工程測量學發展管理論文

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摘要：本文對工程測量學重新進行了定義，指出了該學科的地位和研究應用領域；闡述了工程測量學領域通用和專用儀器的發展；在理論方法發展方面，重點對平差理論、工程網優化設計、變形觀測數據處理方法進行了歸納和總結。扼要地敘述了大型特種精密工程測量在國內外的發展情況。結合科研和開發實踐，簡介了地面控制與施工測量工程內外業數據處理一體化自動化系統——科傻系統。最后展望了21世紀工程測量學若干發展方向。

關鍵詞：工程測量工業測量精密工程測量測量機器人工程網優化設計

一、學科地位和研究應用領域

1.學科定義

工程測量學是研究地球空間(地面、地下、水下、空中)中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現的理論方法和技術的一門應用性學科。它主要以建筑工程、機器和設備為研究服務對象。

2.學科地位

測繪科學和技術(或稱測繪學)是一門具有悠久歷史和現展的一級學科。該學科無論怎樣發展，服務領域無論怎樣拓寬，與其他學科的交叉無論怎樣增多或加強，學科無論出現怎樣的綜合和細分，學科名稱無論怎樣改變，學科的本質和特點都不會改變?？偟膩碚f，整個學科的二級學科仍應作如下劃分：

——大地測量學(包括天文、幾何、物理、衛星和海洋大地測量)；

——工程測量學(含近景攝影測量和礦山測量)；

——航空攝影測量與遙感學；

——地圖制圖學；

——不動產地籍與土地整理。

3.研究應用領域

目前國內把工程建設有關的工程測量按勘測設計、施工建設和運行管理三個階段劃分；也有按行業劃分成：線路(鐵路、公路等)工程測量、水利工程測量、橋隧工程測量、建筑工程測量、礦山測量、海洋工程測量、軍事工程測量、3維工業測量等，幾乎每一行業和工程測量都有相應的著書或教材。

由Hennecke,Mueller,Werner3個德國人所編著的工程測量學，主要按下述內容進行劃分和編寫：①測量儀器和方法；②線路、鐵路、公路建設測量；③高層建筑測量；④地下建筑測量；⑤安全監測；⑥機器和設備測量。

由于工程測量的研究應用領域非常廣泛，發展變化也很快，因此寫書十分困難。目前國內外沒有一本全面涉及工程測量學理論、技術、方法和實際應用的現代專著或教材。

國際測量師聯合會(FIG)的第六委員會稱作工程測量委員會，過去它下設4個工作組：測量方法和限差；土石方計算；變形測量；地下工程測量。此外還設了一個特別組：變形分析與解釋?，F在，下設了6個工作組和2個專題組。6個工作組是：大型科學設備的高精度測量技術與方法；線路工程測量與優化；變形測量；工程測量信息系統；激光技術在工程測量中的應用；電子科技文獻和網絡。2個專題組是：工程和工業中的特殊測量儀器；工程測量標準。

德國、瑞士、奧地利3個德語語系國家自50年起組織每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??；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。

1992年第11屆討論會的專題是：測量理論與測量方案；測量技術和測量系統；信息系統和CAD；在建筑工程和工業中的應用。

1996年的第12屆討論會的專題是：測量和數據處理系統；監測和控制；在工業和建筑工程中的質量問題；數據模型和信息系統；交叉學科的大型工程項目。

從以上可見，工程測量學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、工程測量儀器的發展

工程測量儀器可分通用儀器和專用儀器。通用儀器中常規的光學經緯儀、光學水準儀和電磁波測距儀將逐漸被電子全測儀、電子水準儀所替代。電腦型全站儀配合豐富的軟件，向全能型和智能化方向發展。帶電動馬達驅動和程序控制的全站儀結合激光、通訊及CCD技術，可實現測量的全自動化，被稱作測量機器人。測量機器人可自動尋找并精確照準目標，在1s內完成一目標點的觀測，像機器人一樣對成百上千個目標作持續和重復觀測，可廣泛用于變形監測和施工測量。GPS接收機已逐漸成為一種通用的定位儀器在工程測量中得到廣泛應用。將GPS接收機與電子全站儀或測量機器人連接在一起，稱超全站儀或超測量機器人。它將GPS的實時動態定位技術與全站儀靈活的3維極坐標測量技術完美結合，可實現無控制網的各種工程測量。

專用儀器是工程測量學儀器發展最活躍的，主要應用在精密工程測量領域。其中，包括機械式、光電式及光機電(子)結合式的儀器或測量系統。主要特點是：高精度、自動化、遙測和持續觀測。

