工程測量學的發展評述

戴廣偉

摘要：本文闡述了工程測量學領域通用和專用儀器的發展；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

1 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TERRAMETER LDM2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DISTERMETER ISETH，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。

2 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Powerset 2000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。

3 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：

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；

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。

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；

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。

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。

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。

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。

參考文獻

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