工程测量控制网课件.ppt

1、2022-10-241第第 四四 章章 工程测量控制网工程测量控制网2022-10-242主要内容主要内容 工程测量控制网的种类 工程测量控制网的基准 工程测量控制网的布设 工程控制网的质量准则 工程测量控制网的优化设计 工程测量控制网的数据处理 几种典型的工程测量控制网 工程测量控制网点的埋设2022-10-243重点重点 工程测量控制网的准则 工程测量控制网的布设方法和步骤 地面三角形网和GNSS网的布设要点 工程测量控制网的数据处理软件及使用难点难点 工程测量控制网布设理论方法的现代发展和网质量评价 2022-10-244 测量控制网定义 由地面上一系列点（称测量控制点）构成，控制点之间

2、由边长、方向、高差或GNSS基线等观测量连接并构成网型，点的空间位置可通过已知点的坐标及点之间的连接按一定方法计算得到。测量控制网分类 国家测量控制网 城市测量控制网 全球测量控制网 工程测量控制网2022-10-245 全球测量控制网：是由国际组织在全球范围建立的大地测量参考框架。主要用于确定、研究地球的形状、大小及变化，确定和研究地球的极移、章动和板块运动等。国家测量控制网：是由各国测绘部门建立全国范围内统一地理坐标系统下的大地测量参考框架，提供平面和高程基准。国家控制网采用逐级加密方式布设，其特点是控制面积大，控制点间距离较长，点位的选择主要考虑点的密度、稳定性和网的图形。2022-10

3、-246 城市测量控制网：是由城市测绘主管单位建立的城市坐标系统。一般来说，大多数大、中、小城市的城市坐标系统都与国家坐标系相同，其城市控制网与国家控制网相连接。对于一些特大城市，一般要建立独自的城市平面坐标系，其目的在于减小或控制投影改正。城市高程坐标系统在国家高程基准下建立。2022-10-247 工程测量控制网：是工程项目的空间位置参考框架，是针对某项具体工程建设测图、施工或管理的需要，在一定区域内布设的平面和高程控制网。对于大型工程建设，其工程控制网要与国家测量控制网连接，采用与国家坐标系相同的地球参考椭球，但中央子午线、投影高程面与国家坐标系的不尽相同。对于一些具体工程可采用独立坐标

4、系，不要求与国家或城市测量控制网连接。2022-10-248一维网（或称水准网、高程网）、二维网（或称平面网）、三维网三角网、导线网、混合网、方格网测角网、测边网、边角网、GNSS网约束网、经典自由网、自由网网点性质工程测量控制网附合网、独立网首级网、加密网、特殊网、专用网（如隧道控制网、建筑方格网、桥梁控制网等）测图控制网、施工测量控制网、变形监测网、安装测量控制网网形施测方法基准坐标系其他标准用途2022-10-249定义：测图控制网是为测图服务的测量控制网，其作用主要在于保证图上内容精度均匀、相邻图幅正确拼接和控制测量误差的累积。测图平面控制网：测图平面控制网的精度应能满足1：500比例

5、尺测图精度要求；网的控制范围应比测区大一些，网点应尽量均匀，密度视测图比例尺而定；大型工程的测图控制网应与国家控制网联测，可采用挂靠的方法；对于小型或局部工程，可将首级测图控制网布设成独立网。2022-10-2410测图高程控制网：通常采用水准测量或电磁波测距三角高程（可代替三、四等水准测量）的方法建立。使用中应注意：应控制视线长度，斜距不宜太长（如大于 1km）；宜采用中间设站法，设站的前后距离大致相等。选取有利时间进行观测，有条件时可用两台仪器作对向观测，否则应往返观测竖直角，往返测的时间间隔应尽量短。应精确量测仪器高、觇标高。2022-10-2411定义：为工程施工建设服务的测量控制网称

