精密工程測(cè)量技術(shù)及其發(fā)展

李廣云，范百興

信息工程大學(xué)，河南 鄭州450001

精密工程測(cè)量技術(shù)及其發(fā)展

李廣云，范百興

信息工程大學(xué)，河南 鄭州450001

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國(guó)越來越多的大型精密工程的建設(shè)，尤其是大科學(xué)工程的建設(shè)，精密工程測(cè)量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文對(duì)精密工程測(cè)量在儀器、理論兩個(gè)方面的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)我國(guó)粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量、精密工業(yè)測(cè)量和高速鐵路測(cè)量等典型精密工程測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了論述。

精密工程測(cè)量;大科學(xué)工程;工業(yè)測(cè)量;激光測(cè)距;粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量

精密工程測(cè)量也被稱為特種精密工程測(cè)量、大型特種精密工程測(cè)量、精密測(cè)量等，是以經(jīng)典的測(cè)繪學(xué)理論與方法為基礎(chǔ)，運(yùn)用現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)和計(jì)量學(xué)等科技新理論、新方法與新技術(shù)，針對(duì)工程與工業(yè)建設(shè)中的具體問題，使用專門的儀器設(shè)備，以高精度與高科技的特殊方法采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為獲得所需要的數(shù)據(jù)與圖形資料而進(jìn)行的測(cè)量工作。精密工程測(cè)量的絕對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于毫米級(jí)或相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到1×10-5以上，具有高精度、高可靠性、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，是工程測(cè)量學(xué)科中最具有活力的一個(gè)研究與實(shí)踐方向，引領(lǐng)著工程測(cè)量學(xué)科的發(fā)展。

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提高，我國(guó)大型工程項(xiàng)目尤其是大科學(xué)工程得到了蓬勃的發(fā)展，如載人航天、探月工程、FAST(five hundred meter aperture spherical radio telescope)工程、高能粒子加速器等工程，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和精密的測(cè)量要求在施工、安裝、檢測(cè)、控制和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，都對(duì)精密工程測(cè)量提出了更高的要求，使得精密工程測(cè)量得到了飛速的發(fā)展，精密測(cè)量技術(shù)在加速器工程、高鐵工程、大型射電望遠(yuǎn)鏡工程和工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用，成為影響工程整體質(zhì)量的重要因素，因此，加強(qiáng)對(duì)精密工程測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用十分重要。

值此《測(cè)繪學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊60周年之際，總結(jié)我國(guó)精密工程測(cè)量的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，尤其是近20年來精密工程測(cè)量的快速發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，展望精密工程測(cè)量發(fā)展的趨勢(shì)，建立符合我國(guó)國(guó)情的精密工程測(cè)量體系，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。

1 精密工程測(cè)量?jī)x器的發(fā)展

精密測(cè)量?jī)x器一直是精密工程測(cè)量發(fā)展的重要推動(dòng)力，近年來，精密工程測(cè)量?jī)x器在測(cè)量精度、測(cè)量范圍、測(cè)量自動(dòng)化等方面都得到了顯著的進(jìn)步，逐步呈現(xiàn)出了多傳感器集成精密測(cè)量系統(tǒng)的趨勢(shì)。激光跟蹤儀、激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人、各種高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機(jī)、電子全站儀、水準(zhǔn)儀以及各種專用測(cè)量?jī)x器的發(fā)展,為精密測(cè)量提供了技術(shù)保障[3]。最為顯著的發(fā)展體現(xiàn)在精密測(cè)距技術(shù)、多傳感器集成測(cè)量技術(shù)等方面。

1.1 精密測(cè)距技術(shù)

與精密測(cè)角技術(shù)相比，精密工程測(cè)量?jī)x器在精密測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步更為顯著。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，全站儀的最高測(cè)距精度都穩(wěn)定在±(1 mm+1×10-6×D)左右，其中，D為測(cè)量距離，以千米為單位。以TS60、MS05A、S8等為代表的全站儀，其測(cè)距精度都提高到了±(0.6 mm+1×10-6×D)，進(jìn)一步提高了精密工程控制網(wǎng)測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的測(cè)量精度。

經(jīng)典的ME5000精密測(cè)距儀的激光頻率為510 MHz，帶寬20 MHz，配合單棱鏡的測(cè)量范圍為20～8000 m，測(cè)距精度為±(0.2 mm+0.2×10-6×D)，一直是最高精度的遠(yuǎn)距離精密測(cè)距儀。瑞士徠卡公司在對(duì)ME5000的測(cè)距技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，通過大幅度提高測(cè)距頻率和帶寬，解決了激光跟蹤儀在測(cè)量范圍、測(cè)量精度等方面的絕對(duì)距離測(cè)量(absolute distance meter，ADM)問題，先后研制成功具有絕對(duì)測(cè)距功能的LTD/AT系列激光跟蹤儀，并于2012年推出了μ-Base型精密激光測(cè)距儀，其相關(guān)測(cè)距參數(shù)如表1所示。

表1 精密ADM測(cè)距儀器的參數(shù)

從表1中可以看出，隨著測(cè)距頻率的增加，μ-Base測(cè)距儀的測(cè)距精度得到了大幅度提高，最小測(cè)程在減小，在160 m的距離上，測(cè)距精度優(yōu)于±10 μm，在精密工程測(cè)量、工業(yè)測(cè)量、野外基線測(cè)量等領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。

