维普资讯 http://www.cqvip.com 第３１卷第３期 ２００８卑６月 测绘与空间地理信息 ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬ ｌＮＦＯＲＭＡＴｌＯＮ ＴＥＣＨＮＯＥＤＧＹ Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２００８ 浅谈工程测量学的发展 邢建立 ，刘子健 （１．锦州市规划设计研究院，辽宁锦州１２１０００；２．辽宁省第一测绘院，辽宁锦州１２１０００） 摘要：对工程测量学的地位和应用领域，通用和专用仪器的发展，在理论和实践上进行了归纳和总结。简要地 叙述了工程测量在国内外的发展情况及其发展趋势。 关键词：测绘科学；误差；评差；基准面 中图分类号：Ｐ２５８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５８６７（２００８）０３—０１７５—０３ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ＸＩＮＧ Ｊｉａｎ—ｌｉ ，ＬＩＵ Ｚｉ—ｊｉａｎ （１．Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｂｏｔｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｕｎｔｉｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ；ｅｒｒｏｒ；ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；ｄａｔｕｍ ｐｌａｎｅ ０ 引 言 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 工程测量学是研究地球空间（地面、地下、水下、空 发展方向，大型特种精密工程建设是促进工程测量学科 中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设 发展的动力。 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。 １ 工程测量仪器及方法的发展 其应用领域非常广泛，目前国内把工程建设有关的 工程测量仪器可分通用仪器和专用仪器。通用仪器 工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段划 中常规的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪将逐 分，也有按行业划分成：线路（铁路、公路等）工程测量、水 渐被电子全站仪、电子水准仪所替代。电脑型全站仪配 利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海 合丰富的软件，向全能型和智能化方向发展。测量机器 洋工程测量、军事工程测量、３维工业测量等，几乎每一行 人可自动寻找并精确照准目标，在１ Ｓ内完成一目标点的 业和工程测量都有相应的著书或教材。外国也有按内容 观测，像机器ＧＰＳ接收机已逐渐成为一种通用的定位仪 划分为：测量仪器和方法；线路、铁路、公路建设测量；高层 器，在工程测量中得到广泛应用。将ＧＰＳ接收机与电子 建筑测量；地下建筑测量；安全监测；机器和设备测量。由 全站仪或测量机器人连接在一起，称超全站仪或超测量 于工程测量的应用领域非常广泛，发展变化也很快。目 机器人。它将ＧＰＳ的实时动态定位技术与全站仪灵活的 前国内外没有一本全面涉及工程测量学理论、技术、方法 ３维极坐标测量技术完美结合，可实现无控制网的各种工 和实际应用的现代专著或教材。 程测量。 从国际上工程测量学的发展来看．工程测量学的研 专用仪器是工程测量学仪器中发展最活跃的。主要 究领域既有相对的固定性，又是不断发展变化的。笔者 应用在精密工程测量领域。其中，包括机械式、光电式及 认为。工程测量学主要包括以工程建筑为对象的工程测 光机电（子）结合式的仪器或测量系统。主要特点是：高 量和以设备与机器安装为对象的工业测量两大部分。在 精度、自动化、遥测和持续观测。 学科上可划分为普通工程测量和精密工程测量。工程测 用于建立水平的或竖直的基准线或基准面。测量目 收稿日期：２００８—０４—１８ 作者简介：邢建立（１９６４一）女，辽宁绥中人，工程师，主要从事工程测量方面的工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com １７６ 测绘与空间地理信息 ２００８年 标点相对于基准线（或基准面）的偏距（垂距），称为基 准线测量或准直测量。这方面的仪器有正、倒锤与垂线 观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪（向 下、向上）、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系 统等。 在距离测量方面，包括中长距离（数十米至数千米）、 短距离（数米至数十米）和微距离（数毫米至数米）及其变 化量的精密测量。 高程测量方面，最显著的发展应数液体静力水准测 量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液 面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有 高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器 间的距离可达数十千米，可用于跨河与跨海峡的水准测 量；通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去 的数厘米达到数米。 与高程测量有关的是倾斜测量（又称挠度曲线测 量），即确定被测对象（如桥、塔）在竖直平面内相对于水 平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜（倾）仪、 电子测倾仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方 向发展，其精度达微米级。 具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器 发展的显著特点，采用多传感器的高速铁路轨道测量系 统，用测量机器人自动跟踪沿铁路轨道前进的测量车，测 量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用 于测量轨道的３维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水 准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在数百米长的 基准线上可精确测量测点的高程和偏距。 综上所述，工程测量专用仪器具有高精度（亚毫米、 微米乃至纳米）、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动 记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测 量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率 以及物体的动态行为，随着仪器的不断发展，测量方法也 随之更先进。 ２工程测量理论的发展 ２．１ 平差理论 方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模 型，过去一直停留在理论研究上。实际中，要求对多种观 测量进行综合处理，因此，方差分量估计已成为测量平差 的必备内容。目前，通用平差软件包中已增加了该功能， 但还需要在测量规范中明确提出来。 ，在工程实践中大多采用附合导线进行逐级加密，主 要依据目前规范中有关一、二、三级导线和图根导线的规 定。无疑附合导线具有许多优点，但由于多余观测少，发 现和抵抗粗差的能力较弱，应当慎用。建立对一个区域 的控制，首级网点采用ＧＰＳ测量，下面最好用同一个等级 的导线网作全面加密。从测量平差理论来看，全面布设 的导线网具有更好的图形强度，精密较均匀，可靠性也较 高。 ２．