6、为施工测量控制网，它的作用在于为施工放样、施工期的变形测量、施工监理测量和竣工测量等提供统一的坐标系和基准。施工平面控制网特点：精度要求较测图控制网高。根据工程规模，可多级或两级布网，有些工程的次级网可能比首级网的精度高。2022-10-2412 控制点使用频繁，受施工干扰大，点的密度较大，需要作定期复测。为了便于坐标计算和施工放样，控制网的坐标系与施工坐标系一致。为了不作投影改正和便于放样，投影面与工程的平均高程面一致。2022-10-2413施工高程控制网：通常按两级布设，即布满整个施工场地的基本高程控制网与根据各施工阶段放样需要而布设的加密网。首级高程控制网通常采用三等水准测量建立，加密

7、则用四等水准测量。加密网点一般为临时水准点，布设在建筑物近旁的不同高度上，开始作为沉陷观测点使用，当浇筑混凝土块的沉陷基本停止后，则作为临时水准点使用。施工平面控制网和高程控制网通常单独布设。对于位于平坦地区的工程如工业厂区，平面控制点通常兼作高程控制点。2022-10-2414定义：为工程的安全、健康而布设的控制网称为变形监测网。既要保证施工期的安全，也要保证工程运营管理期的健康。平面变形监测网主要特点：变形监测网由参考点、工作基点和目标点组成。变形监测网必须进行周期性观测。变形监测网的精度要求很高，最好选用当时技术条件所能达到的最高精度。2022-10-2415高程变形监测网：对于高程的变

8、形监测，有许多特点是相似的。高程基准点需要采用一二等水准作周期观测。高程的变形监测大多采用水准测量方法进行。除精度、可靠性外，还要顾及变形监测网的灵敏度。变形监测网一般采用基于监测体的坐标系统，该坐标系统的坐标轴与监测体的主轴线平行（或垂直），变形可通过目标点的坐标变化来反映的。2022-10-2416定义：为大型设备构件的安装定位而布设的控制网称安装测量控制网，又称微型大地控制网或大型计量控制网，主要是平面网。安装测量控制网特点：一般在土建工程施工后期布设，多在室内，也是工程竣工后设备变形监测及调整的依据。安装测量控制网的范围小，精度可达到很高。2022-10-2417 点位的选择要考虑设备

9、的位置、数量、建筑物的形状、特定方向的精度要求等；点的密度和位置能满足设备构件的安装定位。一般是先在总平面图上设计一个理论图形，然后将其测设到实地上去。通常是一种微型边角网，边长较短，从几米至一百多米，整个网由形状相同、大小相等的基本图形组成。对于直线型的建筑物，可布设成直伸形网；对于环形地下建筑物可布设成由大地四边形构成或由测高三角形构成的环型网；对于大型无线电天线，可布设成辐射状网。2022-10-2418定义：工程控制网的基准就是网平差求解未知点坐标时所给出的已知点数据，对网的位置、大小和方向进行约束，使平差有唯一解。具有多余的已知数据。只有必要的已知数据。最小约束网（经典自由网）约束网

10、没有已知数据，全部网点都是未知点。自由网（无约束网）工程测量控制网的基准2022-10-2419维维数数网型网型观测值类型观测值类型基准秩基准秩亏亏基准参数基准参数1高程网高差11个平移2平面网边长和方位角2X和Y方向的2个平移边长或边长和水平方向32个平移，1个绕Z轴的旋转水平方向42个平移，1个旋转，1个缩放3三维网水平方向和天顶角53个平移，1个旋转，1个缩放边长63个平移，3个绕X、Y、Z轴的旋转在d=6时再加一个比例尺未知数73个平移，3个旋转，1个缩放工程控制网观测值、基准秩亏和基准参数的关系2022-10-2420工程测量控制网的布设和建立步骤：根据精度要求确定控制网的等级。确定

11、布网图形和测量仪器。图上选点、实地踏勘、构网和作方案设计，进行网的模拟计算。埋石造标。外业观测。内业数据处理和提交成果。2022-10-242122122 确定控制网精度的方法 设 为放样后点位总误差，、分别为控制点误差所引起的误差和放样过程中引起的点位误差12k21)211(112222kk22131101设 ，则有2022-10-2422 几个定义：a.导线：指将控制点用直线连接起来形成的折线。b.导线点：控制点称为导线点，分已知点和未知点。c.导线边：相邻两点之间的折线称导线边。d.转折角：相邻两导线边之间的夹角称转折角。导线测量的实质：通过观测导线边和转折角，根据已知点的坐标计算未知点

