǎn)分布不均會(huì)導(dǎo)致邊長(zhǎng)相差大；放樣建筑物的軸線，偏向限制嚴(yán)厲。2)運(yùn)用頻繁；穩(wěn)定性、運(yùn)用方便性及點(diǎn)位在施工期間的保管3)受施工干擾大；施工控制網(wǎng)的布設(shè)是工程的一部分，思索布置情況及施工程序、方法；點(diǎn)位分布及密度恰當(dāng)，施工總平面圖做點(diǎn)位標(biāo)志。2023/12/29172.1.4施工控制網(wǎng)--施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/12/29184)控制網(wǎng)的坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系一致；施工坐標(biāo)系，就是以建筑物的主要軸線作為坐標(biāo)軸而建立起來的部分直角坐標(biāo)系。布網(wǎng)時(shí)盡量運(yùn)用軸線作為控制網(wǎng)的一邊，施工控制網(wǎng)和測(cè)圖控制網(wǎng)關(guān)聯(lián)時(shí)需進(jìn)展坐標(biāo)換算。水利中的大壩；大橋橋軸線；隧道中心及切線；車間或設(shè)備的軸線等。5)投影面與工程的平均高程面一致；不是投影到平均海程度面或參考橢球所對(duì)應(yīng)的高斯平面上，而是投影到廠區(qū)平均的高程面上。投影到定線放樣精度最高的平面，保證設(shè)備、構(gòu)件的安裝精度；橋梁控制網(wǎng)要求化算到橋墩頂部的高程面上；隧道控制網(wǎng)應(yīng)投影至隧道平均高程上。2023/12/29196)有時(shí)分兩級(jí)布網(wǎng)，次級(jí)網(wǎng)能夠比首級(jí)網(wǎng)的精度高。工程：各種建筑物、構(gòu)筑物、鐵路、公路、隧道等的綜合體。首先建立第一級(jí)控制網(wǎng)，放樣各建筑物的主軸線；其次根據(jù)各個(gè)工程工程放樣的詳細(xì)要求建立第二級(jí)控制網(wǎng)。2.1.4施工控制網(wǎng)--施工平面控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/12/2920平坦地域：施工平面、高程控制點(diǎn)可以共享；起伏較大：施工平面、高程控制點(diǎn)單獨(dú)布設(shè)。首先布滿整個(gè)場(chǎng)地的根本高程控制網(wǎng)〔三等〕；其次根據(jù)各個(gè)施工階段的需求布置加密網(wǎng)〔四等〕。加密點(diǎn)普通為暫時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。2.1.4施工控制網(wǎng)--施工高程控制網(wǎng)特點(diǎn)2023/12/2921變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)由參考點(diǎn)和目的點(diǎn)組成必要條件：可以由恣意點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)，但至少有一個(gè)參考點(diǎn)、一個(gè)目的點(diǎn)或兩個(gè)目的點(diǎn)；參考點(diǎn)在變形體外，是網(wǎng)的基準(zhǔn)，目的點(diǎn)在變形體上，變形由目的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來描畫。布設(shè)網(wǎng)形：根據(jù)監(jiān)測(cè)的目的、變形體的外形、環(huán)境及地形:一維網(wǎng)、二維網(wǎng)、三維網(wǎng)。監(jiān)測(cè)方法：三角網(wǎng)或邊角網(wǎng)、導(dǎo)線或?qū)Ь€網(wǎng)；GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)；GPS與地面丈量網(wǎng)混合；三維激光掃描監(jiān)測(cè)等。2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2023/12/2922變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的坐標(biāo)系和基準(zhǔn)的選取原那么變形體的范圍大且外形不規(guī)那么時(shí)，選擇已有的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：得到知的歸化和投影矯正；監(jiān)測(cè)網(wǎng)便于檢查。與已有的大地網(wǎng)聯(lián)測(cè)或?qū)⒁延械目刂泣c(diǎn)作為參考點(diǎn)，便于坐標(biāo)系及基精確實(shí)定。優(yōu)點(diǎn)：一維一個(gè)知點(diǎn)，二、三維兩個(gè)知點(diǎn)；精度要求高，聯(lián)測(cè)時(shí)采用無強(qiáng)迫銜接方法，即固定一個(gè)點(diǎn)，二三維再固定一個(gè)定向方向?！?.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2023/12/2923三.對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)作同時(shí)顧及精度、可靠性、靈敏度以及費(fèi)用進(jìn)展監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)的布置、坐標(biāo)系、基準(zhǔn)及目的點(diǎn)的精度要求，那么網(wǎng)的精度得以確定。人機(jī)交互模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)方法或解析法確定優(yōu)化方案：增減觀測(cè)值修正丈量方案改動(dòng)觀測(cè)值精度等2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2.1.5變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)四.對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)都要進(jìn)展反復(fù)觀測(cè)每個(gè)周期觀測(cè)方案不變，消除周期觀測(cè)中的系統(tǒng)誤差；如中途改動(dòng)方案〔儀器、網(wǎng)形、精度等〕，那么需在觀測(cè)周期同時(shí)采用兩種方案進(jìn)展觀測(cè)，以確定兩種方案間的差別，進(jìn)展周期觀測(cè)數(shù)據(jù)的處置。