淺淡我國工程測量的應用與技術的發展

袁　艇

【摘要】隨著傳統測繪技術向數字化測繪技術轉化，面向21世紀的我國工程測量技術的發展趨勢和方向是：測量數據采集和處理的自動化、實時化、數字化；測量數據管理的科學化、標準化、規格化；測量數據傳播與應用的網絡化、多樣化、社會化。

【關鍵詞】工程測量；測量技術應用；地面測量儀器

一、工程測量技術的發展歷史

國際測量師聯合會（FIG）1878年7月18日成立于法國巴黎。宗旨是聯合世界各國測量工作者的團體和國家機構，討論本專業共同關心的問題，1970年成為聯合國經濟與社會理事會的咨詢機構。中國于1981年在瑞士蒙特勒召開的第16屆大會上成為會員國。德國、瑞士、奧地利3個德語語系國家自50年代發起組織每3～4年舉行一次的“工程測量國際學術討論會”。過去把工程測量劃分為以下幾個專題：測量儀器和數據獲取；數據解釋、處理和應用；高層建筑和設備安裝測量；地下和深層建筑測量；環境和工程建筑物變形監測。

從以上可見，工程測量技術的研究領域既有相對的固定性，又是不斷發展變化的。筆者認為，工程測量學主要包括以工程建筑為對象的工程測量和以設備與機器安裝為對象的工業測量兩大部分。在學科上可劃分為普通工程測量和精密工程測量。工程測量學的主要任務是為各種工程建設提供測繪保障，滿足工程所提出的要求。精密工程測量代表著工程測量學的發展方向，大型特種精密工程建設是促進工程測量學科發展的動力。

二、先進的地面測量儀器在工程測量中的應用

80年代以來出現許多先進的地面測量儀器，為工程測量提供了先進的技術工具和手段，如：激光準直儀、激光掃平儀等，為工程測量向現代化、自動化、數字化方向發展創造了有利的條件，改變了傳統的工程控制網布網、地形測量、道路測量和施工測量等的作業方法。同時電子經緯儀和全站儀的應用，是地面測量技術進步的重要標志之一。電子經緯儀具有自動記錄、自動改正儀器軸系統差、自動歸化計算、角度測量自動掃描、消除度盤分劃誤差和偏心差等優點。全站儀測量可以利用電子手簿把野外測量數據自動記錄下來，通過接口設備傳輸到計算機，利用“人機交互”方式進行測量數據的自動數據處理和圖形編輯，還可以把由微機控制的跟蹤設備加到全站儀上，能對一系列目標自動測量，即所謂“測地機器人”或“電子平板”野外直接圖形編輯，為測圖和工程放樣向數字化發展開辟了道路。陀螺經緯儀是用于礦山、隧道等工程測量的另一類主要的地面測量儀器，新一代的陀螺經緯儀是由微機控制，儀器自動、連續地觀測陀螺的搖動并能補償外部的干擾，觀測時間短、精度高，如Cromad陀螺經緯儀在7min左右的觀測時間能獲取3″的精度，比傳統陀螺經緯儀精度提高近7倍，作業效率提高近10倍，標志著陀螺經緯儀向自動化方向邁進。

三、測量技術在大型特種精密工程中的應用

大型特種精密工程建設和對測繪的要求是工程測量學發展的動力。筆者在這里僅簡單介紹國內外有關情況。

1. 國內有參與的項目有北京正負電子對撞機的精密控制網，精度達±0.3 mm。設備定位精度優于±0.2 mm，200 m直線段漂移管直線精度達±0.1 mm。大亞灣核電站控制網精度達±2 mm，秦山核電站的環型安裝測量控制網精度達±0.1 mm。

2. 國外的有露天煤礦的大型挖煤機開挖量的動態測量計算系統（德國）。大型挖煤機長140 m，高65 m，自重8 000 t，其挖斗輪的直徑17.8 m，每天挖煤量可達10多萬噸。為了實時動態地得到挖煤機的采煤量，在其上安置了3臺GPS接收機，與參考站無線電實時數據傳輸和差分動態定位，挖煤機上兩點間距離的精度可達±1.5 cm。根據3臺接收機的坐標，按一定幾何模型可計算出挖煤機挖斗輪的位置及采煤層截曲面，可計算出采煤量，經對比試驗，其精度達7%～4%。這是GPS，GIS技術相結合在大型特種工程中應用的一個典型例子。高聳建筑物方面，有人設想，在21世紀將建造2000 m乃至4000 m的摩天大廈，這不僅是建筑師的夢想，也是對測量工程師的挑戰。

四、工程測量理論方法的發展

（一）測量平差理論

最小二乘法廣泛應用于測量平差。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，它是各種經典的和現代平差模型的統一模型。測量誤差理論主要表現在對模型誤差的研究上，主要包括：平差中函數模型誤差、隨機模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數估計的影響，對參數和殘差統計性質的影響；病態方程與控制網及其觀測方案設計的關系。由于變形監測網參考點穩定性檢驗的需要，導致了自由網平差和擬穩平差的出現和發展。觀測值粗差的研究促進了控制網可靠性理論，以及變形監測網變形和觀測值粗差的可區分性理論的研究和發展。

（二）工程控制網優化設計理論和方法

網的優化設計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優化設計理論構造目標函數和約束條件，解求目標函數的極大值或極小值。一般將網的質量指標作為目標函數或約束條件。網的質量指標主要有精度、可靠性和建網費用，對于變形監測網還包括網的靈敏度或可區分性。對于網的平差模型而言，按固定參數和待定參數的不同，網的優化設計又分為零類、一類、二類和三類優化設計，涉及到網的基準設計，網形、觀測值精度以及觀測方案的設計。在工程測量中，施工控制網、安裝控制網和變形監測網都需要作優化設計。

（三）變形觀測數據處理

1．變形觀測數據處理的幾種典型方法。根據變形觀測數據繪制變形過程曲線是一種最簡單而有效的數據處理方法，由過程曲線可作趨勢分析。如果將變形觀測數據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關系，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據。

2．變形的幾何分析與物理解釋。傳統的方法將變形觀測數據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、模型參數估計和模擬統計檢驗及最佳模型選取3個步驟。變形監測網的參考網、相對網在周期觀測下，參考點的穩定性檢驗和目標點和位移值計算是建立變形模型的基礎。變形模型既可根據變形體的物理力學性質和地質信息選取，也可根據點場的位移矢量和變形過程曲線選取。此外，前述的時間序列分析，灰色理論建模、卡爾曼濾波以及時間序列頻域法分析中的主頻率和振幅計算等也可看作變形的幾何分析。

3．變形分析與預報的系統論方法。用現代系統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，它具有多層次高維的灰箱或黑箱式結構，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，還表現在對初始狀態的敏感性和系統長期行為的混沌性。此外，還具有自相似性、突變性、自組織性和動態性等特征。

綜上所述：在我國工程測量技術還沒有走進先進行列，我們應大力促進及推進工程測量技術發展與方法及手段的創新，從1維、2維到3維、4維，從點信息到面信息獲取，從大型特種工程到人體測量工程等等，我們都應積極推動新技術發展應用，充分利用GPS技術、GIS技術、“3S”集成技術及地面測量先進技術設備，把傳統的手工測量向電子化、數字化、自動化方向發展；同時加強相關學科的研究，不斷拓寬工程測量服務新領域，開創工程測量發展新局面。