12、的平面坐标。2022-10-2423 导线的分类按图形按等级闭合导线附合导线支导线三等导线四等导线一级导线二级导线三级导线图根导线导线的分类2022-10-2424导线的布设 附合导线：指两端各有两个已知点，中间是未知点的导线。附合导线的优缺点：优点：简单、灵活、方便和应用广泛等优点，非常适合矿山巷道、地铁、隧道等地下工程和道路、水利、管线等线状工程，以及城市、森林等通视困难地区的控制测量。在GNSS技术广泛用于首级控制网情况下，适合用附合导线作加密控制。2022-10-2425 缺点：附合导线的最大缺点是可靠性较差，不论有多少个未知导线点，其多余观测数都等于3。附合导线中的粗差不易被发现，粗

13、差对平差结果的影响较大。严密平差的后验单位权中误差不能用来评定平差结果的精度。2022-10-2426附合导线的布设：附合导线应尽量布设成直伸形状，两相邻边长不宜相差过大，未知点点数不宜过多。改进的附合导线布设方案：沿附合导线在未知点附近增设新点(辅助点)，这些点可埋设也可不埋设标石，施测时，只在辅助点上安置棱镜，与导线一起观测而不需要设站；也可沿附合导线一侧或两侧布设辅助点，构成较坚强的网形。2022-10-2427边角网：指用地面测角测边仪器施测的、由三角形或多边形构成的三角形网和导线网，三角形网包括有重叠三角形的网。单纯测角的三角形网已不再采用，单纯测边的三角形网也极少采用，一般都是布设

14、成边角全测的三角形网。但是，按边角精度匹配和优化设计理论布设边全测、方向不全测的所谓不完全三角形网最好。2022-10-2428 边角网都使用全站仪施测，有条件时，尽量用智能型测量机器人进行自动化观测。由于GNSS技术的应用，最长边将大大减小，已极少布设平均边长为8-13千米的边角网了。三角形网没有图形的限制，长短边可以相差很大，夹角也可以很小或接近180。但在方向观测时，要注意长短边的调焦问题。导线网要有足够的闭合环和附合线路，一个多边形环的边不宜太多，如不宜超过6条。2022-10-2429 GNSS网是最重要、最常用的网，是优先考虑的布网方案，特别是范围大、距离远、地面通视差的工程，都应

15、首选GNSS网。GNSS网也无图形的限制，长短边可以相差很大。点的布设主要是考虑工程需要、便于到达、易于保存、顶空条件好、多路径影响小以及电磁干扰小。在工程中，还需要考虑在将设站的网点上，至少有 一个相邻点通视，以解决定向问题。GNSS网的施测应依据有关规范，对于特高精度的GNSS网，只要符合工程特点，满足工程需要，可以在规范的基础上提高一些。2022-10-24302022-10-24312022-10-2432 工程中的水准网采用一、二、三、四等水准测量方法布设和施测，应统一到国家高程系，遵照相应的规范执行。2022-10-2433精度准则 网的总体精度11221 2TTxxuTuusss

16、 sss2022-10-2434qx 1x 1 qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqx 1y 1 x 1x 2 x 1y 2 x 1x 3 x 1 y3 x 1x p x 1y py 1x 1 y 1y 1 y 1x 2 y 1y 2 y 1 x3 y1 y 3 y1 xp y 1y px 2x 1 x 2y 1 x 2x 2 x 2y 2 x 2 x3 x2 y 3 x2 xp x 2y py 2x 1 y 2y 1 y 2x 2 y2 y2 y2 x3 y 2y 3 y 2x p y 2 ypx 3x

