摘要:工程測量學的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。
　　關鍵詞:工程測量學;精密測量;科傻系統;發展趨勢
　　1工程測量學的概念與研究領域
　　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。
　　工程測量學的研究領域有相對的固定性,但又是不斷發展變化的。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。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3個階段分;也有按行業分,幾乎每個行業和工程測量都有相應的著書和教材。
　　2精密工程測量的研究應用情況
　　精密工程測量技術包括精密地直線定線、測量角度(或方向)、測量距離、測量高差以及設置穩定的精密測量標志。從測量方案設計、實地施測到成果處理和利用的各個階段中都要利用誤差理論進行分析。
　　211定線
　　通常用精密經緯儀進行,以其望遠鏡的視準面為基礎,從而測定目標點的橫向偏離值。要求高精確度時可用專用的準直望遠鏡。張緊的弦線也可用作基準線,并用讀數顯微鏡測量設備部件距離基準線的垂距。激光束也可作為基準線,有時使激光束經菲涅耳波帶板干涉形成光點或亮十字絲像,配合光電接收靶進行準直測量。
　　212測角
　　角度(或方向)用經緯儀測量。觀測時要用適當的方法減少或避免望遠鏡調焦誤差及其他儀器誤差的影響,要選擇或創造良好的觀測條件以削弱外界因素的不良影響,要盡量減少儀器和目標偏心差的影響,必要時可在觀測成果上加入儀器豎軸傾斜改正數及測微器讀數的行差改正數。
　　213測距
　　較短距離的精密測量,主要用因瓦合金制成的線尺或帶尺,配備特制的對中設備和讀數顯微鏡進行。丈量時尺子的拉力要保持恒定,可采用空氣軸承的滑輪或刀口支承,要提高讀數的精度,可應用讀數顯示鏡或專門的精密機械測微裝置,使讀數誤差減少至微米級。用激光干涉的方法測量距離,其誤差和波長為同一數量級。雙頻激光干涉測長儀,可以測量長至50m左右的距離,其反光鏡要沿導軌移動,并可用以精確測定其他尺子的長度。
　　214測高
　　測量高差通常用精密水準儀進行。當視線短至5～10m時,測量高差的精度可以達到0105mm左右。用帶有機械測微裝置的精密水準器安裝設備時,測量相距不到115m的兩點高差精度,可以達到0101mm左右。用精密的液體靜力水準儀測量高差的精度會更高。
　　215標志
　　精密工程測量要在相應的標志上進行。平面標志應能使測量儀器在標志上面精確就位。為此常采用某種強制對中裝置。例如球與圓柱孔配合的對中裝置,可使儀器在標志上的對中誤差小于011mm,精密研磨的軸與軸套匹配的裝置,可使對中誤差小于0101mm。在精密工程測量工作中,要求標志與設備或設備基礎精確地、牢固地連接。一項工程要有若干個絕對位置非常穩定的平面和高程基準點,最好用基巖標志作為基準點;在軟土地區可用深埋鋼管標志作為高程基準點,用倒錘作為平面基準點。倒錘的標志錨固在地表下幾十米深處,標志上系一根柔性絲,用浮力把它向上拉緊。絲上任何一點的平面坐標與地下標志的平面坐標完全一致。
　　在較大的施工場地上,通常先設置一系列精密控制點作為放樣的依據,以使繁多的部件精確安裝在設計位置上。高程控制一般采用水準網。平面控制網可以是測角網、邊角網、測邊網等。也可以布設三維網,同時測定各點的平面坐標和高程。控制網的形狀常受工程形狀所制約,例如線形工地上宜布設直伸形網,環形工地上宜布設環形網。精密工程控制網常有較多的多余觀測,提供可靠的校核并提高測定待定點坐標和高程的精度
　　3大型特種精密工程測繪實例
　　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,國內外有許多應用實例。
　　國內的大型特種精密工程為數眾多。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±115mm。
　　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±011mm,磁件的精密定位精度僅幾個μm,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011mm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。
　　4科傻系統概述
　　科傻系統,是指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,它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,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。
　　5工程測量學的發展趨向
　　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。
　　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,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。
　　4)多傳感器的混合測量系統將得到迅速發展和廣泛應用。
　　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,介紹了工程測量學的概念和國內外研究應用情況,并展望21世紀工程測量學的發展。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。