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1、工程测量学的发展评述摘要：本文对工程测量学重新进行了定义，指出了该学科的地位和研究应用领域；阐述了工程测量学领域通用和专用仪器的发展；在理论方法发展方面，重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况。结合科研和开发实践，简介了地面控制与施工测量工程内外业数据处理一体化自动化系统科傻系统。最后展望了21世纪工程测量学若干发展方向。 关键词：工工程测量量 工业业测量 精密工工程测量量 测量量机器人人 工程程网优化化设计 一、学科地地位和研研究应用用领域 1. 学科科定义 工工程测量量学是研研究地球球空间(地面、地地下、水水
2、下、空空中)中具体体几何实实体的测测量描绘绘和抽象象几何实实体的测测设实现现的理论论方法和和技术的的一门应应用性学学科。它它主要以以建筑工工程、机机器和设设备为研研究服务务对象。 2. 学科地位 测绘科学和技术(或称测绘学)是一门具有悠久历史和现代发展的一级学科。该学科无论怎样发展，服务领域无论怎样拓宽，与其他学科的交叉无论怎样增多或加强，学科无论出现怎样的综合和细分，学科名称无论怎样改变，学科的本质和特点都不会改变。总的来说，整个学科的二级学科仍应作如下划分： 大地测量学(包括天文、几何、物理、卫星和海洋大地测量)； 工程测量学(含近景摄影测量和矿山测量)； 航空摄影测量与遥感学； 地图制图
3、学； 不动产地籍与土地整理。 3. 研究应用领域 目前国内把工程建设有关的工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路(铁路、公路等)工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、3维工业测量等，几乎每一行业和工程测量都有相应的著书或教材。 由Hennecke,Mueller,Werner 3个德国人所编著的工程测量学，主要按下述内容进行划分和编写：测量仪器和方法；线路、铁路、公路建设测量；高层建筑测量；地下建筑测量；安全监测；机器和设备测量。 由于工程测量的研究应用领域非常广泛，发展变化也很快，因此写书十分困难。目前国
4、内外没有一本全面涉及工程测量学理论、技术、方法和实际应用的现代专著或教材。 国际测量师联合会(FIG)的第六委员会称作工程测量委员会，过去它下设4个工作组：测量方法和限差；土石方计算；变形测量；地下工程测量。此外还设了一个特别组：变形分析与解释。现在，下设了6个工作组和2个专题组。6个工作组是：大型科学设备的高精度测量技术与方法；线路工程测量与优化；变形测量；工程测量信息系统；激光技术在工程测量中的应用；电子科技文献和网络。2个专题组是：工程和工业中的特殊测量仪器；工程测量标准。 德国、瑞士、奥地利3个德语语系国家自50年代发起组织每34年举行一次的“工程测量国际学术讨论会”。过去把工程测量划
5、分为以下几个专题：测量仪器和数据获取；数据解释、处理和应用；高层建筑和设备安装测量；地下和深层建筑测量；环境和工程建筑物变形监测。 1992年第11届讨论会的专题是：测量理论与测量方案；测量技术和测量系统；信息系统和CAD；在建筑工程和工业中的应用。 1996年的第12届讨论会的专题是：测量和数据处理系统；监测和控制；在工业和建筑工程中的质量问题；数据模型和信息系统；交叉学科的大型工程项目。 从以上可见，工程测量学的研究领域既有相对的固定性，又是不断发展变化的。笔者认为，工程测量学主要包括以工程建筑为对象的工程测量和以设备与机器安装为对象的工业测量两大部分。在学科上可划分为普通工程测量和精密工
6、程测量。工程测量学的主要任务是为各种工程建设提供测绘保障，满足工程所提出的要求。精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力。 二、工程测测量仪器器的发展展 工工程测量量仪器可可分通用用仪器和和专用仪仪器。通通用仪器器中常规规的光学学经纬仪仪、光学学水准仪仪和电磁磁波测距距仪将逐逐渐被电电子全测测仪、电电子水准准仪所替替代。电电脑型全全站仪配配合丰富富的软件件，向全全能型和和智能化化方向发发展。带带电动马马达驱动动和程序序控制的的全站仪仪结合激激光、通通讯及CCCD技技术，可可实现测测量的全全自动化化，被称称作测量量机器人人。测量量机器人人可自动动寻
7、找并并精确照照准目标标，在11 s内内完成一一目标点点的观测测，像机机器人一一样对成成百上千千个目标标作持续续和重复复观测，可可广泛用用于变形形监测和和施工测测量。GGPS接接收机已已逐渐成成为一种种通用的的定位仪仪器在工工程测量量中得到到广泛应应用。将将GPSS接收机机与电子子全站仪仪或测量量机器人人连接在在一起，称称超全站站仪或超超测量机机器人。它它将GPPS的实实时动态态定位技技术与全全站仪灵灵活的33维极坐坐标测量量技术完完美结合合，可实实现无控控制网的的各种工工程测量量。 专专用仪器器是工程程测量学学仪器发发展最活活跃的，主主要应用用在精密密工程测测量领域域。其中中，包括括机械式式、
8、光电电式及光光机电(子)结合式式的仪器器或测量量系统。主主要特点点是：高高精度、自自动化、遥遥测和持持续观测测。 用用于建立立水平的的或竖直直的基准准线或基基准面，测测量目标标点相对对于基准准线(或基准准面)的偏距距(垂距)，称为为基准线线测量或或准直测测量。这这方面的的仪器有有正、倒倒锤与垂垂线观测测仪，金金属丝引引张线，各各种激光光准直仪仪、铅直直仪(向下、向向上)、自准准直仪，以以及尼龙龙丝或金金属丝准准直测量量系统等等。 在在距离测测量方面面，包括括中长距距离(数十米米至数公公里)、短距距离(数米至至数十米米)和微距距离(毫米至至数米)及其变变化量的的精密测测量。以以ME550000为
