議工程測量學(xué)

杜青龍

中圖分類號：TB2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0210079—01

工程測量學(xué)是研究地球空間(地面、地下、水下、空中)中具體幾何實(shí)體的測量描繪和抽象幾何實(shí)體的測設(shè)實(shí)現(xiàn)的理論方法和技術(shù)的一門應(yīng)用性學(xué)科。它主要以建筑工程為研究服務(wù)對象。目前國內(nèi)把工程建設(shè)有關(guān)的工程測量按勘測設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)行管理三個階段劃分；也有按行業(yè)劃分成：線路(鐵路、公路等)工程測量、水利工程測量、橋隧工程測量、建筑工程測量等，幾乎每一種工程測量都有相應(yīng)的著書或教材。

一、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(yīng)用于測量平差。最小二乘配置包括了平差、濾波和推估。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(jī)模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數(shù)估計(jì)的影響，對參數(shù)和殘差統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的影響：針對觀測值存在粗差的客觀實(shí)際，出現(xiàn)了穩(wěn)健估計(jì)(或稱抗差估計(jì))；針對法方程系數(shù)陣存在病態(tài)的可能，發(fā)展了有偏估計(jì)。與最小二乘估計(jì)相區(qū)別，穩(wěn)健估計(jì)和有偏估計(jì)稱為非最小二乘估計(jì)。

(二)工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法

網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)和約束條件，解求目標(biāo)函數(shù)的極大值或極小值。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(shè)計(jì)又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及到網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。由于采用GPS定位技術(shù)和電磁波測距，網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測角網(wǎng)有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設(shè)計(jì)程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，其他的網(wǎng)都可用模擬法進(jìn)行設(shè)計(jì)。模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件功能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計(jì)資料和地圖資料在圖上選點(diǎn)布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點(diǎn)近似坐標(biāo)(最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機(jī)上進(jìn)行)。將計(jì)算出的各質(zhì)量指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)比較，使之既滿足設(shè)計(jì)要求，又不至于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值)或局部改變網(wǎng)形(增加或減少網(wǎng)點(diǎn))等方法重新作上述設(shè)計(jì)計(jì)算，直到獲取一個較好的結(jié)果。

(三)變形觀測數(shù)據(jù)處理

工程建筑物及與工程有關(guān)的變形的監(jiān)測、分析及預(yù)報是工程測量學(xué)的重要研究內(nèi)容。其中的變形分析和預(yù)報涉及到變形觀測數(shù)據(jù)處理。但變形分析和預(yù)報的范疇更廣，屬于多學(xué)科的交叉。

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(jìn)行多元回歸分析和逐步回歸計(jì)算，可得到變形與顯著性因子間的函數(shù)關(guān)系，除作物理解釋外，也可用于變形預(yù)報。

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(jì)和模擬統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)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(diǎn)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)和目標(biāo)點(diǎn)和位移值計(jì)算是建立變形模型的基礎(chǔ)。變形模型既可根據(jù)變形體的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)信息選取，也可根據(jù)點(diǎn)場的位移矢量和變形過程曲線選取。

3．變形分析與預(yù)報的系統(tǒng)論方法。用現(xiàn)代系統(tǒng)論為指導(dǎo)進(jìn)行變形分析與預(yù)報是目前研究的一個方向。變形體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它具有多層次高維的灰箱或黑箱式結(jié)構(gòu)，是非線性的，開放性(耗散)的，它還具有隨機(jī)性，這種隨機(jī)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。

二、科技研究開發(fā)實(shí)踐

將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力是科研的最終目的，作為一門應(yīng)用性學(xué)科，這種轉(zhuǎn)化尤為重要。它主要表現(xiàn)在軟硬件的開發(fā)研制上。

基于掌上電腦的地面控制與施工測量工程內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化自動化系統(tǒng)(簡稱科傻系統(tǒng))是我們近年來所作的一項(xiàng)科技研究開發(fā)實(shí)踐?？粕迪到y(tǒng)是對電子全站儀實(shí)現(xiàn)在線控制數(shù)據(jù)采集。掌上電腦上可固化兩個軟件包，一個用于地面控制測量數(shù)據(jù)采集、檢查、預(yù)處理、概算以及網(wǎng)平差等(稱科傻一)；一個用于工程放樣、道路測量以及碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集(稱科傻三)。另外，在微機(jī)上研制了一個“現(xiàn)代測量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理通用軟件包”(稱科傻二)。上述3個軟件包既可獨(dú)立使用，又有密切的聯(lián)系(特別是科傻一與科傻二之間)?？粕狄豢捎糜谌我?、3維工程控制網(wǎng)，國家及城市等級網(wǎng)，一、二、三級導(dǎo)線網(wǎng)以及圖根加密網(wǎng)的在線或離線數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理的一體化。同時也可作一、二、三、四等和等外水準(zhǔn)測量從數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)處理。

三、發(fā)展展望

展望21世紀(jì)，工程測量學(xué)在以下方面將得到顯著發(fā)展：

1．測量機(jī)器人將作為多傳感器集成系統(tǒng)在人工智能方面得到進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，影像、圖形和數(shù)據(jù)處理方面的能力進(jìn)一步增強(qiáng)：

2．在變形觀測數(shù)據(jù)處理和大型工程建設(shè)中，將發(fā)展基于知識的信息系統(tǒng)，并進(jìn)一步與大地測量、地球物理、工程與水文地質(zhì)以及土木建筑等學(xué)科相結(jié)合，解決工程建設(shè)中以及運(yùn)行期間的安全監(jiān)測、災(zāi)害防治和環(huán)境保護(hù)的各種問題；

3．工程測量將從土木工程測量、3維工業(yè)測量擴(kuò)展到人體科學(xué)測量，如人體各器官或部位的顯微測量和顯微圖像處理；

4．GPs、GIs技術(shù)將緊密結(jié)合工程項(xiàng)目，在勘測、設(shè)計(jì)、施工管理一體化方面發(fā)揮重大作用；

5．大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑、設(shè)備的3維測量、幾何重構(gòu)以及質(zhì)量控制將是工程測量學(xué)發(fā)展的一個特點(diǎn)：

6．?dāng)?shù)據(jù)處理中數(shù)學(xué)物理模型的建立、分析和辨識將成為工程測量學(xué)專業(yè)教育的重要內(nèi)容。

綜上所述，工程測量學(xué)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在從1維、2維到3維、4維，從點(diǎn)信息到面信息獲取，從靜態(tài)到動態(tài)，從后處理到實(shí)時處理，從人眼觀測操作到機(jī)器人自動尋標(biāo)觀測，從大型特種工程到人體測量工程，從高空到地面、地下以及水下，從人工量測到無接觸遙測，從周期觀測到持續(xù)測量。測量精度從毫米級到微米乃至納米級。工程測量學(xué)的上述發(fā)展將直接對改善人們的生活環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量起重要作用。