２工程控制网优化设计理论和方法 网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法 是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目 标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指标作为目 标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性 和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度和可区 分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待定参数 的不同进行构建。在工程测量中，施工控制网、安装控制 网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用ＧＰＳ定位 技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网 有很大的区别。除特别的精密控制网可考虑用专门编写 的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都 可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进 行优化设计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在 图上选点布网，获取网点近似坐标（最好将资料作数字化 扫描并在微机上进行）。模拟观测方案，根据仪器确定观 测值精度，可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指 标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点 位精度、任意两点问的相对精度、最弱点和最弱边精度、 边长和方位角精度。 在实践中，总结出了下述优化设计策略：先固定观测 值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计 算网的质量指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精 度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时 可按观测值的内部可靠性指标ｒｉ，删减观测值。ｒｉ太大， 说明该观测值显得多余，应删去；若ｒｉ很小，则该观测值 的精度不宜增加。这种根据ｒｉ大小来删除观测值的方法 称为从“密”到“疏”，从“肥”到“瘦”的优化策略。 用模拟法可获得一个相对较优且切实可行的方案， 可进一步用模拟观测值作网的平差计算，同时可模拟观 测值粗差并计算其对结果的影响。这种方法称为数学扭 曲法或蒙特卡洛法。对于一个精度、可靠性以及灵敏度 要求极高的监测网或精密控制网，作上述优化设计和精 细计算是十分必要的。网优化设计费用很少，所带来的 效益较大，凡是较重要的工程控制网，都应作优化设计。 ３变形观测数据处理和测量仪器的检校 ３．１ 变形观测数据处理 变形监测的自动化是目前变形监测手段研究的重要 课题。一个变形监测系统应该是一个测量传感器和“非 测量”传感器组成的联合自动化系统。就目前的监测手 段而言，极大部分是以ＧＰＳ、马达驱动的全站仪和数字水 准仪为主体。这是因为这几种方法设站灵活、成本低、易 自动化，且在大部分情况下都能满足变形测量的要求。 同时，为弥补其不足，流体静力水准、倾斜测量仪、温度传 感器、风力传感器、光纤位移传感器、交通流量测量传感 器、振动测量传感器等的应用也越来越广泛，以满足具体 工程的特殊要求和便于全面地变形分析。变形监测的对 象主要集中在常规的土木工程，如道路、桥梁、隧道、铁路、 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 邢建立等：浅谈工程测量学的发展 １７７ 水坝、厂房设备、电视塔等高大建筑物和滑坡、岩崩、雪崩 等。由于各种传感器的大量使用，我们不仅可以连续地 测量变形本身，而且尽可能地连续测量了包括温度、水 位、气压、荷载、风力、降雨、湿度等变形体周围的多种环境 数据。因此，变形监测的数据处理主要集中在对连续时 间序列的处理、对多传感器数据的联合处理、变形可视化 表达和建立变形动态模型等几个方面。通过数据处理后 的分析能对变形作出合理的解释，对工程建筑物的现状 ５工程测量学的发展展望 随着科学技术的不断进步，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，其应用范围将进一步扩大，影像、 图形和数据处理方面的能力进一步增强； ２）在变形观测数据处理和大型工程建设中，将发展 给出正确的评价，对其发展趋势给出正确的预报。 ３．２测量仪器的检校 随着各种高精度的数字化仪器（传感器）的出现，如 何选择更高精度的设备和方法对它们进行有效的检验， 也是工程测量技术发展的一个重点。如数字水准仪、电 子经纬仪、流体静力水准系统、３维激光扫描仪、倾斜测量 仪等到底能达到怎样的精度，如何检测其精度，它们在实 际运行中的姿态对测量结果产生多大的影响，外界的环 境因素的变化影响有多大等，大有学问可做。而且检测 结果不仅是仪器使用者所关心的问题，也是仪器制造商 关心的问题，也属于工程测量需要研究和解决的问题。 ４大型特种精密工程测量 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。 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。不仅采用了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±１．５ ｍｍ。 北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达±０．３ ｍｍ。 设备定位精度优于±０．２ ｍｍ，２００ ｍ直线段漂移管直线精 度达±０．１ ｍｍ。大亚湾核电站控制网精度达±２ ｍｍ，秦 山核电站的环型安装测量控制网精度达±０．１ ｍｍ。上海 杨浦大桥控制网的最弱点精度达±０．２ ｍｍ，桥墩点位标 定精度达±０．１ ｍｍ；武汉长江二桥全桥的贯通精度（跨距 和墩中心偏差）达毫米级。高４５４ ｍ的东方明珠电视塔 对于长１１４ ｍ、重３００ ｔ的钢桅杆天线，安装的垂准误差仅 ±９ ｍｍ。长１８．４ ｋｍ的秦岭隧道，洞外ＧＰＳ网的平均点 位精度优于±３ ｍｍ，一等精密水准线路长１２０ ｋｍ。目前 辅助隧道已贯通，仅一个贯通面的情况下，横向贯通误差 为１２ ｍｍ，高程方向的贯通误差只有３ ｍｍ。 基于知识的信息系统，并进一步与大地测量、地球物理、 工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合，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，如人体各器官或部位的显微测量和显微 图像处理； ４）多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛 应用，如ＧＰＳ接收机与电子全站仪或测量机器人集成，可 在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工 作； 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。 ６结束语 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。工程测量学的上 述发展将会对人类的社会实践做出更大贡献。 参考文献： ［１］刘肇光，宗封义．测量学（第二版）［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，１９９８． ［２］邓跃进，张正禄．大坝变形频谱分析方法［Ｊ］．测绘信息 与工程，１９９７，（４）：７—１０． ［３］ 章传银，张正禄．变形体的稳定性及定量分析方法初探 ［Ｊ］．测绘学报，１９９７，（４）：３１５—３２１． ［４］ 张正禄．工程测量学的发展现状和趋势［Ｊ］．武汉测绘科 技大学学报，１９９９，（增刊）：１２—１４． ［编辑：李旭辉］