9、代表表的精密密激光测测距仪和和TERRRAMMETEER LLDM22双频激激光测距距仪，中中长距离离测量精精度可达达亚毫米米级；可可喜的是是，许多多短距离离、微距距离测量量都实现现了测量量数据采采集的自自动化，其其中最典典型的代代表是铟铟瓦线尺尺测距仪仪DISSTINNVARR，应变变仪DIISTEERMEETERR ISSETHH，石英英伸缩仪仪，各种种光学应应变计，位位移与振振动激光光快速遥遥测仪等等。采用用多谱勒勒效应的的双频激激光干涉涉仪，能能在数十十米范围围内达到到0.001m的计量量精度，成成为重要要的长度度检校和和精密测测量设备备；采用用CCDD线列传传感器测测量微距距离可达达
10、到百分分之几微微米的精精度，它它们使距距离测量量精度从从毫米、微微米级进进入到纳纳米级世世界。 高高程测量量方面，最最显著的的发展应应数液体体静力水水准测量量系统。这这种系统统通过各各种类型型的传感感器测量量容器的的液面高高度，可可同时获获取数十十乃至数数百个监监测点的的高程，具具有高精精度、遥遥测、自自动化、可可移动和和持续测测量等特特点。两两容器间间的距离离可达数数十公里里，如用用于跨河河与跨海海峡的水水准测量量；通过过一种压压力传感感器，允允许两容容器之间间的高差差从过去去的数厘厘米达到到数米。 与高程测量有关的是倾斜测量(又称挠度曲线测量)，即确定被测对象(如桥、塔)在竖直平面内相对于
11、水平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜(倾)仪、电子测倾仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达微米级。 具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器发展的显著特点，采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，用测量机器人自动跟踪沿铁路轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用于测量轨道的3维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在数百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。 综上所述，工程测量专用仪器具有高精度(亚毫米、微米乃至纳米)、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，
12、可测量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率以及物体的动态行为。 三、工程测量理论方法的发展 1. 测量平差理论 最小二乘法广泛应用于测量平差。最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型被称为概括平差模型，它是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误差理论主要表现在对模型误差的研究上，主要包括：平差中函数模型误差、随机模型误差的鉴别或诊断；模型误差对参数估计的影响，对参数和残差统计性质的影响；病态方程与控制网及其观测方案设计的关系。由于变形监测网参考点稳定性检验的需要，导致了自由网平差和拟稳平差的出现和发展。观测值粗差的研究促进了控制网可靠性理论，以及变形监测网
13、变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展。针对观测值存在粗差的客观实际，出现了稳健估计(或称抗差估计)；针对法方程系数阵存在病态的可能，发展了有偏估计。与最小二乘估计相区别，稳健估计和有偏估计称为非最小二乘估计。 巴尔达的数据探测法对观测值中只存在一个粗差时有效，稳健估计法具有抵抗多个粗差影响的优点。建立改正数向量与观测值真误差向量之间的函数关系，可对多个粗差同时进行定位和定值，这种方法已在通用平差软件包中得到算法实现和应用。 方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模型，过去一直仅停留在理论的研究上。实际中，要求对多种观测量进行综合处理，因此，方差分量估计已成为测量平差的必备内容了。目前
14、，通用平差软件包中已增加了该功能，但还需要在测量规范中明确提出来。 需要指出的是：许多测量作业单位喜欢采用附合导线进行逐级加密，主要依据目前规范中有关一、二、三级导线和图根导线的规定。无疑附合导线具有许多优点，但由于多余观测少，发现和抵抗粗差的能力较弱，不宜滥用。建立一个区域的控制，首级网点采用GPS测量，下面最好用一个等级的导线网作全面加密。从测量平差理论来看，全面布设的导线网具有更好的图形强度，精密较均匀，可靠性也较高。 2. 工程控制网优化设计理论和方法 网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指标
15、作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设计。在工程测量中，施工控制网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用GPS定位技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除特别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网
16、，获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比较，使之既满足设计
