工程测量的发展

随着测绘科学技术的发展，工程测量的领域不断拓宽，工程测量学科正沿着测量数据采集和处理一体化、实时化方向发展，工程测量仪器正向精密化、 自动化、智能化发展，工程测量产品正向多样化和社会化发展。

一、工程测量的仪器

（一）工程测量的通用仪器

施工测量的条件复杂，精度要求高，工作量大，因此施工测量仪器发展的方向是自动化、智能化。具体表现为以下几个方面：

（1）精密测角仪器已由传统的光学仪器发展到光电仪器。光电测角仪器不但实现了数据的自动获取、改正、传输、显示和存储，而且实现了目标自动照准，测角精度与光学仪器相当甚至更高。如T2000、 T3000电子经纬仪不但采用了动态测量原理，而且其测角精度可达±0.5″。精密距离测量仪器发展迅速，光电测距仪与传统的距离丈量相比，其自动化程度与测距精度也越来越高。光学水准仪逐渐被能自动读数、记录、数据处理的电子水准仪代替。

（2）电子全站仪发展非常迅速，它实现了自动测角、测距、 自动记录、计算及存储功能。全站仪能够利用其高精度的测角、测距功能提供三维坐标测量系统（STS） ，如Leica公司推出的TC2003，其测角精度为±0.5″，测距精度为1mm+10-6×D。

（3）陀螺经纬仪可直接测定方位角，主要用于为地下工程测量提供方位角。陀螺全站仪逐渐发展和普及起来，相对于传统的陀螺经纬仪，它有定位精度高、一次定位时间短、功能更加强大等优点。

（4）数字摄影测量系统。数字摄影测量系统是利用近景摄影测量原理，通过两台高分辨率数码相机对待测物同时拍摄，从而获得物体的数字影像，再经过对图像的处理和计算后得到精确的X、 Y、 Z坐标。数字摄影测量的最新进展是采用高分辨率的数码相机提高测量精度，同时可利用条码标志来实现控制点编号的自动识别，采用专用纹理投影可取代物体表面的标志设置，从而使数字摄影测量技术向着完全自动化方向发展。

（5）在全球定位系统GPS仪器方面，实时动态GPS技术的不断发展，使得GPS技术的应用领域不断拓宽。用GPS进行工程测量具有精度高，速度快，不受时间、气候条件和通视条件的限制，并可提供统一坐标系中三维坐标信息等优点，因此在工程测量中得到了广泛应用。例如，在城市控制网、工程控制网的建立与改造中GPS技术得到了普遍应用，在地形测量、地籍测量、石油勘探、高速公路及铁路建设、通信线路、隧道贯通、变形测量、滑坡监测、地壳形变监测及地震监测中也广泛使用GPS技术。

（6）将GPS接收机与电子全站仪或测量机器人连接在一起，称为超站仪，它将GPS的实时动态定位技术与全站仪的三维坐标测量技术完美结合。CCD传感器与电子全站仪结合，构成摄像全站仪，可实现面状数据的快速获取。

（二）工程测量的专用仪器

专用仪器是工程测量学仪器发展的活跃领域，主要应用在精密工程测量领域，包括机械式、光电式及光机电（子）多传感器集成式仪器或测量系统。

（1）用于建立水平或竖直的基准线或基准面，确定待测点相对于基准线（或基准面）的偏距（或垂距）的测量，称为基维线测量或准直测量。这方面的仪器有正锤、倒锤、引张线仪、各种激光准直仪、铅直仪（向下、向上）、尼龙丝或金属丝准直测量系统等。

（2）在距离测量方面，出现了含中长距离（数百米至数十千米）、短距离（数米至数十米）和微距离（毫米至数厘米）的精密测量仪器。ME5000精密测距仪和TERRA-METER-LDM2双频激光测距仪，能在中长距离测量中达亚毫米级精度。许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化。采用多普勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.1μm的计量精度。采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度。

（3）高程测量方面，显著的发展是液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个测点的高程，具有高精度、遥测、 自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十千米，通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。

（4）倾斜测量可用于确定被测对象（如桥、塔）相对于水平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜仪、电子测斜仪都向着数字显示、 自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达到微米级。

（5）三维激光扫描仪可对被测对象在不同位置扫描，快速地获取物体在给定坐标系下的三维坐标，通过坐标转换和建模，可输出被测对象的各种图形和数字模型。车载、机载激光扫描仪将成为未来地面数据采集的主要手段。

（6）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轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、倾斜传感器、长度传感器和微机，可同时测量轨道的三维坐标、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，工程测量仪器具有高精度、快速、遥测、无接触、可移动、连续自动记录、微机控制等特点，可进行精密定位测量、准直测量等，可测量坐标、偏距、倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测量振动频度以及物体的动态变化等。

二、工程测量的技术方法

（一）工程测量中的地形图测绘

在工程规划设计阶段所用的地形图中，有时可以根据工程的规模直接使用1∶1万至1∶10万的国家基本地形图，有时还需要专门测绘1∶2000到1∶500的区域性或带状地形图。大型工程的大比例尺地形图测绘，一般采用航空摄影测量的模拟法、解析法或全数字化法测图，而对于一般工程的地形图测绘，则大多采用地面数字成图法测绘。水利工程开发建设中，有时需要进行水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各种纵横断面图测绘。

（二）工程控制网的布设及优化设计

工程控制网分为测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网，它们不同于国家和城市控制网，在选点、埋石、观测方案设计、质量控制、平差计算、精度分析等方面都具有其自身的特点。 目前，除特高精度的工程专用网和设备安装控制网外，绝大多数工程首级控制网都采用GPS方法建立。对于各种精密工程中的施工控制网、变形监测网以及安装控制网，都应该进行网的优化设计。优化设计涉及坐标系的确定、基准的选择、仪器与方法的选取、网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用等问题。