用于建立水平的或豎直的基準線或基準面，測量目標點相對于基準線(或基準面)的偏距(垂距)，稱為基準線測量或準直測量。這方面的儀器有正、倒錘與垂線觀測儀，金屬絲引張線，各種激光準直儀、鉛直儀(向下、向上)、自準直儀，以及尼龍絲或金屬絲準直測量系統等。

在距離測量方面，包括中長距離(數十米至數公里)、短距離(數米至數十米)和微距離(毫米至數米)及其變化量的精密測量。以ME5000為代表的精密激光測距儀和TERRAMETERLDM2雙頻激光測距儀，中長距離測量精度可達亞毫米級；可喜的是，許多短距離、微距離測量都實現了測量數據采集的自動化，其中最典型的代表是銦瓦線尺測距儀DISTINVAR，應變儀DISTERMETERISETH，石英伸縮儀，各種光學應變計，位移與振動激光快速遙測儀等。采用多譜勒效應的雙頻激光干涉儀，能在數十米范圍內達到0.01μm的計量精度，成為重要的長度檢校和精密測量設備；采用CCD線列傳感器測量微距離可達到百分之幾微米的精度，它們使距離測量精度從毫米、微米級進入到納米級世界。

高程測量方面，最顯著的發展應數液體靜力水準測量系統。這種系統通過各種類型的傳感器測量容器的液面高度，可同時獲取數十乃至數百個監測點的高程，具有高精度、遙測、自動化、可移動和持續測量等特點。兩容器間的距離可達數十公里，如用于跨河與跨海峽的水準測量；通過一種壓力傳感器，允許兩容器之間的高差從過去的數厘米達到數米。

與高程測量有關的是傾斜測量(又稱撓度曲線測量)，即確定被測對象(如橋、塔)在豎直平面內相對于水平或鉛直基準線的撓度曲線。各種機械式測斜(傾)儀、電子測傾儀都向著數字顯示、自動記錄和靈活移動等方向發展，其精度達微米級。

具有多種功能的混合測量系統是工程測量專用儀器發展的顯著特點，采用多傳感器的高速鐵路軌道測量系統，用測量機器人自動跟蹤沿鐵路軌道前進的測量車，測量車上裝有棱鏡、斜傾傳感器、長度傳感器和微機，可用于測量軌道的3維坐標、軌道的寬度和傾角。液體靜力水準測量與金屬絲準直集成的混合測量系統在數百米長的基準線上可精確測量測點的高程和偏距。

綜上所述，工程測量專用儀器具有高精度(亞毫米、微米乃至納米)、快速、遙測、無接觸、可移動、連續、自動記錄、微機控制等特點，可作精密定位和準直測量，可測量傾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，還可測振動頻率以及物體的動態行為。

三、工程測量理論方法的發展

1.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。針對觀測值存在粗差的客觀實際，出現了穩健估計(或稱抗差估計)；針對法方程系數陣存在病態的可能，發展了有偏估計。與最小二乘估計相區別，穩健估計和有偏估計稱為非最小二乘估計。

巴爾達的數據探測法對觀測值中只存在一個粗差時有效，穩健估計法具有抵抗多個粗差影響的優點。建立改正數向量與觀測值真誤差向量之間的函數關系，可對多個粗差同時進行定位和定值，這種方法已在通用平差軟件包中得到算法實現和應用。

方差和協方差分量估計實質上是精化平差的隨機模型，過去一直僅停留在理論的研究上。實際中，要求對多種觀測量進行綜合處理，因此，方差分量估計已成為測量平差的必備內容了。目前，通用平差軟件包中已增加了該功能，但還需要在測量規范中明確提出來。

需要指出的是：許多測量作業單位喜歡采用附合導線進行逐級加密，主要依據目前規范中有關一、二、三級導線和圖根導線的規定。無疑附合導線具有許多優點，但由于多余觀測少，發現和抵抗粗差的能力較弱，不宜濫用。建立一個區域的控制，首級網點采用GPS測量，下面最好用一個等級的導線網作全面加密。從測量平差理論來看，全面布設的導線網具有更好的圖形強度，精密較均勻，可靠性也較高。

