工程测量方法及计算的实施.docx
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工程测量方法及计算的实施
目录
摘要…………………………………………………………………………1
引言…………………………………………………………………………2
第一章测量的发展………………………………………………………2
1、测量学的起源…………………………………………………………2
2、测量学的发展过程及用途……………………………………………2
3、测量学的发展前景……………………………………………………3
第二章GPS平面控制测量………………………………………………3
1、加密GPS控制测量及测区控制测量布网原则………………………3
2、加密GPS控制测量技术要求…………………………………………3
3、观测准备………………………………………………………………4
4、GPS观测作业要求……………………………………………………4
5、数据处理………………………………………………………………4
6、重测和补测……………………………………………………………5
7、GPS网平差……………………………………………………………5
8、动态GPS观测技术要求………………………………………………5
9、GPS测量预期精度……………………………………………………5
第三章土方测量…………………………………………………………5
1、土方的含义以及在工程中的作用……………………………………5
2、土方控制测量…………………………………………………………6
3、内业数据处理与检核…………………………………………………7
第四章应用CASS7.0软件计算土方的方法……………………………7
1、CASS7.0计算土方的方法与步骤…………………………………7
2、土方计算方法的比较与分析………………………………………10
第五章导线测量………………………………………………………11
1、导线测量的主要技术要求…………………………………………11
2、导线网的设计、选点与埋石………………………………………11
第六章距离测量…………………………………………………………12
1、仪器的选用及标称精度……………………………………………12
2、边长测距的主要技术要求…………………………………………12
3、测距作业应符合的规定……………………………………………12
参考文献…………………………………………………………………13
工程测量方法及计算的实施
摘要
测量工程建设中意义很大，对工程的工程造价都有很重要的影响。
所以提高工程测量的精度方法便成为了工程建设中的一个重点，而测量技术是施工过程中常用的一项技术，利用GPS测量、土方测量、导线测量和距离测量与传统测量相比可以缩短作业时间，减轻劳动强度，提高成果精度。
应用平差软件及南方CASS7.0成图软件，大大降低了土方计算的复杂度、难度，提高了工作的效率，使工作流程更为简单，易操作。
利用各种测量方法和南方成图软件来计算土方的方法，越来越受到工程等各界人士的欢迎，本文主要介绍了一些各种测量方法的工作流程，解决一些相关问题，同时给出一些有益的结论。
关键词：
测量；GPS；土方；CASS7.0；技术
引言
在工程施工中，工程测量是重要的。
其工程量的测算是制作工程量清单及计算土方工程费用的重要依据。
因此要求测量必须具有易操作性和准确性。
随着测绘技术的不断进步以及大中型工程对其计算的精确度要求越来越高，传统的测量计算方法已经无法适应这一需求。
进而被一些先进的仪器、测绘技术和相应的测量计算软件所代替，其中利用先进的测量方法及南方CASS7.0软件进行土方的测量与计算就是一种常用的方法。
它有效地弥补了传统测绘土方方法的费时、费力、精度的缺点。
第一章测量的发展
1、测量学的起源
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θ。
则地球的半径R就可求得：
R=l/θ；地球子午线的周长L=2πR，这里关键在于如何求θ。
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φ1和φ2。
设在同一时刻两地的阳光相互平行，则θ=φ2-φ1。
2、测量学的发展过程及用途
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。