與ADM測(cè)距技術(shù)相比，激光干涉測(cè)距(interferometer，IFM)具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，其最大測(cè)距范圍可以達(dá)到0～80 m，測(cè)距精度可以達(dá)到±0.5 μm/m，可以滿足精密動(dòng)態(tài)測(cè)量、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。德國(guó)ETALON公司于2010年研制的激光跟蹤干涉儀(laser tracer)測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)距儀在精密激光干涉測(cè)距的基礎(chǔ)上，配合精密基準(zhǔn)球穩(wěn)定支撐技術(shù)，使空間距離的測(cè)量精度提高到±(0.2 μm+0.3 μm/m)，激光干涉測(cè)距分辨率為0.001 μm，測(cè)距范圍0～15 m，在精密工業(yè)測(cè)量、精密機(jī)械校準(zhǔn)等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用[8]。

組合測(cè)距(ADM & IFM，AIFM)是最新發(fā)展的精密測(cè)距技術(shù)，它融合了IFM和ADM精密測(cè)距技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了ADM單頻測(cè)距的缺點(diǎn)，采用較寬范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行測(cè)量，能消除微米級(jí)的偏振誤差，又解決了IFM只能進(jìn)行相對(duì)距離測(cè)量的缺點(diǎn)。

1.2 多傳感器集成測(cè)量技術(shù)

在精密工程測(cè)量領(lǐng)域，常用的精密測(cè)量?jī)x器主要包括激光跟蹤儀、激光掃描儀、全站儀、GNSS接收機(jī)、陀螺經(jīng)緯儀、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、靜力水準(zhǔn)儀、電子水準(zhǔn)儀以及各種測(cè)量傳感器等。各種測(cè)量?jī)x器都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在精密工程測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了各自重要的作用。但是隨著大型復(fù)雜工程的進(jìn)一步發(fā)展，迫切地需要多種測(cè)量?jī)x器緊密地結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的性能和功能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多傳感器的集成測(cè)量，更好地解決復(fù)雜大型工程的特殊測(cè)量、三維測(cè)量要求。多傳感器集成測(cè)量的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 超站儀測(cè)量技術(shù)集成

國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位自上世紀(jì)末就開始了多傳感集成測(cè)量的相關(guān)研究，到21世紀(jì)初，徠卡等公司相繼推出了以Smart Station為代表的超站儀，第一次將全站儀和GNSS接收機(jī)系統(tǒng)的集成起來，實(shí)現(xiàn)了全站儀任意設(shè)站即可獲取測(cè)站中心三維坐標(biāo)。國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)在此基礎(chǔ)開展了超站儀配合陀螺儀開展精密工程測(cè)量的研究，借助于GNSS的全局定位測(cè)量、陀螺的定向測(cè)量和全站儀的碎步測(cè)量功能，在一定程度上實(shí)現(xiàn)“無標(biāo)石測(cè)量”，突破了精密工程測(cè)量的“先控制后碎步，先整體再局部”的傳統(tǒng)測(cè)量原則，極大地提高了精密工程測(cè)量的作業(yè)效率。

1.2.2 攝影測(cè)量技術(shù)與球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的集成

近景數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有測(cè)量精度高、便攜性好、自動(dòng)化程度高、非接觸測(cè)量、三維點(diǎn)坐標(biāo)批量測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在大型天線產(chǎn)品安裝與檢測(cè)、文物保護(hù)、工業(yè)產(chǎn)品測(cè)量與檢測(cè)等領(lǐng)域有著成功的應(yīng)用。近十年來，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作為測(cè)量系統(tǒng)的“眼睛”，其在測(cè)量自動(dòng)化等方向發(fā)揮的作用越來越顯著，先后和全站儀、激光跟蹤儀、三維激光掃描儀等精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了緊密的融合。目前，TS60、IS3等智能全站儀均具有CCD(charge-coupled device)圖像測(cè)量功能，采用直接將CCD或CMOS(complementary metal oxide semiconductor)傳感器安裝到全站儀內(nèi)部，通過全站儀望遠(yuǎn)鏡得到視場(chǎng)內(nèi)圖像，再通過標(biāo)定全站儀測(cè)站坐標(biāo)系和CCD坐標(biāo)系的關(guān)系，即可計(jì)算出任何一個(gè)圖像像素點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的水平角度和垂直角度。在測(cè)量中，用戶選中圖像上任何一點(diǎn)，系統(tǒng)都可以將選中點(diǎn)的像素值轉(zhuǎn)換為全站儀的水平角和垂直角，在全站儀馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，即可實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡十字絲中心和選擇點(diǎn)的精密重合，即“圖像照準(zhǔn)”功能。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在無反射棱鏡測(cè)量條件下的任意目標(biāo)精密照準(zhǔn)問題，解決了上、下天頂附近人工照準(zhǔn)目標(biāo)困難的難題，為測(cè)量的自動(dòng)化提供了更加先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

激光跟蹤儀也屬于精密球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，目前，主流的跟蹤儀廠商都推出了基于圖像測(cè)量功能的激光跟蹤儀六自由度測(cè)量技術(shù)，如T-Cam、T-Probe、B-Probe、T-Scan等產(chǎn)品。六自由度測(cè)量靶標(biāo)主要由一個(gè)CCR(corner cube reflector)測(cè)量靶球和若干個(gè)LED發(fā)光標(biāo)志組成，其基本原理是激光跟蹤儀實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量六自由度靶球的三維坐標(biāo)位置值，通過圖像實(shí)時(shí)測(cè)量LED(light emitting diode)發(fā)光標(biāo)志并計(jì)算六自由度靶標(biāo)的姿態(tài)值，從而實(shí)現(xiàn)六自由度測(cè)量并可以實(shí)時(shí)解算六自由靶標(biāo)探針點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，極大地拓展了激光跟蹤儀在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用范圍。