2.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。由于采用GPS定位技術和電磁波測距，網的幾何圖形概念與傳統的測角網有很大的區別。除特別的精密控制網可考慮用專門編寫的解析法優化設計程序作網的優化設計外，其他的網都可用模擬法進行設計。模擬法優化設計的軟件功能和進行優化設計的步驟主要是：根據設計資料和地圖資料在圖上選點布網，獲取網點近似坐標(最好將資料作數字化掃描并在微機上進行)。模擬觀測方案，根據儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網的各種質量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應包括點位精度、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的協方差陣或部分點坐標的協方差陣，協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?？煽啃园總€觀測值的多余觀測分量(內部可靠性)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。將計算出的各質量指標與設計要求的指標比較，使之既滿足設計要求，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)或局部改變網形(增加或減少網點)等方法重新作上述設計計算，直到獲取一個較好的結果。

在實踐中，總結出了下述優化設計策略：先固定觀測值的精度，對選取的網點，觀測所有可能的邊和方向，計算網的質量的指標，若質量偏低，則必須提高觀測值的精度。在某一組先驗精度下，若網的質量指標偏高了，這時可按觀測值的內部可靠性指標ri，刪減觀測值。ri太大，說明該觀測值顯得多余，應刪去；若ri很小，則該觀測值的精度不宜增加。這種根據ri大小來刪除觀測值的方法稱為從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優化策略。

從模擬法優化設計的整個過程來看，它是一種試算法，需要有一個好的軟件。該軟件除具有通用平差軟件的功能外，在成果輸出的多樣性、直觀性，在可視化以及人機交互界面設計方面都有更高要求。同時也要求設計者具有堅實的專業知識和豐富的經驗。

用模擬法可獲得一個相對較優且切實可行的方案，可進一步用模擬觀測值作網的平差計算，同時可模擬觀測值粗差并計算對結果的影響。這種方法稱為數學扭曲法或蒙特卡洛法。對于一個精度、可靠性以及靈敏度要求極高的監測網或精密控制網，作上述優化設計和精細計算是十分必要的。國內在這方面的應用報道較少。多是為了安全起見，有較大的質量富余，建網費用偏高。網優化設計費用很少，所帶來的效益較大，凡是較重要的工程控制網，都應作優化設計。

3.變形觀測數據處理

工程建筑物及與工程有關的變形的監測、分析及預報是工程測量學的重要研究內容。其中的變形分析和預報涉及到變形觀測數據處理。但變形分析和預報的范疇更廣，屬于多學科的交叉。

(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。

若僅對變形觀測數據，可采用灰色系統理論或時間序列分析理論建模，前者可針對小數據量的時間序列，對原始數列采用累加生成法變為生成數列，因此有減弱隨機性、增加規律性的作用。如果對一個變形觀測量(如位移)的時間序列，通過建立一階或二階灰微分方程提取變形的趨勢項，然后再采用時序分析中的自回歸滑動平均模型ARMA，這種組合建模的方法，可分性好且具有以下顯著優點：將非平穩相關時序轉化為獨立的平衡時序；具有同時進行平滑、濾波和推估的作用；模型參數聚集了系統輸出的特征和狀態；這種組合模型是基于輸出的等價系統的理想動態模型。

把變形體視為一個動態系統，將一組觀測值作為系統的輸出，可以用卡爾曼濾波模型來描述系統的狀態。動態系統由狀態方程和觀測方程描述，以監測點的位置、速率和加速率參數為狀態向量，可構造一個典型的運動模型。狀態方程中要加進系統的動態噪聲?？柭鼮V波的優點是勿需保留用過的觀測值序列，按照一套遞推算法，把參數估計和預報有機地結合起來。除觀測值的隨機模型外，動態噪聲向量的協方差陣估計和初始周期狀態向量及其協方差陣的確定值得注意。采用自適應卡爾曼濾波可較好地解決動態噪聲協方差的實時估計問題。卡爾曼濾波特別適合滑坡監測數據的動態處理；也可用于靜態點場、似靜態點場在周期的觀測中顯著性變化點的檢驗識別。

對于具有周期性變化的變形觀測時間序列，通過Fourier變換，可將時域內的信息轉變到頻域內分析，例如大壩的水平位移、橋梁的垂直位移都具有明顯的周期性。在某一觀測時刻的觀測值數字信號可表示為許多個不同頻率的諧波分量之和，通過計算各諧波頻率的振幅，最大振幅以及所對應的主頻率等，可揭示變形的周期變化規律。若將變形體視為動態系統，變形視為輸出，各種影響因子視為輸入，并假設系統是線性的，輸入輸出信號是平穩的，則通過頻譜分析中的相干函數、頻響函數和響應譜函數估計，可以分析輸入輸出信號之間的相干性，輸入對系統的貢獻(即影響變形的主要因素及其頻譜特性)。

