淺淡我國工程測量的應用與技術的發(fā)展

袁　艇

【摘要】隨著傳統(tǒng)測繪技術向數(shù)字化測繪技術轉化，面向21世紀的我國工程測量技術的發(fā)展趨勢和方向是：測量數(shù)據(jù)采集和處理的自動化、實時化、數(shù)字化；測量數(shù)據(jù)管理的科學化、標準化、規(guī)格化；測量數(shù)據(jù)傳播與應用的網(wǎng)絡化、多樣化、社會化。

【關鍵詞】工程測量；測量技術應用；地面測量儀器

一、工程測量技術的發(fā)展歷史

國際測量師聯(lián)合會（FIG）1878年7月18日成立于法國巴黎。宗旨是聯(lián)合世界各國測量工作者的團體和國家機構，討論本專業(yè)共同關心的問題，1970年成為聯(lián)合國經(jīng)濟與社會理事會的咨詢機構。中國于1981年在瑞士蒙特勒召開的第16屆大會上成為會員國。德國、瑞士、奧地利3個德語語系國家自50年代發(fā)起組織每3～4年舉行一次的“工程測量國際學術討論會”。過去把工程測量劃分為以下幾個專題：測量儀器和數(shù)據(jù)獲取；數(shù)據(jù)解釋、處理和應用；高層建筑和設備安裝測量；地下和深層建筑測量；環(huán)境和工程建筑物變形監(jiān)測。

從以上可見，工程測量技術的研究領域既有相對的固定性，又是不斷發(fā)展變化的。筆者認為，工程測量學主要包括以工程建筑為對象的工程測量和以設備與機器安裝為對象的工業(yè)測量兩大部分。在學科上可劃分為普通工程測量和精密工程測量。工程測量學的主要任務是為各種工程建設提供測繪保障，滿足工程所提出的要求。精密工程測量代表著工程測量學的發(fā)展方向，大型特種精密工程建設是促進工程測量學科發(fā)展的動力。

二、先進的地面測量儀器在工程測量中的應用

80年代以來出現(xiàn)許多先進的地面測量儀器，為工程測量提供了先進的技術工具和手段，如：激光準直儀、激光掃平儀等，為工程測量向現(xiàn)代化、自動化、數(shù)字化方向發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件，改變了傳統(tǒng)的工程控制網(wǎng)布網(wǎng)、地形測量、道路測量和施工測量等的作業(yè)方法。同時電子經(jīng)緯儀和全站儀的應用，是地面測量技術進步的重要標志之一。電子經(jīng)緯儀具有自動記錄、自動改正儀器軸系統(tǒng)差、自動歸化計算、角度測量自動掃描、消除度盤分劃誤差和偏心差等優(yōu)點。全站儀測量可以利用電子手簿把野外測量數(shù)據(jù)自動記錄下來，通過接口設備傳輸?shù)接嬎銠C，利用“人機交互”方式進行測量數(shù)據(jù)的自動數(shù)據(jù)處理和圖形編輯，還可以把由微機控制的跟蹤設備加到全站儀上，能對一系列目標自動測量，即所謂“測地機器人”或“電子平板”野外直接圖形編輯，為測圖和工程放樣向數(shù)字化發(fā)展開辟了道路。陀螺經(jīng)緯儀是用于礦山、隧道等工程測量的另一類主要的地面測量儀器，新一代的陀螺經(jīng)緯儀是由微機控制，儀器自動、連續(xù)地觀測陀螺的搖動并能補償外部的干擾，觀測時間短、精度高，如Cromad陀螺經(jīng)緯儀在7min左右的觀測時間能獲取3″的精度，比傳統(tǒng)陀螺經(jīng)緯儀精度提高近7倍，作業(yè)效率提高近10倍，標志著陀螺經(jīng)緯儀向自動化方向邁進。

三、測量技術在大型特種精密工程中的應用

大型特種精密工程建設和對測繪的要求是工程測量學發(fā)展的動力。筆者在這里僅簡單介紹國內(nèi)外有關情況。

1. 國內(nèi)有參與的項目有北京正負電子對撞機的精密控制網(wǎng)，精度達±0.3 mm。設備定位精度優(yōu)于±0.2 mm，200 m直線段漂移管直線精度達±0.1 mm。大亞灣核電站控制網(wǎng)精度達±2 mm，秦山核電站的環(huán)型安裝測量控制網(wǎng)精度達±0.1 mm。