1.2.3 全站式掃描儀測(cè)量技術(shù)

以全站儀為基礎(chǔ)的多傳感器集成測(cè)量技術(shù)近幾年來得到了迅速發(fā)展，各主要測(cè)量?jī)x器制造商都相繼推出了新一代集成型全站儀，典型產(chǎn)品包括MS60、IS301、SX10等型號(hào)。集成型全站儀除了具有經(jīng)典全站儀的測(cè)量功能外，通常還具有測(cè)量機(jī)器人的無合作目標(biāo)測(cè)距、圖像測(cè)量、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、鎖定跟蹤和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等功能。此外，集成型全站儀的一個(gè)顯著特征是具備單點(diǎn)和點(diǎn)云的聯(lián)合測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)了三維激光掃描儀的全站儀化，使三維掃描儀的測(cè)量更接近于經(jīng)典測(cè)量模式，如測(cè)站數(shù)據(jù)拼接、對(duì)中整平、先控制后點(diǎn)云掃描測(cè)量等。以徠卡MS60全站式掃描儀為例，其具備智能全站儀、CCD攝影、GNSS、三維激光掃描儀等4項(xiàng)功能，三維點(diǎn)云的最大采樣頻率可以達(dá)到1000點(diǎn)/s，采用全新的波形數(shù)字化測(cè)距技術(shù)(wave form digitizingtechnology，WFD)，極大地提高了掃描測(cè)量的精度，在隧道斷面掃描測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、大容量計(jì)量等領(lǐng)域也有著應(yīng)用前景。

2 精密工程測(cè)量理論的發(fā)展

精密工程測(cè)量的基礎(chǔ)仍然是經(jīng)典大地測(cè)量、工程測(cè)量理論，測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法仍以經(jīng)典測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論為基礎(chǔ)，但是由于精密工程測(cè)量基于實(shí)踐、服務(wù)生產(chǎn)的特殊需要，又發(fā)展了針對(duì)各種專用測(cè)量?jī)x器設(shè)備的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法，從而發(fā)展了經(jīng)典測(cè)量的理論[1]。近幾年，國(guó)內(nèi)精密工程測(cè)量理論的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.1 精密距離三維坐標(biāo)交會(huì)測(cè)量

交會(huì)測(cè)量是精密工程測(cè)量領(lǐng)域的一種重要的位置測(cè)量方法，但是高精度的交會(huì)測(cè)量多采用角度交會(huì)測(cè)量方法，這主要是長(zhǎng)期以來測(cè)距精度低于測(cè)角精度，如精密全站儀的測(cè)角精度為±0.5″，遠(yuǎn)高于±(0.6 mm+1×10-6×D)的測(cè)距精度。此外，傳統(tǒng)的角度和距離交會(huì)測(cè)量都是以大地水平面為基準(zhǔn)，而隨著精密工程測(cè)量的進(jìn)一步發(fā)展，激光精密測(cè)距精度得到了大幅度提高，逐步發(fā)展起空間任意傾斜姿態(tài)的精密距離三維點(diǎn)坐標(biāo)交會(huì)測(cè)量技術(shù)。

精密距離三維坐標(biāo)交會(huì)測(cè)量技術(shù)首先采用基于激光干涉測(cè)距的任意姿態(tài)測(cè)站定向原理，由于只有激光距離觀測(cè)值而無角度值，控制網(wǎng)存在數(shù)虧，需要采用加權(quán)秩虧自由網(wǎng)平差模型，通過建立附加約束矩陣解決激光干涉測(cè)距網(wǎng)形虧的平差解算問題，解算各個(gè)激光干涉測(cè)距儀中心的三維坐標(biāo)值，再利用空間距離三維交會(huì)原理求解空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。相關(guān)研究表明[8]，基于精密距離交會(huì)測(cè)量的三維坐標(biāo)誤差小于±20 μm，并可建立空間三維點(diǎn)坐標(biāo)PDOP(position dilution of precision)值模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間距離交會(huì)圖形的優(yōu)化。

2.2 工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論

工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量(industrial photogrammetry)是實(shí)施工業(yè)測(cè)量的一種重要方法，利用相機(jī)對(duì)被測(cè)目標(biāo)拍攝像片，通過圖像處理和攝影測(cè)量處理，以獲取目標(biāo)的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，屬于近景攝影測(cè)量范疇[9]。該系統(tǒng)可以瞬間獲取被測(cè)目標(biāo)大量物理信息和幾何信息，特別適用于測(cè)量點(diǎn)眾多的目標(biāo)，且屬于非接觸性測(cè)量，不傷及測(cè)量目標(biāo)，適合于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的外形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量，經(jīng)過近20年的發(fā)展逐步形成了完整的軟硬件系統(tǒng)，在文物保護(hù)、天線形面、工業(yè)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基本平差解算模型是共線方程，雖然該模型來源于經(jīng)典攝影測(cè)量，但在工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在發(fā)展和完善過程中，先后在以下幾個(gè)理論研究方面取得了突破。

(1) 建立了編碼標(biāo)志的若干編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀和點(diǎn)狀等不同類型編碼標(biāo)志的自動(dòng)匹配和識(shí)別。

(2) 優(yōu)化點(diǎn)狀編碼標(biāo)志的邊緣檢測(cè)模型，采用灰度加權(quán)質(zhì)心法、灰度平方加權(quán)質(zhì)心法等模型，提高了標(biāo)志中心的提取精度。

(3) 建立基于定向棒和編碼標(biāo)志的多片自動(dòng)化概略定向模型，實(shí)現(xiàn)了大量相片的快速自動(dòng)定向和同名點(diǎn)匹配。

