淺析工程測(cè)量學(xué)的研究應(yīng)用及發(fā)展

高征團(tuán) 楊 妮

(陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安710199)

1 工程測(cè)量學(xué)的研究應(yīng)用領(lǐng)域

從應(yīng)用的角度看，工程測(cè)量是一門服務(wù)性技術(shù)。除了其本身的理論與技術(shù)體系外，主要面向廣泛的工程應(yīng)用，為工程建設(shè)服務(wù)。比如：（1）工業(yè)與民用建筑工程測(cè)量。它是指建筑工業(yè)與民用建筑工程在勘測(cè)、設(shè)計(jì)施工和竣工驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)管理過程中的測(cè)量工作。（2）線路工程測(cè)量。其包括公路、鐵路、輸電線、輸油管道、灌渠以及各種地下管線等工程。（3）地質(zhì)礦山工程測(cè)量。通常將配合地質(zhì)找礦、礦物開采工作的各種測(cè)量工作系統(tǒng)稱為地質(zhì)礦山工程測(cè)量。（4）軍事工程測(cè)量。是在軍事工程建設(shè)的勘測(cè)設(shè)計(jì)，施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理階段唆進(jìn)行的測(cè)量工作，為各種軍事工程建設(shè)提供精確數(shù)據(jù)、地形圖等。保障工程建設(shè)按照設(shè)計(jì)竣工和安全有效地使用等，多方面的應(yīng)用。

工程測(cè)量學(xué)的研究領(lǐng)域既有相對(duì)的固定性，又是不斷發(fā)展變化的。工程測(cè)量學(xué)主要包括以工程建筑為對(duì)象的工程測(cè)量和以設(shè)備與機(jī)器安裝為對(duì)象的工業(yè)測(cè)量?jī)纱蟛糠?。在學(xué)科上可劃分為普通工程測(cè)量和精密工程測(cè)量。工程測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)是為各種工程建設(shè)提供測(cè)繪保障，滿足工程所提出的要求。精密工程測(cè)量代表著工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展方向，大型特種精密工程建設(shè)是促進(jìn)工程測(cè)量學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力。

2 工程測(cè)量?jī)x器的發(fā)展

工程測(cè)量?jī)x器可分通用儀器和專用儀器。通用儀器中常規(guī)的光學(xué)經(jīng)緯儀、光學(xué)水準(zhǔn)儀和電磁波測(cè)距儀將逐漸被電子全測(cè)儀、電子水準(zhǔn)儀所替代。電腦型全站儀配合豐富的軟件，向全能型和智能化方向發(fā)展。帶電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和程序控制的全站儀結(jié)合激光、通訊及CCD 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全自動(dòng)化，被稱作測(cè)量機(jī)器人。測(cè)量機(jī)器人可自動(dòng)尋找并精確照準(zhǔn)目標(biāo)，在1s 內(nèi)完成一目標(biāo)點(diǎn)的觀測(cè)，像機(jī)器人一樣對(duì)成百上千個(gè)目標(biāo)作持續(xù)和重復(fù)觀測(cè)，可廣泛用于變形監(jiān)測(cè)和施工測(cè)量。GPS 接收機(jī)已逐漸成為一種通用的定位儀器在工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。將GPS 接收機(jī)與電子全站儀或測(cè)量機(jī)器人連接在一起，稱超全站儀或超測(cè)量機(jī)器人。它將GPS 的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無控制網(wǎng)的各種工程測(cè)量。

專用儀器是工程測(cè)量學(xué)儀器發(fā)展最活躍的，主要應(yīng)用在精密工程測(cè)量領(lǐng)域。其中，包括機(jī)械式、光電式及光機(jī)電(子)結(jié)合式的儀器或測(cè)量系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：高精度、自動(dòng)化、遙測(cè)和持續(xù)觀測(cè)。

用于建立水平的或豎直的基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)面，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線(或基準(zhǔn)面)的偏距(垂距)，稱為基準(zhǔn)線測(cè)量或準(zhǔn)直測(cè)量。這方面的儀器有正、倒錘與垂線觀測(cè)儀，金屬絲引張線，各種激光準(zhǔn)直儀、鉛直儀(向下、向上)、自準(zhǔn)直儀，以及尼龍絲或金屬絲準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)等。

高程測(cè)量方面，最顯著的發(fā)展應(yīng)數(shù)液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過各種類型的傳感器測(cè)量容器的液面高度，可同時(shí)獲取數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，具有高精度、遙測(cè)、自動(dòng)化、可移動(dòng)和持續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)。兩容器間的距離可達(dá)數(shù)十公里，如用于跨河與跨海峽的水準(zhǔn)測(cè)量；通過一種壓力傳感器，允許兩容器之間的高差從過去的數(shù)厘米達(dá)到數(shù)米。

與高程測(cè)量有關(guān)的是傾斜測(cè)量(又稱撓度曲線測(cè)量)，即確定被測(cè)對(duì)象(如橋、塔)在豎直平面內(nèi)相對(duì)于水平或鉛直基準(zhǔn)線的撓度曲線。各種機(jī)械式測(cè)斜(傾)儀、電子測(cè)傾儀都向著數(shù)字顯示、自動(dòng)記錄和靈活移動(dòng)等方向發(fā)展，其精度達(dá)微米級(jí)。