(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。

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系，通常采用統計分析法和確定函數法。統計分析法包括多元回歸分析、灰色系統理論中的關聯度分析以及時間序列頻域法分析中的動態響應分析等。統計分析法以實測資料為基礎，觀測資料愈豐富、質量愈高，其結果愈可靠，且具有“后驗”性質，它與變形的幾何分析具有密切的關系，是測量工作者最熟悉和樂于采用的方法。確定函數法是根據變形體的物理力學參數，建立力(荷載)和變形之間的函數關系如位移場的微分方程，在邊界條件已知時，采用有限元法解微分方程，可得到變形體有限元結點上的變形。采用有限元法，可以計算混凝土大壩、礦山地表以及滑坡在外力(表面力和體力)作用下的位移值。這種方法不需要監測數據(監測數據僅作檢驗用)，具有“先驗”性質。只要有限元劃分得當，變形體的物理力學參數(如楊氏彈性模量，泊松比，內摩擦角、內聚力以及容重等)選取得較好，該法無疑是一種多快好省的方法，目前有許多有限元計算軟件如COSMOS/M供用。但變形體的物理力學參數的確定和所建立的微分方程都帶有一定的假設，有時用有限元法計算的值與實測值有較大的差異，這就導致了將兩種方法相結合的綜合分析法，以及根據實測值按一定理論反求變形體物理力學參數的反演分析法，通過反演解算，重新用有限元法作修正計算。相對于有限元法，條分法用于邊坡穩定性分析、計算和評價更為簡單，其中薩爾碼(SARMA)法應用最普遍，根據力學模型、幾何條件和靜力平衡方程，對平衡條件作迭代計算，可定量的得到邊坡穩定性評價指標——穩定安全系統。一般要求對條分法和有限元法同時使用。上述方法對大多數測量工作者來說較為陌生，用確定函數法進行地變形的物理解釋和預測屬于學科交叉領域，需要與地質和工程結構方面的人員合作。

(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。

按系統論方法，對變形體系統一般采用輸入—輸出模型和動力學方程兩種建模方法進行研究，前者系針對黑箱或灰箱系統建模，前述的時序分析、卡爾曼濾波、灰色系統建模、神經網絡模型乃至多元回歸分析法都可以視為輸入—輸出建模法。采用動力學方程建模與變形物理解釋中的確定函數法相似，系根據系統運動的物理規律建立確定的微分方程來描述系統的運動演化。但對動力學方程不是通過有限元法求解，而是在對系統受力和變形認識的基礎上，用低階的簡化的在數學上可解和可分析的模型來模擬變形過程，模型解算的結果基本符合客觀事實。例如用彈簧滑塊模型模擬地震過程的混沌狀態和高邊坡的粘滑過程，用單滑塊模型模擬大壩的變形過程，用尖點突變模型解釋大壩失穩的機理。對動力學方程的解的研究是系統論分析方法的核心，為此引入了許多與動力系統有關的基本概念，這些概念與變形分析和預報密切相關，它們是：狀態空間或相空間(稱解空間)、相軌線、吸引子、相體積、李亞普諾夫指數和柯爾莫哥洛夫熵等。例如相軌線代表相點運動的跡線，每一個相點代表狀態向量(變形、速率或影響因子)在某一時刻的解；吸引子代表系統的一種穩定的運動狀態，它可以是一個穩定的相點位，環或環面，也可以是相空間的一個有限區域，對于局部不穩定的非線性系統，將出現分數維的奇怪吸引子，表示系統將出現混沌狀態。李亞普諾夫指數描述系統對于初始條件的敏感特征，根據其符號可以判斷吸引子的類型以及軌線是發散的還是吸引(收斂)的。柯爾莫哥洛夫熵則是系統不確定性的量度，由它可導出系統變形平均可預報的時間尺度。對變形觀測的時間序列(如位移量)進行相空間重構，并按一定的算法計算吸引子的關聯維數，柯爾莫哥洛夫熵和李亞普諾夫指數等，可在整體上定性地認識變形的規律。另外，也可根據監測資料，反演變形體系統的非線性動力學方程。

系統論方法還涉及變形體運動穩定性研究，這種穩定性在數學上可轉化為微分方程穩定性的研究，主要采用李亞普諾夫提出的判別方法。

系統論方法涉及到許多非線性科學學科的知識，如系統論、控制論、信息論、突變論、協同論、分形、混沌理論、耗散結構等。上述理論遠不是工程測量工作者所能掌握的，將系統論方法與變形分析與預報相結合的研究只是初步的，希望有更多的青年學者加入到這一研究領域來。

