議工程測量學

杜青龍

中圖分類號：TB2文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0210079—01

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。它主要以建筑工程為研究服務對象。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、建筑工程測量等，幾乎每一種工程測量都有相應的著書或教材。

一、工程測量理論方法的發展

(一)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。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：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。

(二)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。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)。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，又不至于有太大的富余。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。

(三)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。

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。

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。

二、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?？粕迪到y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)?？粕狄豢捎糜谌我?、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。

三、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．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；

5．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：

6．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。