周珍?李海霞

摘 要：本文對工程測量學(xué)重新進行了定義，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器人工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計一，它主要以建筑工程、機器和設(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，學(xué)科無論出現(xiàn)怎樣的綜合和細分，學(xué)科名稱無論怎樣改變，學(xué)科的本質(zhì)和特點都不會改變。

筆者認為，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(fā)展。帶電動馬達驅(qū)動和程序控制的全站儀結(jié)合激光、通訊及CCD技術(shù)，可實現(xiàn)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(nèi)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(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(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的3維極坐標測量技術(shù)完美結(jié)合，可實現(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，包括機械式、光電式及光機電結(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。兩容器間的距離可達數(shù)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，答應(yīng)兩容器之間的高差從過去的數(shù)厘米達到數(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，采用多傳感器的高速鐵路軌道測量系統(tǒng)，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(tǒng)在數(shù)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、快速、遙測、無接觸、可移動、連續(xù)、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(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(xiàn)和應(yīng)用。 方差和協(xié)方差分量估計實質(zhì)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(nèi)容了。

模擬法優(yōu)化設(shè)計的軟件功能和進行優(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布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點近似坐標。模擬觀測方案，根據(jù)儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)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(shù)的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣，協(xié)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和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響。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)量指標與設(shè)計要求的指標比較，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，觀測所有可能的邊和方向，計算網(wǎng)的質(zhì)量的指標，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)量指標偏高了，這時可按觀測值的內(nèi)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(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)且切實可行的方案，可進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)費用偏高。網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計費用很少，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。