17、 1 x 3y 1 x 3x 2 x 3y 2 x 3 x3 x3 y 3 x3 xp x 3y py 3x 1 y 3y 1 y 3x 2 y 3y 2 y 3 x3 y3 y 3 y 3 xp y 3y px px 1 x py 1 x px 2 x py 2 x p x3 x py 3 x px p x py py px 1 y py 1 y px 2 y py 2 y p x3 yp y 3 yp xp y py p 单个坐标的标准偏差 坐标的平均精度 误差椭圆 点位误差 置信椭圆 相对误差椭圆 未知参数函数的精度 相对置信椭圆 超置信椭球 特征值准则 雷莱关系 准则矩阵 主分量分析

18、基于坐标未知数的协因数阵 的精度准则xxQ2022-10-2435 E准则 置信超椭球的最大半轴最小maxmin 体积最小准则 置信超椭球的体积最小1uxxiidet()min 方差最小准则 的迹（置信超椭球的半轴平方和）最小xx1uxxiiitr()min 2022-10-2436 平均精度最小准则 均匀性和各向同性准则1()minxxxtrumaxminmin1m axm in2022-10-2437点位精度 点位精度与网的基准有关，是可变量，随已知点的位置而变。点位精度可用赫尔默特点位误差表示，也可用点的误差椭圆表示。相对点位精度 相对点位精度可用相对误差椭圆描述。坐标未知数函数的精度

19、边长和方位角是坐标未知数的函数，常常要计算其平差值的精度，其中最重要的是最弱边精度。2022-10-2438可靠性准则 包括网的内部可靠性、网的外部可靠性、网广义可靠性。内部可靠性：即发现观测值粗差的能力的量度。外部可靠性：即抵抗观测值粗差对平差结果影响 的能力的量度。网广义可靠性：即发现和抵抗粗差与系统误差以及减小偶然误差的能力。2022-10-2439灵敏度准则 灵敏度准则：针对平面变形监测网，在给定显著水平 和检验功效 下，通过对变形监测网的周期观测和平差，进行统计检验，所能发现的位移向量的下界值 定义为网的灵敏度。灵敏度是一个相对概念，即对于不同的变形向量具有不同的下界值。费用准则 控

20、制网的费用一般包括用于设计、埋石、造标、交通运输、仪器设备、观测、计算、检查等各项费用。000d1minniip2022-10-2440工程测量网的优化设计包括：提出设计任务：通常是业主提出要求，测量单位将这些要求具体化，表示为数值上的要求。制定设计方案：设计方案包括布网方案和观测方案，也包括仪器的选择，观测时间的确定等。实施方案优化：实施方案优化就是优化设计过程，优化设计方法有解析法、模拟法两种。进行方案评价。2022-10-2441 工程测量控制网数据处理应建立在测量内外业一体化和数据自动化的基础上。内业工作：图上选点布网、模拟优化设计计算、观测数据预处理和网平差（含观测值粗差剔出、方差分

21、量估计、精度评定、网图显绘和成果输出）等。外业工作：实地踏勘定点、埋设标石标志、网的外业观测（包括数据检查、质量控制）。内外业一体化可大大节省时间、降低劳动强度、减少建网费用、提高成果质量。实现的关键是研制合适的软、硬件系统。2022-10-2442 武汉大学研制的有关软件系统 测量机器人工程测量控制网观测自动化系统(Geo _ Net)；“基于掌上型电脑的测量数据采集和处理系统”（COSA_EREPS）；“地面测量工程控制测量数据处理通用软件包”（COSA_CODAPS）；“GNSS工程测量控制网平差通用软件包”（COSA_GPS）。2022-10-2443COSA_CODAPS功能菜单框图

22、2022-10-2444COSA_GPS功能菜单框图2022-10-2445科傻系统：COSA_CODAPS和COSA_GPS称科傻系统，意即用高科技集成的傻瓜式系统。科傻系统的特点：正确可靠，通用性强，整体性和稳定性好，操作简便，自动化程度高，处理速度快，解算容量大，使用的时间长、用户多，已达到炉火纯青的程度。2022-10-2446 全部软件采用VC+语言编写，编辑器、文档、图形、数据处理模块均是自主编写；采用多文档和工程管理模式，可同时处理多项任务，方便进行各类数据的操作；用表格方式或文本方式进行数据录入，大部分操作采用“傻瓜“式选项。采用节省内存的快速算法，在较早的64M内存的微机上，