正是隨著上述數(shù)據(jù)理論模型的優(yōu)化和相機(jī)硬件設(shè)備性能的提高，工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量精度得到了極大的提高，目前三維點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量精度已經(jīng)優(yōu)于±(4 μm+4 μm/m)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理一直是精密工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要研究方向。由于變形體的結(jié)構(gòu)、組成物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)、外力作用的復(fù)雜性和不確定性等因素,建立合適變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模型比較困難，因此用數(shù)學(xué)模型來逼近、模擬和揭示變形體的變形和動(dòng)態(tài)特性成為新的研究方向。其中比較有代表性的模型有：確定函數(shù)模型、回歸分析模型、時(shí)間序列分析模型、灰色系統(tǒng)模型、卡爾曼濾波模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、馬爾柯夫模型和尖頂突變模型。作為人工智能的重要組成部分，專家系統(tǒng)近年來在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也得到了較好的應(yīng)用[17-19]。

需要指出的是，為了提高變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的精度，前述變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模型逐步出現(xiàn)了融合的趨勢(shì)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和灰色系統(tǒng)模型的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理；另一方面，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能數(shù)據(jù)處理方法在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，如基于EEMD去噪和果蠅算法等。此外，在變形監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面也取得了良好的應(yīng)用。

精密工程測(cè)量的理論在多傳感器組合系統(tǒng)建立(同時(shí)確定位置、姿態(tài))、地基SAR形變測(cè)量等方面亦有一些進(jìn)展，限于篇幅，不再贅述。

3 精密工程測(cè)量技術(shù)典型應(yīng)用

3.1 粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量

粒子加速器是進(jìn)行物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的大型科學(xué)裝置，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的起步較早，大型加速器較多，其中典型的是歐洲核子研究中心(CERN)建設(shè)的世界上最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP(large electron-positron collider)。LEP建立于地下百米深、直徑為8.6 km、周長(zhǎng)27 km的環(huán)形隧道里，整個(gè)加速器軌道上布設(shè)了5000塊四級(jí)聚焦磁鐵和兩級(jí)彎轉(zhuǎn)磁鐵，并于2007年升級(jí)改造為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC(large hadron collider)。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始建設(shè)大型粒子加速器，目前已建成BEPC、CSR、SSRF和CSNS等粒子加速器。

粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量是實(shí)現(xiàn)粒子加速器精密安裝和運(yùn)營(yíng)階段的重要工作，主要包括兩個(gè)方面：一是在加速器建造階段的控制測(cè)量和安裝測(cè)量，目的是將各類復(fù)雜的設(shè)備元件安裝定位于設(shè)計(jì)位置，并實(shí)現(xiàn)粒子束流軌道的高度平滑性；二是在加速器運(yùn)行階段的變形監(jiān)測(cè)，包括控制網(wǎng)的變形監(jiān)測(cè)和設(shè)備元件的變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)變形情況調(diào)整設(shè)備的相對(duì)位置，以保證加速器的正常運(yùn)行。

加速器準(zhǔn)直測(cè)量工作屬于大型精密工程測(cè)量范疇，涵蓋了大地測(cè)量學(xué)、精密工程測(cè)量學(xué)、幾何量計(jì)量等諸多學(xué)科內(nèi)容。與常規(guī)精密工程測(cè)量相比，加速器準(zhǔn)直測(cè)量具有范圍大(幾十米到幾十千米)、測(cè)量環(huán)境狹窄、測(cè)量檢核條件少等特點(diǎn)，但隨著加速器規(guī)模的不斷增大以及設(shè)計(jì)需求的不斷提高，準(zhǔn)直測(cè)量的各項(xiàng)精度指標(biāo)也在不斷提高，關(guān)鍵元件的定位精度從過去的0.5 mm提高到了0.1 mm，直線段(202 m)飄移管直線精度優(yōu)于0.1 mm，儲(chǔ)存環(huán)關(guān)鍵磁鐵元件定位精度達(dá)到0.07 mm等。以中國(guó)最新建設(shè)的散裂中子源(CSNS)粒子加速器為例，在200 m直線加速器和400 m同步環(huán)形加速器準(zhǔn)直測(cè)量中，其關(guān)鍵磁鐵的安裝測(cè)量精度指標(biāo)如表2所示，其中，ΔX、ΔY、ΔZ、ΔθX、ΔθY、ΔθZ分別是坐標(biāo)軸的平移分量和旋轉(zhuǎn)分量。

表2 CSNS儲(chǔ)存環(huán)磁鐵的安裝精度

精密工程測(cè)量技術(shù)在粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量中的作用主要如下。

3.1.1 建立高精度三維控制網(wǎng)

在加速器覆蓋區(qū)域內(nèi)布設(shè)足夠密度的控制點(diǎn)，經(jīng)過多次測(cè)量和平差后得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值。

粒子加速器控制網(wǎng)包括永久控制點(diǎn)和加密控制點(diǎn)，地面控制點(diǎn)均為強(qiáng)制對(duì)中裝置且基坑深挖到基巖，對(duì)中裝置采用弧形結(jié)構(gòu)以滿足激光跟蹤儀測(cè)量時(shí)角隅反射器的放置，其表面刻畫十字線作為對(duì)中標(biāo)志，以滿足全站儀和經(jīng)緯儀的測(cè)量對(duì)中需要。