2023/12/29242.1.6安裝丈量控制網(wǎng)2023/12/29252023/12/2926作用：大型設(shè)備構(gòu)件安裝定位的根據(jù)；工程開工后建筑物和設(shè)備變形觀測(cè)及設(shè)備調(diào)整的根據(jù)。條件：控制點(diǎn)的密度要能滿足設(shè)備構(gòu)件的安裝定位要求；點(diǎn)位的選擇要思索設(shè)備的位置、數(shù)量、建筑物的外形、特定方向的精度要求等2.1.6安裝丈量控制網(wǎng)2.1.6安裝丈量控制網(wǎng)2023/12/2927特點(diǎn)：通常是一種微型邊角網(wǎng)，邊長(zhǎng)從幾米至一百多米；整個(gè)網(wǎng)由外形一樣、大小相等的根本圖形組成；精度要求很高，其丈量精度有時(shí)要到達(dá)計(jì)量級(jí)。2.1.6安裝丈量控制網(wǎng)特例：直線型建筑物：直伸形網(wǎng)；環(huán)形地下建筑物：各類環(huán)形網(wǎng)；大型無線電天線：輻射狀控制網(wǎng)。2023/12/2928典型工程控制網(wǎng)舉例2023/12/29292023/12/2930典型工程控制網(wǎng)舉例洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)表示圖2023/12/2931某大橋G

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S首級(jí)平面控制網(wǎng)典型工程控制網(wǎng)舉例某大型水利樞紐工程施工控制網(wǎng)2023/12/2932某拱壩變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)2023/12/2933高能離子加速器安裝丈量控制網(wǎng)2023/12/29342023/12/2935大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

地面控制網(wǎng)典型工程控制網(wǎng)舉例2.2工程丈量坐標(biāo)系統(tǒng)2.2.1坐標(biāo)系的根本概念2.2.2幾種常用坐標(biāo)系2023/12/29362.2.1坐標(biāo)系的根本概念所謂坐標(biāo)系指的是描畫空間位置的表達(dá)方式，即采用什么方法來表示空間位置。人們?yōu)榱嗣璁嬁臻g位置，采用了多種方法，從而也產(chǎn)生了不同的坐標(biāo)系，如直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等。在丈量中常用的坐標(biāo)系有以下幾種：〔1〕空間直角坐標(biāo)系〔2〕空間大地坐標(biāo)系〔3〕平面直角坐標(biāo)系〔4〕地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系2023/12/2937(1)空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)位于參考橢球的中心Z軸指向參考橢球的北極X軸指向起始子午面與赤道的交點(diǎn)Y軸位于赤道面上且按右手系與X軸呈90°夾角。某點(diǎn)在空間中的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來表示。2023/12/29382023/12/2939(2)空間大地坐標(biāo)系緯度是空間的點(diǎn)與參考橢球面的法線與赤道面的夾角；經(jīng)度是空間中的點(diǎn)與參考橢球的自轉(zhuǎn)軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角；大地高是空間點(diǎn)沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的間隔。2023/12/2940(3)平面直角坐標(biāo)系投影變換的方法有很多，如橫軸墨卡托投影、UTM投影、蘭勃特投影等。在我國(guó)采用的是高斯-克呂格投影也稱為高斯投影。UTM投影和高斯投影都是橫軸墨卡托投影的特例，只是投影的個(gè)別參數(shù)不同而已。2023/12/2941(3)平面直角坐標(biāo)系高斯投影是一種橫軸、橢圓柱面、等角投影。從幾何意義上講，是一種橫軸橢圓柱正切投影。高斯投影滿足以下兩個(gè)條件：①它是正形投影；②中央子午線投影后應(yīng)為x軸，且長(zhǎng)度堅(jiān)持不變。2023/12/2942〔4〕地心大地坐標(biāo)系與地球參心坐標(biāo)系經(jīng)典的大地定位采用的是地球參心坐標(biāo)系。參考橢球面為基準(zhǔn)參考面，參考點(diǎn)為大地丈量的起算點(diǎn)〔或稱為大地原點(diǎn)〕，并且利用大地原點(diǎn)的天文觀丈量，來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向。不過由此所選定的參考橢球的位置，其中心普通不會(huì)與地球質(zhì)心相重合。GPS定位運(yùn)用的是地心大地坐標(biāo)系2023/12/29432.2.2幾種常用坐標(biāo)系〔1〕世界大地坐標(biāo)系WGS-84〔2〕1954年北京坐標(biāo)系〔3〕1980年西安大地坐標(biāo)系〔4〕CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系2023/12/2944〔1〕世界大地坐標(biāo)系WGS-84WGS-84(WorldGeodicalSystem-84)坐標(biāo)系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部制圖局建立，WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)等都是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點(diǎn)Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。2023/12/2945〔1〕世界大地坐標(biāo)系WGS-842023/12/2946a=6378±2〔m〕；GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；J2=108263×10-8ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1f=0.003352810664〔2〕1954年北京坐標(biāo)系原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。參考橢球是克拉索夫斯基橢球。高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的