周珍?李海霞

摘 要：本文對工程測量學(xué)重新進(jìn)行了定義，指出了該學(xué)科的地位和研究應(yīng)用領(lǐng)域；闡述了工程測量學(xué)領(lǐng)域通用和專用儀器的發(fā)展；在理論方法發(fā)展方面，重點(diǎn)對平差理論、工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計、變形觀測數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。扼要地敘述了大型特種精密工程測量在國內(nèi)外的發(fā)展情況。結(jié)合科研和開發(fā)實(shí)踐，簡介了地面控制與施工測量工程內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化自動化系統(tǒng)——科傻系統(tǒng)。最后展望了21世紀(jì)工程測量學(xué)若干發(fā)展方向。

工程測量工業(yè)測量精密工程測量測量機(jī)器人工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計一，它主要以建筑工程、機(jī)器和設(shè)備為研究服務(wù)對象。 學(xué)科地位 測繪科學(xué)和技術(shù)是一門具有悠久歷史和現(xiàn)代發(fā)展的一級學(xué)科。該學(xué)科無論怎樣發(fā)展，服務(wù)領(lǐng)域無論怎樣拓寬，與其他學(xué)科的交叉無論怎樣增多或加強(qiáng)，學(xué)科無論出現(xiàn)怎樣的綜合和細(xì)分，學(xué)科名稱無論怎樣改變，學(xué)科的本質(zhì)和特點(diǎn)都不會改變。

筆者認(rèn)為，工程測量學(xué)主要包括以工程建筑為對象的工程測量和以設(shè)備與機(jī)器安裝為對象的工業(yè)測量兩大部分。在學(xué)科上可劃分為普通工程測量和精密工程測量。工程測量學(xué)的主要任務(wù)是為各種工程建設(shè)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(xué)的發(fā)展方向，大型特種精密工程建設(shè)是促進(jìn)工程測量學(xué)科發(fā)展的動力。

工程測量儀器的發(fā)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(guī)的光學(xué)經(jīng)緯儀、光學(xué)水準(zhǔn)儀和電磁波測距儀將逐漸被電子全測儀、電子水準(zhǔn)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(fā)展。帶電動馬達(dá)驅(qū)動和程序控制的全站儀結(jié)合激光、通訊及CCD技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)測量的全自動化，被稱作測量機(jī)器人。測量機(jī)器人可自動尋找并精確照準(zhǔn)目標(biāo)，在1s內(nèi)完成一目標(biāo)點(diǎn)的觀測，像機(jī)器人一樣對成百上千個目標(biāo)作持續(xù)和重復(fù)觀測，可廣泛用于變形監(jiān)測和施工測量。將GPS接收機(jī)與電子全站儀或測量機(jī)器人連接在一起，稱超全站儀或超測量機(jī)器人。它將GPS的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的3維極坐標(biāo)測量技術(shù)完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無控制網(wǎng)的各種工程測量。 專用儀器是工程測量學(xué)儀器發(fā)展最活躍的，主要應(yīng)用在精密工程測量領(lǐng)域。其中，包括機(jī)械式、光電式及光機(jī)電結(jié)合式的儀器或測量系統(tǒng)。 高程測量方面，最顯著的發(fā)展應(yīng)數(shù)液體靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)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(shù)十乃至數(shù)百個監(jiān)測點(diǎn)的高程，具有高精度、遙測、自動化、可移動和持續(xù)測量等特點(diǎn)。兩容器間的距離可達(dá)數(shù)十公里，如用于跨河與跨海峽的水準(zhǔn)測量；通過一種壓力傳感器，答應(yīng)兩容器之間的高差從過去的數(shù)厘米達(dá)到數(shù)米。與高程測量有關(guān)的是傾斜測量，即確定被測對象在豎直平面內(nèi)相對于水平或鉛直基準(zhǔn)線的撓度曲線。 具有多種功能的混合測量系統(tǒng)是工程測量專用儀器發(fā)展的顯著特點(diǎn)，采用多傳感器的高速鐵路軌道測量系統(tǒng)，用測量機(jī)器人自動跟蹤沿鐵路軌道前進(jìn)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(jī)，可用于測量軌道的3維坐標(biāo)、軌道的寬度和傾角。液體靜力水準(zhǔn)測量與金屬絲準(zhǔn)直集成的混合測量系統(tǒng)在數(shù)百米長的基準(zhǔn)線上可精確測量測點(diǎn)的高程和偏距。