23、就可整体解算数千个未知点的网，内存不够时则采用外存作缓冲，可解算更大规模的网。2022-10-2447特长隧道的洞外平面控制网特大桥梁的施工控制网大型水枢纽工程的施工控制网大型离子加速器的安装测量控制网大型升船机工程的施工与安装测量控制网2022-10-2448 4.8.1 特长隧道的洞外平面控制网 特长隧道（洞）大多可作为直线隧道处理。洞外平面控制宜采用GNSS技术建网，取独立的工程平面直角坐标系，以进口点到出口点的方向为X轴方向，与之相垂直的方向为Y轴方向。在进、出口线路中线上布设进、出口点（J、C），进、出口宜各布设3个定向点（J1、J2、J3和C1、C2、C3），进、出口点与相应定向点

24、之间应通视；为减小垂线偏差的影响，点之间的高差不宜相差太大。因受隧道地形条件影响，洞口处的GNSS基线不可能很长，一般要求300到500米，若小于该值，宜设强制对中装置。贯通面位于隧道中央且与Y轴平行（参见下图 1）。2022-10-2449 图1 隧道（洞）洞外GNSS平面控制网布设示意图 2022-10-2450 4.8.2 特大桥梁的施工控制网 桥梁施工控制网是桥梁的施工放样的基准，也兼作施工期乃至运营期的变形监测，对点的精度、位置和稳定性要求较高。GNSS网的布设应根据工程需要，以满足工程要求为最高准则。一般应在桥轴线上布点，以控制桥长和进行桥轴线放样；在桥轴线两侧布点，用于桥梁的墩台

25、放样。2022-10-2451 图2 某大桥工程GPS首级平面控制网图 左图2为某大桥（全长36 km）的GNSS首级平面控制网。该网的精度需满足两个指标：网中最弱点点位中误差 20mm最弱边（按两公里计）边长相对中误差 1：410000。桥轴线（H21、H22）方向上有8个点，联测了3个国家控制点，在桥轴线两侧和大桥两端的一定范围内布设了一定数量的点；考虑作GNSS水准拟合，还将N1、N2、N3、N4和 S1、S2、S3 几个水准点纳入到网中。一共布设了29个点，控制面积达1800多平方千米。2022-10-2452 4.8.3 大型水枢纽工程的施工控制网 某大型水利枢纽工程的施工控制网要求

26、最弱点点位精度 5mm，网设计采用了地面网、GNSS网和GNSS网与地面测边的联合网三个方案，采用四等精度与国家控制点联测，确定一个点的坐标和该点上的一条边方位角，作为起算数据。经网的模拟设计计算，确定采用联合网方案，如下图3所示。全网由19个点构成，主网为大地四边形，增加了6个施工放样点。在用天宝双频接收机（3mm+1ppm)进行静态观测基础上，用TCA2003全站仪测30条边，边长需做加乘常数、周期误差、气象和大气折光改正，用二等水准高差进行倾斜改正，再投影至施工高程面上。2022-10-2453 图3 某大型水利枢纽工程的施工控制网图2022-10-2454 4.8.4 大型离子加速器的

27、安装测量控制网 下图4为高能离子加速器的安装测量控制网，布设在地下环形隧道内，整个网由形状相同、大小相等的基本图形（大地四边形、三角形）组成，基本图形的边长和形状，与隧道的宽度和平均半径有关。图4 高能离子加速器的安装测量控制网2022-10-2455 4.8.5 大型升船机工程的施工与安装测量控制网 下图5为某大型水利枢纽工程升船机的施工与安装控制网图，共34座点，最长边402.2m，最短边18.4m，平均边长约150m，测站最大方向数达15，网的图形和结构都非常坚强，用高精度智能全站仪进行 全 边 角 全 测，测 角 精 度 0.5 ，测 距 精 度1.0mm+1ppm。共观测312个方向