四、大型特種精密工程測量

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。這里僅簡單介紹國內外有關情況。

1.國內覽勝

三峽水利樞紐工程變形監測和庫區地殼形變、滑坡、巖崩以及水庫誘發地震監測，其規模之大，監測項目之多，都堪稱世界之最。不僅采用目前國內外最成熟最先進的儀器、技術，在實踐中也在不斷發展新的技術和方法，如對滑坡體變形與失穩研究的計算機智能仿真系統；擬進行研究的三峽庫區滑坡泥石流預報的3S工程等，都涉及到精密工程測量。隔河巖大壩外部變形觀測的GPS實時持續自動監測系統，監測點的位置精度達到了亞毫米。該工程用地面方法建立的變形監測網，其最弱點精度優于±1.5mm。

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

上海楊浦大橋控制網的最弱點精度達±0.2mm，橋墩點位標定精度達±0.1mm；武漢長江二橋全橋的貫通精度(跨距和墩中心偏差)達毫米級。高454m的東方明珠電視塔對于長114m、重300t的鋼桅桿天線，安裝的垂準誤差僅±9mm。

長18.4km的秦嶺隧道，洞外GPS網的平均點位精度優于±3mm，一等精密水準線路長120多公里。目前輔助隧道已貫通，僅一個貫通面的情況下，橫向貫通誤差為12mm，高程方向的貫通誤差只有3mm。

2.國外簡述

國外的大型特種精密工程更不勝枚舉。以大型粒子加速器為例，德國漢堡的粒子加速器研究中心，堪稱特種精密工程測量的歷史博物館。1959年建的同步加速器，直徑僅100m，1978年的正負電子儲存環，直徑743m，1990年的電子質子儲存環，直徑2000m。為了減少能量損失，改用直線加速器代替環形加速器，正在建的直線加速器長達30km，100～300m的磁件相鄰精度要求優于±0.1mm,磁件的精密定位精度僅幾個微米，并能以納米級的精度確定直線度。整個測量過程都是無接觸自動化的。用精密激光測距儀TC2002K距離測量，其測距精度與ME5000相當，對平均邊長為50m的3800條邊，改正數小于0.1mm的占95%。美國的超導超級對撞機，其直徑達27km，為保證橢圓軌道上的投影變形最小且位于一平面上，利用了一種雙重正形投影。所作的各種精密測量，均考慮了重力和潮汐的影響。主網和加密網采用GPS測量，精度優于1×10-6D。

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140m，高65m,自重8000t，其挖斗輪的直徑17.8m，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±1.5cm。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。

核電站冷卻塔的施工測量系統。南非某一核電站的冷卻塔高165m，直徑163m。在整個施工過程中，要求每一高程面上塔壁中心線與設計的限差小于±50mm，在塔高方向上每10m的相鄰精度優于10mm。由于在建造過程中發現地基地質構造不良，出現不均勻沉陷，使塔身產生變形。為此，要根據精密測量資料擬合出實際的塔壁中心線作為修改設計的依據。采用測量機器人用極坐標法作3維測量，對每一施工層，沿塔外壁設置了1600多個目標點，在夜間可完成全部測量工作。對大量的測量資料通過恰當的數據處理模型使精度提高了一至數倍，所達到的相鄰精度遠遠超過了設計要求。精密測量不僅是施工的質量保證，也為整治工程病害提供了可靠的資料，同時也能對整治效果作出精確評價。

瑞士阿爾卑斯山的特長雙線鐵路隧道哥特哈德長達57km，為該工程特地重新作了國家大地測量(LV95)，采用GPS技術施測的控制網，平面精度達±7mm，高程精度約±2cm。以厘米級的精度確定出了整個地區的大地水準面。為加快進度和避開不良地質段，中間設了3個豎井，共4個貫通面，橫向貫通誤差允許值為69～92mm(較只設一個貫通面可縮短工期11年)。整個隧道的工程投資預計約15億瑞士法朗，計劃于2004年全線貫通。

高聳建筑物方面，有人設想，在21世紀將建造2000m乃至4000m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。