綜上所述，工程測量專用儀器具有高精度、快速、遙測、無接觸、可移動、連續(xù)、自動記錄、微機(jī)控制等特點(diǎn)，可作精密定位和準(zhǔn)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(tài)行為。

工程測量理論方法的發(fā)展測量平差理論 最小二乘法廣泛應(yīng)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(jīng)典的和現(xiàn)代平差模型的統(tǒng)一模型。測量誤差理論主要表現(xiàn)在對模型誤差的研究上，主要包括：平差中函數(shù)模型誤差、隨機(jī)模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數(shù)估計的影響，對參數(shù)和殘差統(tǒng)計性質(zhì)的影響；病態(tài)方程與控制網(wǎng)及其觀測方案設(shè)計的關(guān)系。由于變形監(jiān)測網(wǎng)參考點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗的需要，導(dǎo)致了自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)平差的出現(xiàn)和發(fā)展。觀測值粗差的研究促進(jìn)了控制網(wǎng)可靠性理論，以及變形監(jiān)測網(wǎng)變形和觀測值粗差的可區(qū)分性理論的研究和發(fā)展。針對觀測值存在粗差的客觀實(shí)際，出現(xiàn)了穩(wěn)健估計；針對法方程系數(shù)陣存在病態(tài)的可能，發(fā)展了有偏估計。與最小二乘估計相區(qū)別，穩(wěn)健估計和有偏估計稱為非最小二乘估計。建立改正數(shù)向量與觀測值真誤差向量之間的函數(shù)關(guān)系，可對多個粗差同時進(jìn)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(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。 方差和協(xié)方差分量估計實(shí)質(zhì)上是精化平差的隨機(jī)模型，過去一直僅停留在理論的研究上。實(shí)際中，要求對多種觀測量進(jìn)行綜合處理，因此，方差分量估計已成為測量平差的必備內(nèi)容了。

模擬法優(yōu)化設(shè)計的軟件功能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計資料和地圖資料在圖上選點(diǎn)布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點(diǎn)近似坐標(biāo)。模擬觀測方案，根據(jù)儀器確定觀測值精度，可進(jìn)一步模擬觀測值。計算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標(biāo)如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點(diǎn)位精度、相鄰點(diǎn)位精度、任意兩點(diǎn)間的相對精度、最弱點(diǎn)和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進(jìn)一步可計算坐標(biāo)未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點(diǎn)坐標(biāo)的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計算，特征值計算，點(diǎn)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和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標(biāo)的影響。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標(biāo)以及觀測值的靈敏度影響系數(shù)。將計算出的各質(zhì)量指標(biāo)與設(shè)計要求的指標(biāo)比較，使之既滿足設(shè)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或局部改變網(wǎng)形等方法重新作上述設(shè)計計算，直到獲取一個較好的結(jié)果。 在實(shí)踐中，總結(jié)出了下述優(yōu)化設(shè)計策略：先固定觀測值的精度，對選取的網(wǎng)點(diǎn)，觀測所有可能的邊和方向，計算網(wǎng)的質(zhì)量的指標(biāo)，若質(zhì)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(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)偏高了，這時可按觀測值的內(nèi)部可靠性指標(biāo)ri，刪減觀測值。ri太大，說明該觀測值顯得多余，應(yīng)刪去；若ri很小，則該觀測值的精度不宜增加。這種根據(jù)ri大小來刪除觀測值的方法稱為從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優(yōu)化策略。 從模擬法優(yōu)化設(shè)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(jī)交互界面設(shè)計方面都有更高要求。同時也要求設(shè)計者具有堅實(shí)的專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗。 用模擬法可獲得一個相對較優(yōu)且切實(shí)可行的方案，可進(jìn)一步用模擬觀測值作網(wǎng)的平差計算。對于一個精度、可靠性以及靈敏度要求極高的監(jiān)測網(wǎng)或精密控制網(wǎng)，作上述優(yōu)化設(shè)計和精細(xì)計算是十分必要的。國內(nèi)在這方面的應(yīng)用 道較少。多是為了安全起見，有較大的質(zhì)量富余，建網(wǎng)費(fèi)用偏高。網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計費(fèi)用很少，所帶來的效益較大，凡是較重要的工程控制網(wǎng)，都應(yīng)作優(yōu)化設(shè)計。 變形觀測數(shù)據(jù)處理 工程建筑物及與工程有關(guān)的變形的監(jiān)測、分析及預(yù)是工程測量學(xué)的重要研究內(nèi)容。其中的變形分析和預(yù)涉及到變形觀測數(shù)據(jù)處理。但變形分析和預(yù)的范疇更廣，屬于多學(xué)科的交叉。