粒子加速器控制測(cè)量主要采用精密全站儀、投點(diǎn)儀、水準(zhǔn)儀和GNSS接收機(jī)等測(cè)量設(shè)備，通過邊角網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)、和GNSS網(wǎng)的聯(lián)合平差，完成平面網(wǎng)和高程網(wǎng)測(cè)量，并將地面控制網(wǎng)傳遞到地下，全網(wǎng)三維坐標(biāo)平差精度一般要求優(yōu)于±3 mm。以CSNS粒子加速器為例，其控制網(wǎng)如圖1所示。

圖1 CSNS地面控制網(wǎng)Fig.1 The ground control network of CSNS

3.1.2 建立高精度隧道控制網(wǎng)

建立高精度粒子加速器隧道控制網(wǎng)，作為安裝測(cè)量的基準(zhǔn)。加速器隧道是直伸狹長(zhǎng)的整體結(jié)構(gòu)，在環(huán)形區(qū)有較大的弧度，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差，通視條件有限。早期的粒子加速器隧道控制網(wǎng)多采用邊角網(wǎng)和水準(zhǔn)網(wǎng)相結(jié)合的方式，包括光學(xué)經(jīng)緯儀(T3)測(cè)角、DISTINVAR精密測(cè)距、偏距儀測(cè)弦髙和光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)高程等。近20年來，粒子加速器主要采用激光跟蹤儀進(jìn)行隧道準(zhǔn)直測(cè)量，固定角隅反射器靶座作為控制點(diǎn)，加強(qiáng)控制點(diǎn)在空間內(nèi)分布的均勻性(見圖2)，通過激光跟蹤儀多次設(shè)站和重復(fù)測(cè)量控制點(diǎn)，由多段多區(qū)域的控制點(diǎn)交叉增強(qiáng)隧道控制網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)，整體布局呈直伸重疊邊角鎖網(wǎng)的形式，如圖3所示。

圖2 隧道控制點(diǎn)的布設(shè)Fig.2 The distribution chart of tunnel control point

以CSNS粒子加速器為例，其直線隧道按31段布設(shè)控制點(diǎn)，每段5個(gè)點(diǎn)，分別位于地面、墻壁和天花板，測(cè)量過程采用激光跟蹤儀自由建站與搬站測(cè)量相結(jié)合的方式，在每?jī)蓚€(gè)測(cè)段控制點(diǎn)的中間位置建站，從隧道一端往另一端依次測(cè)量通視范圍內(nèi)所有控制點(diǎn)坐標(biāo)(不少于3個(gè))，如圖4所示。

圖3 隧道環(huán)形三維控制網(wǎng)Fig.3 The tunnel ring control network

圖4 激光跟蹤儀布設(shè)隧道控制網(wǎng)Fig.4 The tunnel ring control network with Laser Tracker

CSNS粒子加速器工程中，采用標(biāo)稱測(cè)角和測(cè)距精度分別為±(18 μm+3 μm/m)和±(20 μm+1.1 μm/m)的SMX激光跟蹤儀進(jìn)行三維控制網(wǎng)測(cè)量，兩次測(cè)量平差后的點(diǎn)位精度如表3所示。

表3隧道平面網(wǎng)的平差結(jié)果

Tab.3Theadjustmentproductsoftunnelhorizontalcontrolnetworkmm

mxmymzmp第1次0.060.170.120.22第2次0.020.140.110.18

粒子加速器隧道控制網(wǎng)的高程測(cè)量采用一等幾何水準(zhǔn)測(cè)量，其高差測(cè)量值平差結(jié)果與激光跟蹤儀高差平差結(jié)果如表4所示。

表4 激光跟蹤儀與水準(zhǔn)高差測(cè)量結(jié)果

3.1.3 磁鐵精密安裝測(cè)量

隧道控制網(wǎng)布設(shè)后，即建立了磁鐵元件安裝的全局坐標(biāo)系。在磁鐵元件的頂部或側(cè)面布設(shè)3個(gè)以上的靶座作為特征點(diǎn)，激光跟蹤儀任意位置自由設(shè)站后，測(cè)量不少于3個(gè)的隧道控制點(diǎn)，將激光跟蹤儀測(cè)站坐標(biāo)系恢復(fù)到全局坐標(biāo)系，測(cè)量磁鐵元件的特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)三維坐標(biāo)值計(jì)算磁鐵元件的位置和姿態(tài)參數(shù)，指導(dǎo)磁鐵元件安裝到理論位置。

綜上所述，CSNS測(cè)量屬于典型的精密工程測(cè)量，綜合采用了GNSS、全站儀、激光跟蹤儀和精密水準(zhǔn)儀等多種測(cè)量技術(shù)，充分發(fā)揮了各種測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完成了地面控制網(wǎng)測(cè)量、隧道控制網(wǎng)測(cè)量、地上地下控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)、加速器準(zhǔn)直測(cè)量等內(nèi)容，保證了加速器安裝要求，在加速器大型精密科學(xué)工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮了精密工程測(cè)量不可替代的作用。

3.2 工業(yè)測(cè)量

工業(yè)測(cè)量是在工業(yè)生產(chǎn)和科研各環(huán)節(jié)中，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、模擬、測(cè)量、放樣、仿制、仿真、質(zhì)量控制和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提供測(cè)量技術(shù)支撐的一門學(xué)科[9]，主要解決工業(yè)部件設(shè)計(jì)、制造、安裝、放樣、檢測(cè)、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等過程中的形狀、位置、尺寸等參數(shù)測(cè)量與解算等問題。工業(yè)測(cè)量理論和方法主要來源于精密工程測(cè)量和幾何量計(jì)量，隨著工業(yè)產(chǎn)品的測(cè)量尺寸和復(fù)雜性的提高，工業(yè)測(cè)量得到了蓬勃的發(fā)展，極大地拓展了精密工程測(cè)量的應(yīng)用范圍。