28、，155条边，多余观测值达379，平均多余观测值数0.812，最弱点点位中误差达0.76mm，小于设计要求（1mm）。该网不仅用于升船机工程的土建施工，也作安装检校测量的首级控制。2022-10-2456 图5 某大型升船机的施工测量控制网图 工程测量控制点要长期、经常性的使用，要按规范要求埋设永久性标石和标志。标石：指采用挖坑埋设预制截头锥体混凝土标，或通过钻深孔就地浇筑钢筋混凝土标，或通过钻孔深埋与基岩相连的钢管标等方法固定和设置控制点的设施。标志：在标石或其他稳固载体上精确表示控制点位置的设施。标石上一定有标志，但标志不一定设在标石上。2022-10-24572022-10-2458 标

29、石和标志应保证稳定、安全和长期保存；应尽可能避开外界的影响，避开活动断裂带和人工土层；尽可能埋设在稳定的基岩上；无法与基岩相连时，深度应在地下水位变化层和冻土层以下；在埋设标石和标志时，常常采取某些措施来削弱或消除外界的影响；必要时工程测量人员要根据情况购买或自行设计特殊的标石、标志。埋设标石和标志的注意事项：2022-10-2459 4.9.1 标石平面控制点标石 普通标石:通常挖坑埋设截头锥体混凝土标，为防止自重引起的沉降，需加大标石底部面积。深埋式标石：通过钻深孔就地浇筑的钢筋混凝土标。用于施工控制网和变形监测网。带强制对中装置的观测墩：多用于大坝、水电站、隧洞、桥梁、滑坡体整治等大型工

30、程施工控制网、变形观测监测网以及安装测量控制网。普通标石深埋式标石带强制对中装置的观测墩2022-10-2460水准点标石 标石类型有：基岩水准基点标石、平硐岩石水准基点标石（如下图a）、深埋双金属管水准基点标石（如下图b）、深埋钢管水准基点标石、浅埋钢管水准标石、混凝土基本水准标石、混凝土普通水准标石、混凝土三角高程点墩标标石、混凝土三角高程点建筑顶标石、铸铁或不锈钢墙水准标志和地表岩石标等。2022-10-2461图b 深埋双金属管水准基点标石图a 平洞岩石水准基点标石2022-10-2462 4.9.2 标志 水准点标志多以圆形标志头顶作为点的精确高程位置，标志头以强度较硬、能防腐蚀的金

31、属或玛瑙制成。平面控制点标志一般是将金属十字型刻划嵌入标石，十字中心作为点的精确位置。平面控制点上通常还要设照准标志，除如下图c所示的照准标志外，还有杆式、塔形杆式和觇牌等照准标志。觇牌图案有多种，常用的有：塔形标志(如下图d和e)、条状标志和楔形标志。对照准标志要求有：反差大、亮度强（带照明）、无相位差，形状、大小有利于精确照准。2022-10-2463图c 平面控制点的照准标志图d 精密活动觇牌图e 精密固定觇牌2022-10-2464图f 沉降观测标志 除上述平面控制点标志外，还有精密工程测量、工程变形监测和地籍测量中采用的基础上标志、墙上标志和隐蔽式标志等，比如下图f所示的各种沉降观测

32、标志：砖块式、燕尾式、铆钉头式、垫板式、弯钩式、U形式等。(1)什么是工程测量控制网？(2)何谓测量控制网？其主要作用是什么？(3)何谓施工测量控制网？它有何特点？(4)何谓变形监测网？它有何特点？(5)何谓安装测量控制网？它有何特点？(6)什么是工程控制网的基准？(7)什么叫附合导线？它有何特点和优缺点？(8)何谓边角网？三角形边角网有哪些特点？2022-10-24652022-10-2466(9)如何布设GNSS网？(10)工程测量控制网包括哪些精度准则？(11)何谓网的内部可靠性，外部可靠性和广义可靠性？(12)何谓变形监测网的灵敏度？(13)何谓科傻系统？它有何特点。(14)为什么要求埋设永久性标石和标志？埋设时需要注意些什么？2022-10-2467