（三）施工放样技术方法

对建筑物的施工放样（包含机器和设备的安装放样）可归纳为点、线、面、体的放样。点放样是基础，放样点必须满足特定的条件，例如在一条给定的直线或曲线上、在已知曲面上且空间形状符合设计要求。点位放样一般采用方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、极坐标法、偏角法、投点法等。除常规的光学及电子经纬仪、水准仪、全站仪外，GPS技术经常用于工程的施工放样、导航定位和建筑物构件的安装定位。机器设备的安装往往需要达到计量级精度，为此，往往需要研制专用的测量仪器、工具和专门的测量方法。施工放样的工作量很大， 目前施工放样朝着一体化、自动化方向发展。

（四）工程的变形监测分析和预报

工程建筑物的变形监测、相关的灾害监测分析和预报是工程测量学的重要研究内容。变形监测网的布设和优化设计较其他工程控制网更加复杂：网的精度愈高愈好，需要具有更高的可靠性和灵敏度；应针对精度、可靠性以及灵敏度作网的优化设计计算；还要确定所使用的仪器、网的等级、观测周期和观测时间等。变形监测方法几乎包括了全部的工程测量技术，除常规的仪器和方法外，还要大量地使用各种传感器和专用仪器。

三、工程测量的数据处理

随着计算机科学技术的不断发展，工程测量的数据处理正在逐步趋于自动化。主要体现在对各种工程控制网的整体平差、控制网的优化设计、变形监测数据的处理和结果分析等方面。

（一）工程测量学中的测量平差理论

最小二乘法广泛应用于测量平差。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和随机模型误差诊断；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。方差和协方差分量估计是通过对观测值的权迭代计算精化平差的随机模型，实际中，要求对多种观测量进行综合处理，其已成为测量平差的必备内容。

（二）变形观测数据处理

变形观测数据处理，首先是对监测网周期观测值的处理。其中，参考点稳定性分析，目标点位移量计算，变形模型的建立、检验以及参数估计是几何变形分析的重要内容。其次是对目标点上的时间序列进行数据处理，包括多元线性回归分析、时间序列分析等方法。对周期性变形还可采用时间序列频谱分析法，对变形体的动态变化可用状态方程与观测方程描述和递推的卡尔曼滤波法。这种数据处理方法建立在大量变形观测值的基础之上，属于统计分析法。

另一种基于受力和变形之间函数关系的分析方法称为确定函数法，它是变形的一种物理解释方法。根据变形体的物理力学参数和边界条件，常采用有限元法解算位移场的动力微分方程，计算在外力作用下变形体离散结点上的位移值，与实测值比较，可以反演物理学参数和改进动力微分方程模型。如果用低阶的、简化的、在数学上可解的动力学方程来描述变形体系统的运动，则要采用系统论方法求解并研究解空间的特征及解的拓扑结构，这种方法可以更深刻地描述系统的变化过程和机理。用系统论方法作为指导，基于精确完整的监测数据，以几何分析为基础，与物理解释相结合，可以对变形体的静态、准静态、运动态和动态模型作确切的描述，能满足工程安全对变形分析预报的要求。变形分析预报也包括对变形观测成果的整理和图表输出等内容。

四、工程测量的实践

工程测量学是一门历史悠久的学科，是从人类生产实践中逐渐产生和发展起来的。到近代，随着工程建设的迅速发展，工程测量学得到了快速的发展。20世纪50年代，世界各国在建设大型水工建筑物、长隧道、城市地铁等工程中对工程测量提出了一系列要求，促进了工程测量的发展；20世纪60年代，空间技术的发展和导弹发射场建设促使工程测量进一步发展；20世纪70年代以来，高能物理、天体物理、人造卫星、宇宙飞行、远程武器发射等，都需要建设各种巨型实验室，从测量精度和仪器自动化方面都对工程测量提出了更高的要求。20世纪末，人类科学技术不断向着宏观宇宙和微观粒子世界延伸，测量对象不仅限于地面而且深入地下、水域、空间，如核电站、摩天大楼、南北极站、太空站、海底隧道、跨海大桥、大型正负电子对撞机等。由于仪器的进步和测量精度的提高，工程测量的领域日益扩大，除了传统的工程建设三阶段的测量工作外，在地震观测、海底探测、巨型机器、车床、设备的荷载试验、高大建筑物变形观测、文物保护等方面，都应用了最新的精密工程测量仪器和方法。

大型特种精密工程建设对测绘提出的愈来愈高的要求是工程测量学发展的动力，下面列举几个国内有关工程测量的实例。长江三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其监测规模庞大、项目非常多，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统，拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等，都涉及精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统，监测精度达到亚毫米级。该工程用地面方法建立的变形监测网，最弱点精度优于±1.5mm。武汉长江二桥全桥的贯通精度（跨距和墩中心偏差）达毫米级。长达30多公里的杭州湾大桥的GPS首级控制网的最弱点点位精度高达±1.4mm。高454m的上海东方明珠电视塔对于长114m、重300t的钢桅杆天线，安装的铅垂准直误差仅±9mm。长18.4km的秦岭隧道，洞外GPS网的平均点位精度优于±3mm，一等精密水准线路长120多公里，已贯通的辅助隧道，在仅有一个贯通面的情况下，贯通后实测的横向贯通误差为12mm，高程方向的贯通误差只有3mm。