浅议对工程测量学研究与应用的几点见解

　　摘要:工程测量学的发展将直接对改善人们的生活环境,提高人们的生活质量起重要作用。
　　关键词:工程测量学;精密测量;科傻系统;发展趋势
　　1工程测量学的概念与研究领域
　　工程测量学是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。
　　工程测量学的研究领域有相对的固定性,但又是不断发展变化的。工程测量学主要包括以工程建筑为对象的工程测量和以设备与机器安装为对象的工业测量两大部分。在学科上可分为普通工程测量和精密工程测量。工程测量学的主要任务是为各种工程建设提供测绘保障,满足工程所提出的要求。精密工程测量代表着工程测量学的发展方向,大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力。目前国内把工程建设有关的工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理3个阶段分;也有按行业分,几乎每个行业和工程测量都有相应的著书和教材。
　　2精密工程测量的研究应用情况
　　精密工程测量技术包括精密地直线定线、测量角度(或方向)、测量距离、测量高差以及设置稳定的精密测量标志。从测量方案设计、实地施测到成果处理和利用的各个阶段中都要利用误差理论进行分析。
　　211定线
　　通常用精密经纬仪进行,以其望远镜的视准面为基础,从而测定目标点的横向偏离值。要求高精确度时可用专用的准直望远镜。张紧的弦线也可用作基准线,并用读数显微镜测量设备部件距离基准线的垂距。激光束也可作为基准线,有时使激光束经菲涅耳波带板干涉形成光点或亮十字丝像,配合光电接收靶进行准直测量。
　　212测角
　　角度(或方向)用经纬仪测量。观测时要用适当的方法减少或避免望远镜调焦误差及其他仪器误差的影响,要选择或创造良好的观测条件以削弱外界因素的不良影响,要尽量减少仪器和目标偏心差的影响,必要时可在观测成果上加入仪器竖轴倾斜改正数及测微器读数的行差改正数。
　　213测距
　　较短距离的精密测量,主要用因瓦合金制成的线尺或带尺,配备特制的对中设备和读数显微镜进行。丈量时尺子的拉力要保持恒定,可采用空气轴承的滑轮或刀口支承,要提高读数的精度,可应用读数显示镜或专门的精密机械测微装置,使读数误差减少至微米级。用激光干涉的方法测量距离,其误差和波长为同一数量级。双频激光干涉测长仪,可以测量长至50m左右的距离,其反光镜要沿导轨移动,并可用以精确测定其他尺子的长度。
　　214测高
　　测量高差通常用精密水准仪进行。当视线短至5～10m时,测量高差的精度可以达到0105mm左右。用带有机械测微装置的精密水准器安装设备时,测量相距不到115m的两点高差精度,可以达到0101mm左右。用精密的液体静力水准仪测量高差的精度会更高。
　　215标志
　　精密工程测量要在相应的标志上进行。平面标志应能使测量仪器在标志上面精确就位。为此常采用某种强制对中装置。例如球与圆柱孔配合的对中装置,可使仪器在标志上的对中误差小于011mm,精密研磨的轴与轴套匹配的装置,可使对中误差小于0101mm。在精密工程测量工作中,要求标志与设备或设备基础精确地、牢固地连接。一项工程要有若干个绝对位置非常稳定的平面和高程基准点,最好用基岩标志作为基准点;在软土地区可用深埋钢管标志作为高程基准点,用倒锤作为平面基准点。倒锤的标志锚固在地表下几十米深处,标志上系一根柔性丝,用浮力把它向上拉紧。丝上任何一点的平面坐标与地下标志的平面坐标完全一致。
　　在较大的施工场地上,通常先设置一系列精密控制点作为放样的依据,以使繁多的部件精确安装在设计位置上。高程控制一般采用水准网。平面控制网可以是测角网、边角网、测边网等。也可以布设三维网,同时测定各点的平面坐标和高程。控制网的形状常受工程形状所制约,例如线形工地上宜布设直伸形网,环形工地上宜布设环形网。精密工程控制网常有较多的多余观测,提供可靠的校核并提高测定待定点坐标和高程的精度
　　3大型特种精密工程测绘实例
　　大型特种精密工程建设和对测绘的要求是工程测量学发展的动力,国内外有许多应用实例。
　　国内的大型特种精密工程为数众多。三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测,其规模之大,监测项目之多,都堪称世界之最。不仅采用目前国内外最成熟最先进的仪器、技术,在实践中也在不断发展新的技术和方法,如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统;拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等,都涉及到精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统,监测点的位置精度达到了亚毫米。该工程用地面方法建立的变形监测网,其最弱点精度优于±115mm。