具有多種功能的混合測(cè)量系統(tǒng)是工程測(cè)量專用儀器發(fā)展的顯著特點(diǎn)，采用多傳感器的高速鐵路軌道測(cè)量系統(tǒng)，用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤沿鐵路軌道前進(jìn)的測(cè)量車，測(cè)量車上裝有棱鏡、斜傾傳感器、長(zhǎng)度傳感器和微機(jī)，可用于測(cè)量軌道的三維坐標(biāo)、軌道的寬度和傾角。液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量與金屬絲準(zhǔn)直集成的混合測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)百米長(zhǎng)的基準(zhǔn)線上可精確測(cè)量測(cè)點(diǎn)的高程和偏距。

工程測(cè)量專用儀器具有高精度(亞毫米、微米乃至納米)、快速、遙測(cè)、無接觸、可移動(dòng)、連續(xù)、自動(dòng)記錄、微機(jī)控制等特點(diǎn)，可作精密定位和準(zhǔn)直測(cè)量，可測(cè)量?jī)A斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，還可測(cè)振動(dòng)頻率以及物體的動(dòng)態(tài)行為。

3 工程測(cè)量現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r

3.1 空間技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用與發(fā)展

GPS 的出現(xiàn)使定位、導(dǎo)航發(fā)生了革命性的變革。目前GPS 偽距單點(diǎn)定位的精度為2-10m；載波相位單點(diǎn)定位為厘米到分米級(jí)；差分GPS 定位為亞米級(jí)到米級(jí)；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位為亞厘米到厘米級(jí)，而載波靜態(tài)相對(duì)定位為毫米級(jí)。

目前，美國(guó)正在進(jìn)行GPS 現(xiàn)代化改造，俄羅斯也在進(jìn)一步加強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐盟委員會(huì)正在研制GALLIEO 系統(tǒng)，還有其他國(guó)家，包括我國(guó)，日本和印度，是衛(wèi)星定位有單一GPS 向全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。導(dǎo)航衛(wèi)星的組合使將來衛(wèi)星定位精度更高，整周模糊度解算更方便，勢(shì)必為工程測(cè)量的發(fā)展提供有力保證。

3.2 數(shù)字測(cè)繪與空間信息的系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

我國(guó)數(shù)測(cè)繪技術(shù)從20 世紀(jì)90 年代處開始，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展已日漸成熟，形成了自己的方法和多個(gè)具有自主版權(quán)的國(guó)產(chǎn)軟件?，F(xiàn)在的數(shù)字測(cè)繪正在從二維向三維發(fā)展，形成三維測(cè)繪技術(shù)。

3.3 變形檢測(cè)理論和方法的發(fā)展

變形檢測(cè)是一項(xiàng)跨學(xué)科的研究，它是研究變形信息的獲取、分析和解釋，以及預(yù)報(bào)變形的理論和方法。

變形分析包括變形的幾何分析和物理解釋。前者用于模擬時(shí)空的特征，后者用于解釋變形和引起變形原因之間的關(guān)系。

3.4 工業(yè)測(cè)量

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)的自動(dòng)化流程，生產(chǎn)過程控制，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與監(jiān)控等進(jìn)行快速的、高精度的測(cè)量和定位，并給出復(fù)雜形體的數(shù)字模型或運(yùn)算軌跡等，這對(duì)工程測(cè)量提出了新的任務(wù)，興起了工業(yè)測(cè)量。工業(yè)測(cè)量技術(shù)發(fā)展飛速，技術(shù)設(shè)備向自動(dòng)化、智能化、信息化的方向邁進(jìn)。

3.5 工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展展望

（1）測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)處理和大型工程建設(shè)中，將發(fā)展基于知識(shí)的信息系統(tǒng)，并進(jìn)一步與大地測(cè)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(cè)、災(zāi)害防治和環(huán)境保護(hù)的各種問題。

（3）工程測(cè)量將從土木工程測(cè)量、三維工業(yè)測(cè)量擴(kuò)展到人體科學(xué)測(cè)量，如人體各器官或部位的顯微測(cè)量和顯微圖像處理。

（4）多傳感器的混合測(cè)量系統(tǒng)將得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如GPS 接收機(jī)與電子全站儀或測(cè)量機(jī)器人集成，可在大區(qū)域乃至國(guó)家范圍內(nèi)進(jìn)行無控制網(wǎng)的各種測(cè)量工作。

（5）GPS、GIS 技術(shù)將緊密結(jié)合工程項(xiàng)目，在勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工管理一體化方面發(fā)揮重大作用。

（6）大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑、設(shè)備的三維測(cè)量、幾何重構(gòu)以及質(zhì)量控制將是工程測(cè)量學(xué)發(fā)展的一個(gè)特點(diǎn)。

（7）數(shù)據(jù)處理中數(shù)學(xué)物理模型的建立、分析和辨識(shí)將成為工程測(cè)量學(xué)專業(yè)教育的重要內(nèi)容。

工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在從一維、二維到三維、四維，從點(diǎn)信息到面信息獲取，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從后處理到實(shí)時(shí)處理，從人眼觀測(cè)操作到機(jī)器人自動(dòng)尋標(biāo)觀測(cè)，從大型特種工程到人體測(cè)量工程，從高空到地面、地下以及水下，從人工量測(cè)到無接觸遙測(cè)，從周期觀測(cè)到持續(xù)測(cè)量。測(cè)量精度從毫米級(jí)到微米乃至納米級(jí)。工程測(cè)量學(xué)的上述發(fā)展將直接對(duì)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。