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。
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。
3、测量学的发展前景
现代科学技术的高速发展促进了测绘科学的发展。
从二十世纪六十年代开始，光电技术和电子计算机技术等引入测绘领域后，测量仪器已广泛趋向于电子化和自动化，产生了电子水准仪、电子经纬仪、全站型电子测速仪等自动化程度很高的仪器。
利用这些仪器，可对野外观测数据进行自动储存，并与计算机连接自动处理数据和绘图。
随着卫星遥感技术的不断发展，可以全天候和全天时对地观测，获得覆盖面积大、信息丰富的地面数据。
遥感信息的应用分析也已从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计算探索过渡。
二十世纪九十年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。
用GPS同时测定三维坐标的方向将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部定位与广域差分，从事后处理扩展到实时定位与导航，相对精度大大提高，绝对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级。
随着现代科学技术的不断进步，测量科学必然会向更高层次的电子化、自动化和智能化方向发展。
第二章GPS平面控制测量
1、加密GPS控制测量及测区控制测量布网原则
加密GPS控制网沿测区外围按点对布设，构成大地四边形组成的网状图形，点对的距离为1-5km左右。
组成点对的两点间应互相通视，其间距应大于400m，特殊情况下不短于300m。
本控制网约须布置8个GPS控制点，最少须联测3个国家级四等或四等以上平面控制点，3个以上四等水准点或五等水准点，加密GPS控制网采用静态作业模式。
测区的加密控制测量采用实时动态GPS（RTK）作业模式，布设为相互通视的点对。
2、加密GPS控制测量技术要求
本次加密GPS控制测量按国家E级网要求施测。
静态测量仪器采用徕卡500系列GPS接收机；动态实时（RTK）测量徕卡500系列GPS接收机。
GPS测量解算及平差软件采用徕卡随机软件SkiPro3.0.GPS进行后处理及基线解算等。
静态GPS观测技术要求：
GPS测量基本技术要求规定
项目
卫星截止高度角
同时观测有效卫星数
有效卫星总数
观测时段
时段长度（min）
采样间隔S
时段任一卫星有效观测时间（min）
E级
15
≥4
≥9
≥1.0
≥45
30
≥15
说明：
2.1、在时段中观测时间大于15分钟的卫星为有效观测卫星。
2.2、计算有效观测卫星总数时，应将各时段的有效观测卫星数扣除其间的重复卫星数。
2.3、观测时长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段。
2.4、使用前GPS接收机应进行全面检验（内容包括一般检视，通电检验，试测检验），每年还要进行定期检验。
GPS定位测量所用通风干湿表与空盒气压表应定期送计量部门检验，在有效期内使用。
观测时应记录各项气象元素和天气状况，雷电、风暴天气时，不进行观测。
3、观测准备
GPS接收机在开始观测前应进行预热和静置，具体要求按接收机操作手册进行。
GPS天线定向标志线应指向正北，顾及地磁偏角修正后，其定位误差应不大于±5°。
4、GPS观测作业要求
观测员必须严格遵守调度命令，按规定时间进行观测作业。
经检查接收机电源电缆和天线等各项联结无误后方可开机。
开机后经检验有关指示灯和仪表显示正常后方可进行自测试并输入测站名、观测单元和时段等控制信息。
接收机启动前与作业过程中，应随时逐项填写测量手薄中的记录项目。
接收机开始记录数据后，观测员可使用专用功能键和选择菜单，查看测站信息、接收卫星数、卫星号、卫星健康状况、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及变化、存储介质记录和电源情况等，如发现异常情况或未预料到的情况，应记录在测量手薄的备注栏内，并及时报告组长。
每时段观测开始及结束前各记录一次观测卫星号、天气状况、实时定位经纬度和大地高、PDOP值等，当记录气象元素时，每时段气象观测应不少于3次（开始、中间、结束）。