2. 國外的有露天煤礦的大型挖煤機開挖量的動態(tài)測量計算系統(tǒng)（德國）。大型挖煤機長140 m，高65 m，自重8 000 t，其挖斗輪的直徑17.8 m，每天挖煤量可達10多萬噸。為了實時動態(tài)地得到挖煤機的采煤量，在其上安置了3臺GPS接收機，與參考站無線電實時數(shù)據(jù)傳輸和差分動態(tài)定位，挖煤機上兩點間距離的精度可達±1.5 cm。根據(jù)3臺接收機的坐標，按一定幾何模型可計算出挖煤機挖斗輪的位置及采煤層截曲面，可計算出采煤量，經(jīng)對比試驗，其精度達7%～4%。這是GPS，GIS技術相結合在大型特種工程中應用的一個典型例子。高聳建筑物方面，有人設想，在21世紀將建造2000 m乃至4000 m的摩天大廈，這不僅是建筑師的夢想，也是對測量工程師的挑戰(zhàn)。

四、工程測量理論方法的發(fā)展

（一）測量平差理論

最小二乘法廣泛應用于測量平差。最小二乘配置包括了平差、濾波和推估。附有限制條件的條件平差模型被稱為概括平差模型，它是各種經(jīng)典的和現(xiàn)代平差模型的統(tǒng)一模型。測量誤差理論主要表現(xiàn)在對模型誤差的研究上，主要包括：平差中函數(shù)模型誤差、隨機模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數(shù)估計的影響，對參數(shù)和殘差統(tǒng)計性質(zhì)的影響；病態(tài)方程與控制網(wǎng)及其觀測方案設計的關系。由于變形監(jiān)測網(wǎng)參考點穩(wěn)定性檢驗的需要，導致了自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)平差的出現(xiàn)和發(fā)展。觀測值粗差的研究促進了控制網(wǎng)可靠性理論，以及變形監(jiān)測網(wǎng)變形和觀測值粗差的可區(qū)分性理論的研究和發(fā)展。

（二）工程控制網(wǎng)優(yōu)化設計理論和方法

網(wǎng)的優(yōu)化設計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優(yōu)化設計理論構造目標函數(shù)和約束條件，解求目標函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標作為目標函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費用，對于變形監(jiān)測網(wǎng)還包括網(wǎng)的靈敏度或可區(qū)分性。對于網(wǎng)的平差模型而言，按固定參數(shù)和待定參數(shù)的不同，網(wǎng)的優(yōu)化設計又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設計，涉及到網(wǎng)的基準設計，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設計。在工程測量中，施工控制網(wǎng)、安裝控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)都需要作優(yōu)化設計。

（三）變形觀測數(shù)據(jù)處理

1．變形觀測數(shù)據(jù)處理的幾種典型方法。根據(jù)變形觀測數(shù)據(jù)繪制變形過程曲線是一種最簡單而有效的數(shù)據(jù)處理方法，由過程曲線可作趨勢分析。如果將變形觀測數(shù)據(jù)與影響因子進行多元回歸分析和逐步回歸計算，可得到變形與顯著性因子間的函數(shù)關系，除作物理解釋外，也可用于變形預報。多元回歸分析需要較長的一致性好的多組時間序列數(shù)據(jù)。

2．變形的幾何分析與物理解釋。傳統(tǒng)的方法將變形觀測數(shù)據(jù)處理分為變形的幾何分析和物理解釋。幾何分析在于描述變形的空間及時間特性，主要包括模型初步鑒別、模型參數(shù)估計和模擬統(tǒng)計檢驗及最佳模型選取3個步驟。變形監(jiān)測網(wǎng)的參考網(wǎng)、相對網(wǎng)在周期觀測下，參考點的穩(wěn)定性檢驗和目標點和位移值計算是建立變形模型的基礎。變形模型既可根據(jù)變形體的物理力學性質(zhì)和地質(zhì)信息選取，也可根據(jù)點場的位移矢量和變形過程曲線選取。此外，前述的時間序列分析，灰色理論建模、卡爾曼濾波以及時間序列頻域法分析中的主頻率和振幅計算等也可看作變形的幾何分析。

3．變形分析與預報的系統(tǒng)論方法。用現(xiàn)代系統(tǒng)論為指導進行變形分析與預報是目前研究的一個方向。變形體是一個復雜的系統(tǒng)，它具有多層次高維的灰箱或黑箱式結構，是非線性的，開放性（耗散）的，它還具有隨機性，這種隨機性除包括外界干擾的不確定性外，還表現(xiàn)在對初始狀態(tài)的敏感性和系統(tǒng)長期行為的混沌性。此外，還具有自相似性、突變性、自組織性和動態(tài)性等特征。

綜上所述：在我國工程測量技術還沒有走進先進行列，我們應大力促進及推進工程測量技術發(fā)展與方法及手段的創(chuàng)新，從1維、2維到3維、4維，從點信息到面信息獲取，從大型特種工程到人體測量工程等等，我們都應積極推動新技術發(fā)展應用，充分利用GPS技術、GIS技術、“3S”集成技術及地面測量先進技術設備，把傳統(tǒng)的手工測量向電子化、數(shù)字化、自動化方向發(fā)展；同時加強相關學科的研究，不斷拓寬工程測量服務新領域，開創(chuàng)工程測量發(fā)展新局面。