對地下工程測量理論及其未來發(fā)展趨勢的分析

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口高速增長以及人類生態(tài)環(huán)境的惡化，世界各國為了提高土地利用率與節(jié)省土地資源，疏導(dǎo)交通，減少環(huán)境污染等，正積極開發(fā)地下空間。隨著地下空間的開發(fā)利用，地下工程施工實踐越來越多。特別是在地下交通運(yùn)輸工程(如公路隧道、鐵路隧道、地下鐵道、過河隧道、地下郵政運(yùn)輸?shù)馈⒌叵吕\(yùn)輸?shù)赖?和地下管溝工程(如給水、排水、雨水，電力、電訊、煤氣、熱力綜合管溝通道)以及礦山測量方面的工程實踐較多。近幾十年來，地下土程暗挖施工技術(shù)(如盾構(gòu)和頂管)在地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種隧道建設(shè)中有明顯優(yōu)點(diǎn)，在建造穿越水域、沼澤地和山地的公路和鐵路隧道或水工隧道中，盾構(gòu)法和頂管法因為它們在特定條件下的經(jīng)濟(jì)合理性而得到廣泛采用。由此可見，地下工程測量在測繪學(xué)的發(fā)展以及實際的工程應(yīng)用中作用是顯著的，開發(fā)利用好地下空間、地下工程是搞好工程測量首要的、基本的問題。

一、地下工程測量目前的發(fā)展?fàn)顩r

地下工程測量的發(fā)展與現(xiàn)實的測量儀器、技術(shù)和工程有著密切的關(guān)系。有了新型儀器，如何盡快應(yīng)用到實際工程中；反過來，有了新的工程，如何開發(fā)新的測量儀器、研究新的測量技術(shù)與方法，來滿足新工程的特殊要求。如此反復(fù)，推動著地下工程測量向前發(fā)展。因此理論方法和測量儀器的發(fā)展總是相輔相成的。

1、地下工程測量理論方法的發(fā)展。

(1)控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計。網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優(yōu)化設(shè)計理論構(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。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費(fèi)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(shè)計又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計，涉及到網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設(shè)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(shè)計。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)計程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計外，其他的網(wǎng)都可用模擬法進(jìn)行設(shè)計。

(2)變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理。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。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)。

若僅對變形觀測數(shù)據(jù)，可采用灰色系統(tǒng)理論或時間序列分析理論建模，前者可針對小數(shù)據(jù)量的時間序列，對原始數(shù)列采用累加生成法變?yōu)樯蓴?shù)列，因此有減弱隨機(jī)性、增加規(guī)律性的作用。如果對一個變形觀測量(如位移)的時間序列，通過建立一階或二階灰微分方程提取變形的趨勢項，然后再采用時序分析中的自回歸滑動平均模型ARMA，這種組合建模的方法，可分性好且具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：將非平穩(wěn)相關(guān)時序轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的平衡時序;具有同時進(jìn)行平滑、濾波和推估的作用；模型參數(shù)聚集了系統(tǒng)輸出的特征和狀態(tài)，這種組合模型是基于輸出的等價系統(tǒng)的理想動態(tài)模型。

3、測量乎差。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。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(jī)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(shè)計的關(guān)系。由于變形監(jiān)測網(wǎng)參考點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗的需要，導(dǎo)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(jìn)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。針對觀測值存在粗差的客觀實際，出現(xiàn)了穩(wěn)健估計(或稱抗差估計)；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。與最小二乘估計相區(qū)別，穩(wěn)健估計和有偏估計稱為非最小二乘估計。

二、蘭維工業(yè)測量技術(shù)的發(fā)展及其在地下工程測量中的應(yīng)用。

三維工業(yè)測量技術(shù)，是以電子經(jīng)緯儀、全站儀、近景攝影儀或激光掃描儀等為傳感器，在電子計算機(jī)和軟件的支持下形成了三維測量系統(tǒng)。三維工業(yè)測量系統(tǒng)分為三大類，以電子經(jīng)緯儀或壘站儀為傳感器的工業(yè)大地測量系統(tǒng)；以近景攝影機(jī)為傳感器的工業(yè)攝影測量系統(tǒng)；以激光掃描儀為傳感器的激光掃描測量系統(tǒng)。工業(yè)大地測量系統(tǒng)發(fā)展最早，應(yīng)用較廣，工業(yè)攝影測量系統(tǒng)，通常以近景攝影的方式實現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是通過像片提供大量信息，施測周期短，可在瞬間完成測量的壘過程，”可對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行測量，可以多重攝影，有多余觀測值，精度可靠，最好的相對精度可達(dá)百萬分之一，這對于復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境條件下的地下工程測量是非常有利的，在短時間內(nèi)獲取海量的測量數(shù)據(jù)，不但大大節(jié)省了財力、人力和物力，還能使測量的精度大大提高。激光掃描測量系統(tǒng)，是以激光掃描儀為傳感器的三維工業(yè)測量系統(tǒng)。激光掃描“點(diǎn)陣”可再現(xiàn)所測物體的三維立體景觀，可直接用于點(diǎn)對點(diǎn)的量測，利用擬合軟件，點(diǎn)陣可轉(zhuǎn)換成三維模型、二維平面圖、等高線圖或斷面圖等，也可以同時用于CAD及相關(guān)應(yīng)用。因激光掃描儀具有掃描范圍大、速度快、分辨率高、建?？欤唇雍玫奶攸c(diǎn)，這就為礦山開采沉陷的動態(tài)監(jiān)測、開采損害的評價提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，從而更能客觀、科學(xué)、有效的指導(dǎo)礦山的安壘生產(chǎn)。

三、地下工程測量學(xué)的發(fā)展展望

如前所述，地下工程測量理論與技術(shù)的快速發(fā)展與現(xiàn)實的測量儀器、技術(shù)和工程有著密切的關(guān)系。工程測量技術(shù)的自動化!智能化!小型化!無線化和動態(tài)測量化是一個總的發(fā)展趨勢。我國的地下工程測量在各個方面取得了巨大的發(fā)展，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)解決了諸多的關(guān)鍵問題。每年一次的全國性的工程測量學(xué)術(shù)研討會就給國內(nèi)的測量工作者提供了一次不斷交流：探討、總結(jié)和提高的機(jī)會。但由于各方面的原因，如測繪市場的不規(guī)范、資金和人力的投人不足，追求短期效應(yīng)等，國內(nèi)的地下工程測量在先進(jìn)技術(shù)的研究和應(yīng)用方面比起發(fā)達(dá)的國家，還存在一定的差距。

因此，地下工程測量理論與技術(shù)應(yīng)該在以下幾個方面有更好的發(fā)展：(1)針對特殊工程的專用【女器的研制，特別是傳感器的研制；(2)各種傳感器集成、數(shù)據(jù)處理及自動化實現(xiàn)，如各種移動測量系統(tǒng)的研制；(3)新型測量儀器的檢校設(shè)備!理論和方法；(4)多類連續(xù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理與分析的理論與方法；(5)數(shù)據(jù)處理中數(shù)學(xué)物理模型的建立、分析和辨識等。