观测期间，不得在天线附近50m以内使用电台，10m以内不能使用对讲机或手机通话。
一时段观测中不允许进行以下操作：
接收机关闭又重新启动；进行自测试；改变卫星仰角限值；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭文件和删除文件等功能健。
5、数据处理
数据处理采用随接收机配备的商用软件，起算坐标系采用WGS－84坐标系。
当采用不同类型接收机时，应将观测数据转换成同一格式，基线处理采用广播星历，双差固定解。
GPS观测值均应加入对流层延迟修正，对流层延迟修正模型中的气象元素采用标准气象元素模型。
6、重测和补测
未按施测方案要求，外业缺测、漏测或数据处理后，观测数据不能满足规定时，有关成果及时补测。
对需补测或重测的观测时段或基线，具体分析原因，尽量安排一起进行同步观测。
7、GPS网平差
在基线向量检核符合要求后，以三维基准向量及其相应方差—协方差作为观测信息，以一个点的WGS—84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的无约束平差。
基线分量和改正数绝对值应满足下式：
V△x≤3σ，V△y≤3σ，V△z≤3σ
否则认为该基线或其附近的基线存在粗差，应在平差中采用软件提供的自动方法或人工方法剔除，直至上式满足。
然后在WGS-84坐标系下进行二维和三维约束平差。
最后固定各已知点的北京坐标及
高程进行三维平差。
8、动态GPS观测技术要求：
流动站距参考站的距离一般不超过3km。
参考站采用静态GPS控制点或国家四等以上控制点，由一参考站迁到另一参考站后应对两控制点进行检核。
检核限差：
Δx≤5cm；Δy≤5cm；Δh≤10cm；不允许在控制点上发展参考站。
GPS实时动态（GTK）测量应按规定对仪器进行检验，作业前做好星历预报，合理安排野外作业时间，作业时应按照随机操作手册进行。
9、GPS测量预期精度
静态GPS测量预期精度（相邻控制点间）：
Mx≤5cm；My≤5cm；Mh≤10cm；
动态GPS测量预期精度（相对高级控制点：
参考站）：
Mx≤5cm；My≤5cm；Mh≤10cm；
第三章土方测量
1、土方的含义以及在工程中的作用
土方工程是土建工程中土体开挖、运送、填筑、压密以及弃土、排水、土壁支撑等工作的总称。
在工程施工中，土方工程是重要的分项工程。
其工程量的测算是制作工程量清单及计算土方工程费用的重要依据。
因此土方工程在整个工程建设项目中具有重大的意义其可分为以下六点：
1.1完成拟建项目的场地平整，为建筑物的基础开工创造条件；
1.2完成整个场地景观的初步造形；
1.3完成整个场地后期的土石方基本平衡调配，包括基础开挖土石方在整个场地的平衡调配；
1.4在场地具备的条件下，为后期种植土回填储备种植土资源；
1.5完成整个场地的竖向标高控制；
1.6整个工程成本控制的重点。
2、土方控制测量
2.1土方测量控制网的布设
土方工程的测量与计算所需的控制网主要是测图控制网。
该控制网的作用是为土方工程的测量工作提供工程范围内统一的参考框架，为土方测量工作提供位置基准，满足土方工程在设计阶段对测绘在质量、进度和费用等方面的要求。
控制网也具有控制全局、提供基准和控制测量误差积累的作用。
在布网前应收集测区内已有的平面、高程控制和地形图等测绘资料。
网点的密度视测图而定，点的位置取决于地形条件，控制范围应较大，应尽量均匀便于施测和进行图根加密。
测图控制网还应与国家控制点相连[2]。
图3-1土方测量导线控制网
测量控制网的布设，即控制点的选择与测量工作。
土方工程控制网的布设也采用逐级布设方式等。
根据工程的精度要求进行网的的布设，建网步骤主要是：
①确定控制网的等级；②确定布网形式；③确定测量仪器和操作规程（国家或行业规范）；④在图上选点构网，到实地踏勘；⑤埋设标石、标志；⑥外业观测；⑦内业数据处理；⑧提交成果。
如图3-1所示，即为土方测量控制网一个导线控制网。
2.2全站仪的外业观测
全站仪的外业观测主要包括仪器的架设、外业作业、观测记录等。
下面我们就分别介绍这三个方面：
（1）仪器的架设：
全站仪的架设与经纬仪过程基本一样：
首先按观测者的身高调整好三脚架的长度，张开三脚架，使三个脚尖的着地点大致与地面的测站点等距离，并使三脚架头大致水平，从仪器箱中取出全站仪，放到三脚架头上，一手握住全站仪支架，一手将三脚架上的连接螺旋转入全站仪支架；然后用光学对中器对中、整平，反复对中整平直到对中标志与控制点严格一致。