大尺寸工業(yè)測(cè)量(large-scale coordinates measurement system,LCMS)是指測(cè)量范圍在幾米到幾十米范圍內(nèi)的工業(yè)測(cè)量，英國(guó)著名學(xué)者D. W. BERRY將其定義為“是一種關(guān)于幾何量的測(cè)量，它將大地測(cè)量技術(shù)與工程測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來，以解決工程中大型裝備的測(cè)量問題”，澳大利亞國(guó)家測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的M. J. PUTTOCK認(rèn)為“大尺寸工業(yè)測(cè)量是指大型工程結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、安裝、檢測(cè)等環(huán)節(jié)的所進(jìn)行的測(cè)量工作，其測(cè)量范圍一般超過幾米且測(cè)量工作是在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，是介于實(shí)驗(yàn)室的工程測(cè)量和大地測(cè)量之間的特殊情況下的工程測(cè)量”，美國(guó)學(xué)者W.T.ESTLER認(rèn)為“大尺寸計(jì)量的特點(diǎn)是通過光線在空氣中的傳播將測(cè)量?jī)x器與測(cè)量物體之間的信息進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移可以是被動(dòng)的，如攝影測(cè)量；也可以是主動(dòng)的，如激光跟蹤儀，目標(biāo)點(diǎn)的位置是通過一束光經(jīng)過發(fā)射、反射、接收等發(fā)訊過程實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移”[8]。從國(guó)內(nèi)外著名研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)大尺寸工業(yè)測(cè)量的定義可以看出，大尺寸工業(yè)測(cè)量和精密工程測(cè)量具有密不可分的關(guān)系，是特殊條件下精密工程測(cè)量的應(yīng)用。

與精密工程測(cè)量相比，工業(yè)測(cè)量的范圍雖然相對(duì)較小，但是測(cè)量對(duì)象更加復(fù)雜，測(cè)量精度也要求更高，因此，工業(yè)測(cè)量的手段也更加多樣化。經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)逐步形成了經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、iGPS(infrared/indoor global positioning system)、激光雷達(dá)等多種測(cè)量系統(tǒng)，使工業(yè)測(cè)量成為精密工程測(cè)量學(xué)科中發(fā)展速度最快、涉及領(lǐng)域最廣的研究方向之一。各種工業(yè)測(cè)量技術(shù)分別有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性，其主要參數(shù)的比較和分析如表5所示[6]。

表5 各種工業(yè)測(cè)量技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

從表中可以看出，各種工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和適用環(huán)境，激光跟蹤儀在測(cè)距范圍(160 m)和測(cè)距精度(0.5 μm/m)具有明顯優(yōu)勢(shì)，而經(jīng)緯儀的測(cè)角精度最高(±0.5″)，基本可以滿足工業(yè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、加工、安裝、檢測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)量需求，在航空航天、重工產(chǎn)品制造與安裝、大型天線安裝與檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的重要環(huán)節(jié)，具有“可測(cè)量才可制造，可測(cè)量才可安裝”的支撐地位。

近幾年來，隨著我國(guó)載人航天、探月工程、FAST等重大科學(xué)工程的實(shí)施，工業(yè)測(cè)量的應(yīng)用逐步呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

3.2.1 測(cè)量范圍越來越大

以某型航天器為例，其總裝后在豎直狀態(tài)下，高度達(dá)到10.4 m，最大直徑3.35 m，極大地突破了航天器經(jīng)典測(cè)量范圍的要求；在水利工程中，三峽升船機(jī)螺母柱比現(xiàn)有同類工業(yè)產(chǎn)品的尺寸也大的多；而FAST工程中，天線的最大口徑達(dá)到500 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有最大口徑50 m和65 m的射電望遠(yuǎn)鏡天線。測(cè)量范圍的大幅度增加，對(duì)測(cè)量方法、測(cè)量技術(shù)等都提出了新的要求。

3.2.2 測(cè)量精度要求越來越高

工業(yè)測(cè)量精度要求的提高在航天器測(cè)量領(lǐng)域和精密加工領(lǐng)域表現(xiàn)得最為突出，航天器的單向姿態(tài)微變形測(cè)量誤差小于±0.5″，核心部件的位置安裝誤差小于±0.1 mm，而精密機(jī)械加工領(lǐng)域的平面度要求達(dá)到了微米級(jí)。

3.2.3 多種傳感器聯(lián)合測(cè)量

單類型單臺(tái)單站工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足工業(yè)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、測(cè)量環(huán)境日益特殊、測(cè)量參數(shù)日益增多的測(cè)量需求，迫切地需要多類型、多站工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)量共同完成復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的測(cè)量需求。

如圖5所示，某型航天器需要同時(shí)測(cè)量星載天線面板和星載敏感器立方鏡之間的姿態(tài)關(guān)系，并需要將其歸算到航天器結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系。傳統(tǒng)的單類型單臺(tái)單站工業(yè)測(cè)量技術(shù)都很難滿足要求。相關(guān)單位采用經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測(cè)量和激光跟蹤儀球坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)組成聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng)，充分發(fā)揮經(jīng)緯儀高精度準(zhǔn)直測(cè)量和激光跟蹤儀高精度三維坐標(biāo)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，通過定向點(diǎn)整體三維邊角網(wǎng)平差模型進(jìn)行多站儀器的定向解算，定位誤差優(yōu)于±0.1 mm，成功實(shí)現(xiàn)了天線面板和立方鏡及航天器結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的高精度測(cè)量[8]。