　　国外的大型特种精密工程更不胜枚举。以大型粒子加速器为例,德国汉堡的粒子加速器研究中心,堪称特种精密工程测量的历史博物馆。1959年建的同步加速器,直径仅100m,1978年的正负电子储存环,直径743m,1990年的电子质子储存环,直径2000m。为了减少能量损失,改用直线加速器代替环形加速器,正在建的直线加速器长达30km,100～300m的磁件相邻精度要求优于±011mm,磁件的精密定位精度仅几个μm,并能以纳米级的精度确定直线度。整个测量过程都是无接触自动化的。用精密激光测距仪TC2002K距离测量,其测距精度与ME5000相当,对平均边长为50m的3800条边,改正数小于011mm的占95%。美国的超导超级对撞机,其直径达27km,为保证椭圆轨道上的投影变形最小且位于一平面上,利用了一种双重正形投影。所作的各种精密测量,均考虑了重力和潮汐的影响。主网和加密网采用GPS测量,精度优于1×10-6D。
　　4科傻系统概述
　　科傻系统,是指基于掌上电脑的地面控制与施工测量工程内外业数据处理一体化自动化系统,它是我们近年来所作的一项科技研究开发实践。科傻系统是对电子全站仪实现在线控制数据采集。掌上电脑上可固化两个软件包,一个用于地面控制测量数据采集、检查、预处理、概算以及网平差等(称科傻一);一个用于工程放样、道路测量以及碎部点数据采集(称科傻三)。另外,在微机上研制了一个“现代测量控制网数据处理通用软件包”(称科傻二)。上述3个软件包既可独立使用,又有密切的联系(特别是科傻一与科傻二之间)。科傻一可用于任意2、3维工程控制网,国家及城市等级网,一、二、三级导线网以及图根加密网的在线或离线数据采集到网平差,实现了内外业数据处理的一体化。同时也可作一、二、三、四等和等外水准测量从数据采集到网平差的数据处理。科傻二除具有任意网形、任意规模的地面平面、高程控制网的平差功能外,还包含近似坐标计算,稀疏矩阵压缩存贮,网点优化排序,闭合差自动计算,概算,粗差定值计算和改正,方差分量估计,贯通误差影响值估算,工程控制网模拟法优化设计,控制网数据管理,网图显绘,成果报表输出,以及与掌上电脑、全站仪的数据通讯等功能。科傻系统集成了测量学、控制测量学、工程测量学、测量平差等课程的有关专业知识和长期科研成果,可广泛应用于生产、教学及科技开发活动。
　　基于科傻系统的主要功能,在索佳Powerset2000电脑型全站仪上,已成功地开发了全中文版软件包,这种全站仪通过软件开发,功能得到大大增强,故称为全能型全站仪。结合专业测量特点,我们在科傻系统的基础上还研制开发了“铁路施工测量数据自动化处理系统”。该软件包也通过了铁道部的鉴定,在整个铁路系统的测量单位推广应用。对于城市工程测量、地籍测量、水利工程测量等各种测量,只要对科傻系统稍加修改,都可以满足测量工程数据采集和处理的一体化自动化要求。同时,可将科傻系统移植应用到不同型号的电脑型全站仪上和商品化掌上电脑上,进一步扩大用户。如果移植到测量机器人上,并进一步开发各种智能化应用程序,可应用到滑坡监测、施工测量中以及工业测量。若再开发与GPS网平差和实时动态定位软件的集成软件包,并研制开发相应的软件,可望大大改变目前工程测量领域的面貌。
　　5工程测量学的发展趋向
　　展望21世纪,工程测量学在以下方面将得到显著发展:
　　1)测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展。
　　2)在变形观测数据处理和大型工程建设中,将发展基于知识的信息系统,解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题。
　　3)工程测量将从土木工程测量、3维工业测量扩展到人体科学测量。
　　4)多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用。
　　5)GPS、GIS技术将紧密结合工程项目,在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。
　　6)大型和复杂结构建筑、设备的3维测量、几何重构以及质量控制将是工程测量学发展的一个特点。
　　7)数据处理中数学物理模型的建立、分析和辨识将成为工程测量学专业教育的重要内容。
　　综上所述,介绍了工程测量学的概念和国内外研究应用情况,并展望21世纪工程测量学的发展。工程测量学的发展,主要表现在从1维、2维到3维、4维,从点信息到面信息获取,从静态到动态,从后处理到实时处理,从人眼观测操作到机器人自动寻标观测,从大型特种工程到人体测量工程,从高空到地面、地下以及水下,从人工量测到无接触遥测,从周期观测到持续测量。测量精度从毫米级到微米乃至纳米级。