（2）外业作业：
外业观测的主要任务是获得能正确反映工程区内的地形各个特征点以及必要的点的精确三维坐标。
全站仪架设好后，假设A、B是已知控制点且B为测站点，A为后视点，其平面坐标分别为A（XA，YA），B（XB，YB），高程分别为HA，HB。
P是待测点，其平面坐标用Xp、Yp表示，高程用Hp表示。
开机并初始化，进入坐标测量模式，输入测站点B的坐标（XB，YB）、高程HB以及仪器高i。
再输入后视点A的平面坐标（XA，YA），在仪器提示是否照准的时候去照准后视点A，并按确认。
现在转动照准部去照准被测点P，输入该点的棱镜高v，按测量坐标键，几秒钟后就显示出P点面坐标（Xp，Yp）,以及P点的高程Hp其原理如图2-2所示。
如此反复直到所有的必要点都测完为止。
图3-2全站仪测点坐标的原理
（3）观测记录：
全站仪的数据记录主要是自动记录观测数据。
它是由全站仪自动测量，记录，并保存在全站仪器存储器中供随时调用和处理。
它主要包括点的三维坐标：
平面X坐标、平面Y坐标以及高程H坐标。
3、内业数据处理与检核
观测成果应进行外业检核，这是确保外业观测质量和实现预期测量精度的重要环节。
观测任务结束后，必须在测区及时对观测数据的质量进行检核，对于外业预处理成果，要按《规范》要求严格检查、分析，以便及时发现不合格成果，并根据情况采取重测或补测措施。
成果检核无误后，即可进行内业数据处理。
内业数据处理过程大体可分为：
预处理、平差计算以及坐标系统的转换。
第四章应用CASS7.0软件计算土方的方法
1、CASS7.0计算土方的方法与步骤
1.1DTM法
由DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
DTM法土方计算共有两种方法，一种是进行完全计算，一种是依照图上的三角网进行计算。
完全计算法包含重新建立三角网的过程，又分为：
“根据坐标计算”和“根据图上高程点计算”两种方法。
依照图上三角网法直接采用图上已有的三角形，不再重建三角网。
首先要展绘高程点，菜单“绘图处理”-“展高程点”，在弹出的“输入坐标数据文件名”对话框中选择数据文件“野外数据.dat”。
然后用复合线画出所要计算土方的区域，菜单“工程应用”-“DTM法土方计算”-“根据图上高程点计算”。
提示：
选择边界线用鼠标点取所画的闭合复合线。
请输入边界插值间隔（m）：
<20>边界插值间隔的设定的默认值为20m；提示：
选择高程点或控制点此时可逐个选取要参与计算的高程点或控制点，也可拖框选择。
如果键入“ALL”回车，将选取图上所有已经绘出的高程点或控制点；提示：
平场面积=XXXX平方米，平场标高（m）：
键入设计高程，此例输入5.3m。
回车后屏幕上显示填挖方的提示框，命令行显示：
挖方量=XXXX立方米，填方量=XXXX立方米；关闭对话框后系统提示：
请指定表格左下角位置：
<直接回车不绘表格>用鼠标在图上适当位置点击，CASS7.0会在该处绘出一个表格，包含平场面积、最大高程、最小高程、平场标高、填方量、挖方量和图形［4］。
其计算结果，如图4-1所示。
图4-1土方计算成果
1.2方格网法
由方格网来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成方格网来计算每一个长方体的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
菜单“应用”-“方格网法土方计算”，将弹出选择高程坐标文件的对话框，在对话框中选择所需坐标文件。
提示：
选择土方计算边界线，用鼠标点取所画的闭合复合线。
输入方格宽度，这是每个方格的边长，默认值为20m。
由原理可知，方格的宽度越小，计算精度越高。
但如果给的值太小，超过了野外采集的点的密度也是没有实际意义的。
提示：
最小高程=XXXX，最大高程=XXXX。
设计面是：
（1）平面
（2）斜面<1>，选1。
屏幕提示：
输入目标高程：
（米）输入设计高程回车后命令行显示：
挖方量=XXXX立方米，填方量=XXXX立方米，同时图上绘出所分析的方格网，并给出每个方格的填挖方，每行的挖方和每列的填方，如图3-2所示。
系统首先将方格的四个角上的高程相加（如果角上没有高程点，通过周围高程点内插得出其高程），取平均值与设计高程相减。
然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积，再用长方体的体积计算公式得到填挖方量。
