淺析水準(zhǔn)儀如何測(cè)量

周珍?李海霞

摘 要：本文對(duì)工程測(cè)量學(xué)重新進(jìn)行了定義，指出了該學(xué)科的地位和研究應(yīng)用領(lǐng)域；闡述了工程測(cè)量學(xué)領(lǐng)域通用和專用儀器的發(fā)展；在理論方法發(fā)展方面，重點(diǎn)對(duì)平差理論、工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。扼要地?cái)⑹隽舜笮吞胤N精密工程測(cè)量在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。結(jié)合科研和開(kāi)發(fā)實(shí)踐，簡(jiǎn)介了地面控制與施工測(cè)量工程內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化自動(dòng)化系統(tǒng)——科傻系統(tǒng)。最后展望了21世紀(jì)工程測(cè)量學(xué)若干發(fā)展方向。

工程測(cè)量工業(yè)測(cè)量精密工程測(cè)量測(cè)量機(jī)器人工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一，它主要以建筑工程、機(jī)器和設(shè)備為研究服務(wù)對(duì)象。 學(xué)科地位 測(cè)繪科學(xué)和技術(shù)是一門(mén)具有悠久歷史和現(xiàn)代發(fā)展的一級(jí)學(xué)科。該學(xué)科無(wú)論怎樣發(fā)展，服務(wù)領(lǐng)域無(wú)論怎樣拓寬，與其他學(xué)科的交叉無(wú)論怎樣增多或加強(qiáng)，學(xué)科無(wú)論出現(xiàn)怎樣的綜合和細(xì)分，學(xué)科名稱無(wú)論怎樣改變，學(xué)科的本質(zhì)和特點(diǎn)都不會(huì)改變。

筆者認(rèn)為，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。

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。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3維極坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無(wú)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)電結(jié)合式的儀器或測(cè)量系統(tǒng)。 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(guò)各種類(lèi)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(guò)一種壓力傳感器，答應(yīng)兩容器之間的高差從過(guò)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，即確定被測(cè)對(duì)象在豎直平面內(nèi)相對(duì)于水平或鉛直基準(zhǔn)線的撓度曲線。 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(chē)，測(cè)量車(chē)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3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。

綜上所述，工程測(cè)量專用儀器具有高精度、快速、遙測(cè)、無(wú)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。

工程測(cè)量理論方法的發(fā)展測(cè)量平差理論 最小二乘法廣泛應(yīng)用于測(cè)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(cè)量誤差理論主要表現(xiàn)在對(duì)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(duì)參數(shù)估計(jì)的影響，對(duì)參數(shù)和殘差統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的影響；病態(tài)方程與控制網(wǎng)及其觀測(cè)方案設(shè)計(jì)的關(guān)系。由于變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)參考點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)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(cè)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(cè)網(wǎng)變形和觀測(cè)值粗差的可區(qū)分性理論的研究和發(fā)展。針對(duì)觀測(cè)值存在粗差的客觀實(shí)際，出現(xiàn)了穩(wěn)健估計(jì)；針對(duì)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)。建立改正數(shù)向量與觀測(cè)值真誤差向量之間的函數(shù)關(guān)系，可對(duì)多個(gè)粗差同時(shí)進(jìn)行定位和定值，這種方法已在通用平差軟件包中得到算法實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。 方差和協(xié)方差分量估計(jì)實(shí)質(zhì)上是精化平差的隨機(jī)模型，過(guò)去一直僅停留在理論的研究上。實(shí)際中，要求對(duì)多種觀測(cè)量進(jìn)行綜合處理，因此，方差分量估計(jì)已成為測(cè)量平差的必備內(nèi)容了。

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)。模擬觀測(cè)方案，根據(jù)儀器確定觀測(cè)值精度，可進(jìn)一步模擬觀測(cè)值。計(jì)算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標(biāo)如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點(diǎn)位精度、相鄰點(diǎn)位精度、任意兩點(diǎn)間的相對(duì)精度、最弱點(diǎn)和最弱邊精度、邊長(zhǎng)和方位角精度。進(jìn)一步可計(jì)算坐標(biāo)未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點(diǎn)坐標(biāo)的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計(jì)算，特征值計(jì)算，點(diǎn)位誤差橢圓、置信橢圓的計(jì)算等?？煽啃园總€(gè)觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量和某一觀測(cè)值的粗差界限值對(duì)平差坐標(biāo)的影響。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標(biāo)以及觀測(cè)值的靈敏度影響系數(shù)。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，又不致于有太大的富余。通過(guò)改變觀測(cè)值的精度或改變觀測(cè)方案或局部改變網(wǎng)形等方法重新作上述設(shè)計(jì)計(jì)算，直到獲取一個(gè)較好的結(jié)果。 在實(shí)踐中，總結(jié)出了下述優(yōu)化設(shè)計(jì)策略：先固定觀測(cè)值的精度，對(duì)選取的網(wǎng)點(diǎn)，觀測(cè)所有可能的邊和方向，計(jì)算網(wǎng)的質(zhì)量的指標(biāo)，若質(zhì)量偏低，則必須提高觀測(cè)值的精度。在某一組先驗(yàn)精度下，若網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)偏高了，這時(shí)可按觀測(cè)值的內(nèi)部可靠性指標(biāo)ri，刪減觀測(cè)值。ri太大，說(shuō)明該觀測(cè)值顯得多余，應(yīng)刪去；若ri很小，則該觀測(cè)值的精度不宜增加。這種根據(jù)ri大小來(lái)刪除觀測(cè)值的方法稱為從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優(yōu)化策略。 從模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，它是一種試算法，需要有一個(gè)好的軟件。該軟件除具有通用平差軟件的功能外，在成果輸出的多樣性、直觀性，在可視化以及人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方面都有更高要求。同時(shí)也要求設(shè)計(jì)者具有堅(jiān)實(shí)的專業(yè)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。 用模擬法可獲得一個(gè)相對(duì)較優(yōu)且切實(shí)可行的方案，可進(jìn)一步用模擬觀測(cè)值作網(wǎng)的平差計(jì)算。對(duì)于一個(gè)精度、可靠性以及靈敏度要求極高的監(jiān)測(cè)網(wǎng)或精密控制網(wǎng)，作上述優(yōu)化設(shè)計(jì)和精細(xì)計(jì)算是十分必要的。國(guó)內(nèi)在這方面的應(yīng)用 道較少。多是為了安全起見(jiàn)，有較大的質(zhì)量富余，建網(wǎng)費(fèi)用偏高。網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)費(fèi)用很少，所帶來(lái)的效益較大，凡是較重要的工程控制網(wǎng)，都應(yīng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)。 變形觀測(cè)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(cè)、分析及預(yù)是工程測(cè)量學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。其中的變形分析和預(yù)涉及到變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理。但變形分析和預(yù)的范疇更廣，屬于多學(xué)科的交叉。