五、科技研究開發實踐

將科研成果轉化為生產力是科研的最終目的，作為一門應用性學科，這種轉化尤為重要。它主要表現在軟硬件的開發研制上。

基于掌上電腦的地面控制與施工測量工程內外業數據處理一體化自動化系統(簡稱科傻系統)是我們近年來所作的一項科技研究開發實踐。科傻系統是對電子全站儀實現在線控制數據采集。掌上電腦上可固化兩個軟件包，一個用于地面控制測量數據采集、檢查、預處理、概算以及網平差等(稱科傻一)；一個用于工程放樣、道路測量以及碎部點數據采集(稱科傻三)。另外，在微機上研制了一個“現代測量控制網數據處理通用軟件包”(稱科傻二)。上述3個軟件包既可獨立使用，又有密切的聯系(特別是科傻一與科傻二之間)。科傻一可用于任意2、3維工程控制網，國家及城市等級網，一、二、三級導線網以及圖根加密網的在線或離線數據采集到網平差，實現了內外業數據處理的一體化。同時也可作一、二、三、四等和等外水準測量從數據采集到網平差的數據處理。科傻二除具有任意網形、任意規模的地面平面、高程控制網的平差功能外，還包含近似坐標計算，稀疏矩陣壓縮存貯，網點優化排序，閉合差自動計算，概算，粗差定值計算和改正，方差分量估計，貫通誤差影響值估算，工程控制網模擬法優化設計，控制網數據管理，網圖顯繪，成果報表輸出，以及與掌上電腦、全站儀的數據通訊等功能。

科傻系統集成了測量學、控制測量學、工程測量學、測量平差等課程的有關專業知識和長期科研成果，可廣泛應用于生產、教學及科技開發活動。

基于科傻系統的主要功能，在索佳Powerset2000電腦型全站儀上，已成功地開發了全中文版軟件包，這種全站儀通過軟件開發，功能得到大大增強，故稱為全能型全站儀。結合專業測量特點，我們在科傻系統的基礎上還研制開發了“鐵路施工測量數據自動化處理系統”。該軟件包也通過了鐵道部的鑒定，將在整個鐵路系統的測量單位推廣應用。對于城市工程測量、地籍測量、水利工程測量等各種測量，只要對科傻系統稍加修改，都可以滿足測量工程數據采集和處理的一體化自動化要求。同時，可將科傻系統移植應用到不同型號的電腦型全站儀上和商品化掌上電腦上，進一步擴大用戶。如果移植到測量機器人上，并進一步開發各種智能化應用程序，可應用到滑坡監測、施工測量中以及工業測量。若再開發與GPS網平差和實時動態定位軟件的集成軟件包，并研制開發相應的軟件，可望大大改變目前工程測量領域的面貌。

通過科技研究開發實踐，我們深刻體會到科技是第一生產力的科學論斷，感受到了為社會作貢獻的人生價值的樂趣?？萍奸_發和成果轉化必須有具備以下特點：是真正的轉化而不是抄襲，必須有自己的研究成果；有一定特色；既要有通用性也要專業化；易于擴展和維護，要不斷完善并推陳出新；要有市場觀念、競爭意識和為用戶服務的態度。

六、工程測量學的發展展望

展望21世紀，工程測量學在以下方面將得到顯著發展：

1.測量機器人將作為多傳感器集成系統在人工智能方面得到進一步發展，其應用范圍將進一步擴大，影像、圖形和數據處理方面的能力進一步增強；

2.在變形觀測數據處理和大型工程建設中，將發展基于知識的信息系統，并進一步與大地測量、地球物理、工程與水文地質以及土木建筑等學科相結合，解決工程建設中以及運行期間的安全監測、災害防治和環境保護的各種問題。

3.工程測量將從土木工程測量、3維工業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；

4.多傳感器的混合測量系統將得到迅速發展和廣泛應用，如GPS接收機與電子全站儀或測量機器人集成，可在大區域乃至國家范圍內進行無控制網的各種測量工作。

5.GPS、GIS技術將緊密結合工程項目，在勘測、設計、施工管理一體化方面發揮重大作用。

6.大型和復雜結構建筑、設備的3維測量、幾何重構以及質量控制將是工程測量學發展的一個特點。

7.數據處理中數學物理模型的建立、分析和辨識將成為工程測量學專業教育的重要內容。

綜上所述，工程測量學的發展，主要表現在從1維、2維到3維、4維，從點信息到面信息獲取，從靜態到動態，從后處理到實時處理，從人眼觀測操作到機器人自動尋標觀測，從大型特種工程到人體測量工程，從高空到地面、地下以及水下，從人工量測到無接觸遙測，從周期觀測到持續測量。測量精度從毫米級到微米乃至納米級。工程測量學的上述發展將直接對改善人們的生活環境，提高人們的生活質量起重要作用。

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