工程測量的方法及趨勢詮釋

李笑男

摘要：工程測量是測繪科學與技術(shù)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用，是綜合性的應(yīng)用測繪科學與技術(shù)，要求計算理論嚴密，測量方法嚴密。本文對工程測量進行了定義，按照工程建設(shè)進行的程序和工程種類進行具體闡述了工程測量在理論方法方面的發(fā)展，對幾種常用的理論和方法進行了歸納和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：工程測量平差理論工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

1工程測量的定義

在工程建設(shè)的設(shè)計、施工和管理各階段中進行測量工作的理論、方法和技術(shù)，稱為工程測量。工程測量是測繪科學與技術(shù)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用，是綜合性的應(yīng)用測繪科學與技術(shù)，它直接為工程建設(shè)服務(wù)的，它的服務(wù)和應(yīng)用范圍包括城建、地質(zhì)、鐵路、交通、房地產(chǎn)管理、水利電力、能源、航天和國防等各種工程建設(shè)部門。

1.1按照工程建設(shè)的進行程序分類按工程建設(shè)的進行程序，工程測量可分為規(guī)劃設(shè)計階段的測量，施工興建階段的測量和竣工后的運營管理階段的測量。

規(guī)劃設(shè)計階段的測量主要是提供地形資料。取得地形資料的方法是，在所建立的控制測量的基礎(chǔ)上進行地面測圖或航空攝影測量。

施工興建階段的測量的主要任務(wù)是，按照設(shè)計要求在實地準確地標定建筑物各部分的平面位置和高程，作為施工與安裝的依據(jù)。一般也要求先建立施工控制網(wǎng)，然后根據(jù)工程的要求進行各種測量工作。

竣工后的營運管理階段的測量，包括竣工測量以及為監(jiān)視工程安全狀況的變形觀測與維修養(yǎng)護等測量工作。

1.2按照工程測量所服務(wù)的工程種類分類按工程測量所服務(wù)的工程種類，也可分為建筑工程測量、線路測量、橋梁與隧道測量、礦山測量、城市測量和水利工程測量等。此外，還將用于大型設(shè)備的高精度定位和變形觀測稱為高精度工程測量;將攝影測量技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)稱為工程攝影測量;而將以電子全站儀或地面攝影儀為傳感器在電子計算機支持下的測量系統(tǒng)稱為3維工業(yè)測量。無論是工程進程各階段的測量工作，還是不同工程的測量工作，都需要根據(jù)誤差分析和測量平差理論選擇適當?shù)臏y量手段，并對測量成果進行處理和分析，也就是說，測量數(shù)據(jù)處理是工程測量的重要內(nèi)容。

2工程測量中常用的幾種方法

2.1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。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)參考點穩(wěn)定性檢驗的需要，導致了自由網(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。

2.2工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論和方法網(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)造目標函數(shù)和約束條件，解求目標函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標作為目標函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費用，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)都可用模擬法進行設(shè)計。模擬法優(yōu)化設(shè)計的軟件功能和進行優(yōu)化設(shè)計的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計資料和地圖資料在圖上選點布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點近似坐標（最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機上進行）。模擬觀測方案，根據(jù)儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等。可靠性包括每個觀測值的多余觀測分量（內(nèi)部可靠性）和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響（外部可靠性）。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數(shù)。將計算出的各質(zhì)量指標與設(shè)計要求的指標比較，使之既滿足設(shè)計要求，又不致于有太大的富余。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）等方法重新作上述設(shè)計計算，直到獲取一個較好的結(jié)果。

2.3變形觀測數(shù)據(jù)處理

2.3.1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)。

2.3.2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)估計和模擬統(tǒng)計檢驗及最佳模型選取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，參考點的穩(wěn)定性檢驗和目標點和位移值計算是建立變形模型的基礎(chǔ)。變形的物理解釋在于確定變形與引起變形的原因之間的關(guān)系，通常采用統(tǒng)計分析法和確定函數(shù)法。統(tǒng)計分析法包括多元回歸分析、灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析以及時間序列頻域法分析中的動態(tài)響應(yīng)分析等。

2.3.3變形分析與預報的系統(tǒng)論方法用現(xiàn)代系統(tǒng)論為指導進行變形分析與預報是目前研究的一個方向。變形體是一個復雜的系統(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，它還具有隨機性，這種隨機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。此外，還具有自相似性、突變性、自組織性和動態(tài)性等特征。

3工程測量學的發(fā)展展望

3.1測量機器人將作為多傳感器集成系統(tǒng)在人工智能方面得到進一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍將進一步擴大，影像、圖形和數(shù)據(jù)處理方面的能力進一步增強;

3.2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)以及土木建筑等學科相結(jié)合，解決工程建設(shè)中以及運行期間的安全監(jiān)測、災害防治和環(huán)境保護的各種問題。

3.3工程測量將從土木工程測量、3維工業(yè)測量擴展到人體科學測量，如人體各器官或部位的顯微測量和顯微圖像處理;

3.4多傳感器的混合測量系統(tǒng)將得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如GPS接收機與電子全站儀或測量機器人集成，可在大區(qū)域乃至國家范圍內(nèi)進行無控制網(wǎng)的各種測量工作。

3.5GPS、GIS技術(shù)將緊密結(jié)合工程項目，在勘測、設(shè)計、施工管理一體化方面發(fā)揮重大作用。

4結(jié)束語：工程技術(shù)的發(fā)展不斷對測量工作提出新的要求，同時，現(xiàn)代科學技術(shù)和測繪新技術(shù)的發(fā)展，給直接為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的工程測量帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)和極好的機遇。特別是全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、攝影測量與遙感（RS）以及數(shù)字化測繪和地面測量先進技術(shù)的發(fā)展，使工程測量的手段、方法和理論產(chǎn)生了深刻的變化。工程測量的領(lǐng)域在進一步擴展，而且正朝著測量數(shù)據(jù)采集和處理的自動化、實時化和數(shù)字化方向發(fā)展。

參考文獻：

楊恩順.工程測量學[M].北京：測繪出版社，2015.