圖5 多類型測(cè)量?jī)x器聯(lián)合測(cè)量 Fig.5 The integrated measuring with multi-surveying instruments

3.2.4 精密位姿動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

隨著航天器交會(huì)對(duì)接、工業(yè)產(chǎn)品振動(dòng)測(cè)試、武器裝備動(dòng)態(tài)測(cè)試、天線饋源動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域的測(cè)量需求，工業(yè)測(cè)量逐步從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，并且對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的采樣頻率、測(cè)量精度等方面都有了較高的要求。

目前，精密位姿動(dòng)態(tài)測(cè)量主要有3種方法。

第1種方法是基于球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)(如激光跟蹤儀)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相結(jié)合，形成六自由度測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量六自由度靶標(biāo)的位置(X，Y，Z)和姿態(tài)(Rx，Ry，Rz)。典型產(chǎn)品如T-MAC六自由度測(cè)量靶標(biāo)，在30 m測(cè)量范圍內(nèi)，以1000 Hz的采樣頻率實(shí)時(shí)測(cè)量六自由度參數(shù)，位置測(cè)量誤差為±(15 μm+6 μm/m)，姿態(tài)測(cè)量誤差小于±0.01°。

第2種方法是基于3臺(tái)以上的球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，通過定向點(diǎn)定向解算建立全局測(cè)量坐標(biāo)系，每個(gè)定向后的測(cè)站實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量空間運(yùn)動(dòng)物體的特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值實(shí)時(shí)解算運(yùn)動(dòng)物體的位置和姿態(tài)。該方法的核心技術(shù)主要包括多臺(tái)儀器系統(tǒng)定向和時(shí)間精確同步技術(shù)。相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]表明，基于多臺(tái)全站儀和激光跟蹤儀的動(dòng)態(tài)位姿測(cè)量系統(tǒng)在FAST饋源測(cè)量等工程中都得到了成功應(yīng)用。

第3種方法是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)攝影測(cè)量技術(shù)，但測(cè)量范圍有限。

3.2.5 極端環(huán)境測(cè)量

由于工業(yè)產(chǎn)品的多樣性和復(fù)雜性，工業(yè)測(cè)量的環(huán)境極為特殊，最典型案例包括高溫鍛件測(cè)量和航天器真空測(cè)量。

3.3 高鐵精密測(cè)量技術(shù)

允許速度至少達(dá)到250 km/h的專線鐵路或允許速度達(dá)到200 km/h的既有線鐵路稱為高速鐵路[11]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，高速鐵路以其速度快、運(yùn)量大等特點(diǎn)，成為人們出行的主要公共交通工具之一，極大地提高了人們的出行效率。高速鐵路要建設(shè)成為百年工程，精密工程測(cè)量技術(shù)和結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)工作是高速鐵路建設(shè)成套技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，起著舉足輕重的作用，其工作質(zhì)量的好壞將直接影響到工程質(zhì)量和其運(yùn)營(yíng)安全[10]。

按照工程建設(shè)階段可以將高速鐵路的精密工程測(cè)量分為以下內(nèi)容：

3.3.1 勘察設(shè)計(jì)階段

勘察設(shè)計(jì)階段的精密工程測(cè)量主要包括框架控制網(wǎng)(control points)CP0、CPI測(cè)量，線路水準(zhǔn)高程控制測(cè)量。

3.3.2 施工階段

施工階段的精密工程測(cè)量主要利用CPI、CPII和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)加密控制網(wǎng)測(cè)量、建立并定期復(fù)測(cè)軌道控制網(wǎng)CPIII和全線二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)、加密基標(biāo)測(cè)量、線下工程結(jié)構(gòu)變形測(cè)量等。

3.3.3 竣工階段

竣工階段的精密工程測(cè)量主要包括軌道竣工測(cè)量和線下工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。

3.3.4 運(yùn)營(yíng)階段

運(yùn)營(yíng)階段的精密工程測(cè)量主要包括變形監(jiān)測(cè)及相關(guān)的復(fù)測(cè)。

軌道的平順性是制約列車行車安全和行車速度的重要因素之一，高速鐵路的最突出特點(diǎn)是軌道的高平順性[12]。因此，高速鐵路對(duì)精密工程測(cè)量技術(shù)提出了更高要求，高速鐵路各級(jí)平面控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)要求如表6所示[13]。

表6高速鐵路平面控制網(wǎng)測(cè)量參數(shù)

Tab.6Thetechnicalindexofhigh-speedrailwayhorizontalcontrolnetwork

控制網(wǎng)測(cè)量方法點(diǎn)間距相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差/mmCP0GNSS50km20CPIGNSS≤4km(一對(duì)點(diǎn))10CPIIGNSS600～800m8導(dǎo)線400～800m8CPIII自由測(cè)站、邊角交會(huì)50～70m(一對(duì)點(diǎn))1

高速鐵路高程控制測(cè)量主要是建立全線統(tǒng)一的高程控制基準(zhǔn)，分成兩級(jí)布設(shè)：

第1級(jí)線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)，為高速鐵路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工提供高程基準(zhǔn)，又可作為CPⅢ高程測(cè)量的起算基準(zhǔn)，按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求施測(cè)。

第2級(jí)是在線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，建立永久性軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)，為軌道施工、維護(hù)提供高程控制。CPⅢ的相鄰點(diǎn)間高差中誤差小于±0.5 mm。