因此，用这种方法算出来的土石方量与用其它方法得出的结果会有较大的差异，一般说来，这种方法得出的结果精度不太高，这是由于这种方法的局限性。
但是方格网法简便直观，加上土方的计算本身对精度要求不是很高，因此这一方法在实际工作中还是非常实用的。
用格网法算土方量，设计面可以是水平的，也可以是倾斜的。
图4-2方格网法计算土方的结果
注意：
在用该方法时,用复合线画出所要计算土方的区域一定要闭合，但是尽量不要拟合。
因为拟合过的曲线在进行土方计算时会用折线迭代影响计算结果的精度［5］。
2、土方计算方法的比较与分析
DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
方格网计算土方量是根据实地测定的地面点坐标和设计高程，通过生成方格网来计算每一个长方体的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
DTM法是使用实测的地形数据构成不规则三角TIN，而非拟合的数据构网。
只要地形变化较大的区域具有足够的地形点，DTM构成的TIN是绝对能够真实客观反映实际地形变化的。
TIN相对方格网法构成的面片高程来说精度非常高。
DTM法的精度较高，因为三角网能很好地适应复杂、不规则地形，从而更好地表达真实的地面特征。
但是要注意的是DTM方法计算土方量精度虽高，但其计算过程中数据量大，占用大量存储空间。
因此，如果地图本身数据量大时就应慎重考虑是否采用该方法，而且TIN网要比构成方格网耗费的资源多。
地形点的位置不合理，DTM法算土方肯定不精确的，可能比方格网法还差。
这就要看地形点是在什么地方。
比如说，构成的三角型正好是陡坎削了或是一块凹塘填了，那构成的TIN就不合理了。
所以打地形点和修改TIN还是要加以注意。
如果在地形支离破碎的地方合理打地形点和构成的TIN真实反映地形，DTM法计算的土方就十分准确［6］。
方格网法要求测量格网节点的高程，这就需要先进行方格网节点放样，然后再测量高程，增加了测量的工作量，但方格网有个好处能够在绘制成平面图，并且在图上标注各处的填挖高度和施工土方量，目前部分单位用全站仪或GPS-RTK在野外采样碎部特征点，然后构成DTM，用插值的方法内插出格网节点的高程，再计算土方量。
插值时要求地面两点之间的坡度是均匀的，这就与实际情况很难相符。
另外对于蜿蜒的带状地形，用方格网法出现许多不完整的格网，使用和计算都不方便，所以此方法一般适用于地形起伏不大，且地面坡度有规律，区域范围比较大的施工场地。
计算土方量，操作简单，图面直观，可增强测量计算的透明度。
方格法计算土方量的误差主要来源是方格顶点高程的测量误差及场地面积的求积误差等，同时也跟方格边长有关，采用的方格边长越短，计算越精确，考虑到绘图比例尺的关系，一般方格边长取5.0m为宜。
地形高差越大，采用算术平均法计算平均标高误差越大，求出的土方量误差也大。
采用加权平均法可以提高其计算精度。
当精度要求更高时，应考虑用DTM法计算［7］。
因此，采用DTM和方格网法计算土方，要看实际地形的起伏变化复杂程度，如果地形点数据的分布合理的话，DTM法绝对比方格网法准确。
对于原地面起伏较大的地方，还是最好不要用方格网去算量，虽然这是大家比较认可的土方算量的方法，但是它更适合地面比较平坦的场地。
如果地形起伏不大,则是用方格网法比较简单。
第五章导线测量
1、导线测量的主要技术要求
1.1各等级导线测量的主要技术要求，应符合下表的规定。
导线测量的主要技术要求表
等级
导线长度（km）
平均边长（km）
测角中误差
测距中误差（mm）
测距相
对中误差
测回数
方位角闭合差
导线全场相对闭合差
1°级仪器
2°级仪器
5°级仪器
三等
14
3
1.8
20
1/150000
6
10
——
3.5
≤1/55000
四等
9
1.5
2.5
18
1/80000
4
6
——
5
≤1/35000
一级
4
0.5
5
15
1/30000
——
2
4
10
≤1/15000
二级
2.4
0.25
8
15
1/14000
——
1
3
16
≤1/10000
三级
1.2
0.1
12
15
1/7000
——
1
2
24
≤1/5000
注：
1.1.1、表中的n为测站数
1.1.2、当测区测图的最大比例尺寸为1：
1000，一、二、三级导线的导线长度
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