綜上所述，高速鐵路工程精密測(cè)量可以分為勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)等3個(gè)控制網(wǎng)，原有的3個(gè)控制網(wǎng)由于施測(cè)單位不一、使用單位不一，基本上是各自獨(dú)立布設(shè)測(cè)量。隨著中國(guó)高鐵的進(jìn)一步發(fā)展，逐步提出了“三網(wǎng)合一”的概念[14]，即為構(gòu)建和保持高速鐵路軌道空間幾何形位，必須建立基于同一基準(zhǔn)的勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的精密工程測(cè)量體系，3個(gè)階段的平面、高程控制測(cè)量采用同一測(cè)量基準(zhǔn)，主要包括以下內(nèi)容：

(1) 勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一。

在高速鐵路的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的各階段均采用坐標(biāo)和高程定位控制，因此必須保證三網(wǎng)的坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一，才能使軌道的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作順利進(jìn)行。

(2) 勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

高速鐵路的勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)平面測(cè)量應(yīng)以基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPI為平面控制基準(zhǔn)，高程測(cè)量應(yīng)以二等水準(zhǔn)基點(diǎn)為控制測(cè)量基準(zhǔn)。

此外，無碴軌道在生產(chǎn)、檢測(cè)、鋪設(shè)等階段的測(cè)量也屬于高速鐵路精密工程測(cè)量的重要內(nèi)容之一。由于高速鐵路的運(yùn)行速度快，常采用無碴軌道來替代傳統(tǒng)散體道砟顆粒道床的軌道結(jié)構(gòu)形式，可以提高軌道平順性，減小運(yùn)營(yíng)期間軌道的變形。

目前，我國(guó)采用的無碴軌道板主要有CRTS I型板式無碴軌道、CRTS II型板式無碴軌道、CRTS III型板式無碴軌道等幾種形式，以CRTS I型軌道板為例，其縱向安裝限差≤±3 mm，橫向安裝限差≤±2 mm，高程定位限差≤±1 mm，相鄰?fù)剐螕跖_(tái)中心間距限差≤±3 mm，橫向≤±2 mm，高程定位限差≤±2 mm。軌道板的精調(diào)主要采用全站儀配合傾斜傳感器的方式進(jìn)行[15]，測(cè)量效率較低，近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位開展了基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等工業(yè)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行軌道板精調(diào)的研究，在測(cè)量效率和測(cè)量精度方面都取得了良好的效果[16]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，我國(guó)大型工程建設(shè)以及大科學(xué)工程極大地促進(jìn)了精密工程測(cè)量在測(cè)量技術(shù)、測(cè)量理論等方面的發(fā)展，今后，隨著我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)、海洋強(qiáng)國(guó)、共建“一帶一路”倡儀的實(shí)施，精密工程測(cè)量在以下幾個(gè)方面會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

(1) 由靜態(tài)測(cè)量發(fā)展為動(dòng)態(tài)測(cè)量。隨著測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性要求進(jìn)一步提高，隨著激光干涉測(cè)距和傳感器等新技術(shù)的發(fā)展，在50 m的測(cè)量距離上，三維點(diǎn)坐標(biāo)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度可以優(yōu)于±0.5 mm，動(dòng)態(tài)測(cè)量的采樣頻率高于500 Hz。

(2) 由三維坐標(biāo)測(cè)量發(fā)展為多自自由度測(cè)量。傳統(tǒng)的精密工程測(cè)量和工業(yè)測(cè)量以三維坐標(biāo)測(cè)量為主，隨著各類光電傳感器的發(fā)展及其在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，可以更高的精度測(cè)量得到被測(cè)物體的位置和姿態(tài)，動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量精度可以優(yōu)于±0.01°，準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)測(cè)量精度可以優(yōu)于±0.005°，最終在動(dòng)態(tài)條件下形成(X，Y，Z，RX，RY，RZ，t)的多維測(cè)量結(jié)果。

(3) 測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步提高。隨著精密激光測(cè)距技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)距精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)角精度，測(cè)角精度也有待進(jìn)一步提高，基于高精密測(cè)距技術(shù)，精密測(cè)量精度可以到達(dá)微米的量級(jí)。

(4) 精密工程測(cè)量理論會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，隨著新技術(shù)和新方法的應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)一直在不斷地發(fā)展；而以變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析預(yù)報(bào)為代表的精密工程測(cè)量數(shù)據(jù)解算模型會(huì)越來越多地采用系統(tǒng)工程、生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)等領(lǐng)域的信息處理模型，使變形監(jiān)測(cè)的分析預(yù)報(bào)進(jìn)一步朝智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

The Development of Precise Engineering Surveying Technology

LI Guangyun，F(xiàn)AN Baixing

Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China

With the construction of big science projects in China, the precise engineering surveying technology developed rapidly in the 21th century. Firstly, the paper summarized up the current development situation for the precise engineering surveying instrument and theory. Then the three typical cases of the precise engineering surveying practice such as accelerator alignment, industry measurement and high-speed railway surveying technology are focused.

precise engineering surveying; big science project; industry measurement; laser distance ranging; particle accelerator alignment

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 41274014; 41501491)

LI Guangyun (1965—), male, professor, PhD supervisor, majors in precise engineering surveying and industry measurement.

FAN Baixing

李廣云，范百興.精密工程測(cè)量技術(shù)及其發(fā)展[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1742-1751.

10.11947/j.AGCS.2017.20170313.

LI Guangyun，F(xiàn)AN Baixing.The Development of Precise Engineering Surveying Technology[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1742-1751. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170313.

P234

A

1001-1595(2017)10-1742-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274014；41501491)

2017-06-16

修回日期： 2017-09-05

李廣云(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫芄こ膛c工業(yè)測(cè)量。

E-mail： guangyun_li@163.com

范百興

E-mail： fbxhrhr@sina.com