工程測量的理論方法發(fā)展前景

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　1工程測量的定義

　　工程測量是測繪科學(xué)與技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用，是綜合性的應(yīng)用測繪科學(xué)與技術(shù)，要求計(jì)算理論嚴(yán)密，測量方法嚴(yán)密。本文對工程測量進(jìn)行了定義，按照工程建設(shè)進(jìn)行的程序和工程種類進(jìn)行具體闡述了工程測量在理論方法方面的發(fā)展，對幾種常用的理論和方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

　　在工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工和管理各階段中進(jìn)行測量工作的理論、方法和技術(shù)，稱為工程測量。工程測量是測繪科學(xué)與技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用，是綜合性的應(yīng)用測繪科學(xué)與技術(shù)，它直接為工程建設(shè)服務(wù)的，它的服務(wù)和應(yīng)用范圍包括城建、地質(zhì)、鐵路、交通、房地產(chǎn)管理、水利電力、能源、航天和國防等各種工程建設(shè)部門。

　　1.1按照工程建設(shè)的進(jìn)行程序分類按工程建設(shè)的進(jìn)行程序，工程測量可分為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的測量，施工興建階段的測量和竣工后的運(yùn)營管理階段的測量。

　　規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的測量主要是提供地形資料。取得地形資料的方法是，在所建立的控制測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行地面測圖或航空攝影測量。

　　施工興建階段的測量的主要任務(wù)是，按照設(shè)計(jì)要求在實(shí)地準(zhǔn)確地標(biāo)定建筑物各部分的平面位置和高程，作為施工與安裝的依據(jù)。一般也要求先建立施工控制網(wǎng)，然后根據(jù)工程的要求進(jìn)行各種測量工作。

　　竣工后的營運(yùn)管理階段的測量，包括竣工測量以及為監(jiān)視工程安全狀況的變形觀測與維修養(yǎng)護(hù)等測量工作。

　　1.2按照工程測量所服務(wù)的工程種類分類按工程測量所服務(wù)的工程種類，也可分為建筑工程測量、線路測量、橋梁與隧道測量、礦山測量、城市測量和水利工程測量等。此外，還將用于大型設(shè)備的高精度定位和變形觀測稱為高精度工程測量；將攝影測量技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)稱為工程攝影測量；而將以電子全站儀或地面攝影儀為傳感器在電子計(jì)算機(jī)支持下的測量系統(tǒng)稱為3維工業(yè)測量。無論是工程進(jìn)程各階段的測量工作，還是不同工程的測量工作，都需要根據(jù)誤差分析和測量平差理論選擇適當(dāng)?shù)臏y量手段，并對測量成果進(jìn)行處理和分析，也就是說，測量數(shù)據(jù)處理是工程測量的重要內(nèi)容。

　　2工程測量中常用的幾種方法

　　2.1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(jì)的影響，對參數(shù)和殘差統(tǒng)計(jì)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(jì)的關(guān)系。由于變形監(jiān)測網(wǎng)參考點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)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(jì)（或稱抗差估計(jì)）；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(jì)。與最小二乘估計(jì)相區(qū)別，穩(wěn)健估計(jì)和有偏估計(jì)稱為非最小二乘估計(jì)。

　　2.2工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)和約束條件，解求目標(biāo)函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費(fèi)用，對于變形監(jiān)測網(wǎng)還包括網(wǎng)的靈敏度或可區(qū)分性。對于網(wǎng)的平差模型而言，按固定參數(shù)和待定參數(shù)的不同，網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及到網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設(shè)計(jì)。在工程測量中，施工控制網(wǎng)、安裝控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)都需要作優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于采用GPS定位技術(shù)和電磁波測距，網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測角網(wǎng)有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設(shè)計(jì)程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，其他的網(wǎng)都可用模擬法進(jìn)行設(shè)計(jì)。模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件功能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計(jì)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)（最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機(jī)上進(jìn)行）。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(jì)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(jì)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(jì)算，特征值計(jì)算，點(diǎn)位誤差橢圓、置信橢圓的計(jì)算等。可靠性包括每個(gè)觀測值的多余觀測分量（內(nèi)部可靠性）和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標(biāo)的影響（外部可靠性）。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(jì)算出的各質(zhì)量指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)比較，使之既滿足設(shè)計(jì)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（增加或減少觀測值）或局部改變網(wǎng)形（增加或減少網(wǎng)點(diǎn)）等方法重新作上述設(shè)計(jì)計(jì)算，直到獲取一個(gè)較好的結(jié)果。

　　2.3變形觀測數(shù)據(jù)處理

　　2.3.1變形觀測數(shù)據(jù)處理的幾種典型方法根據(jù)變形觀測數(shù)據(jù)繪制變形過程曲線是一種最簡單而有效的數(shù)據(jù)處理方法，由過程曲線可作趨勢分析。如果將變形觀測數(shù)據(jù)與影響因子進(jìn)行多元回歸分析和逐步回歸計(jì)算，可得到變形與顯著性因子間的函數(shù)關(guān)系，除作物理解釋外，也可用于變形預(yù)報(bào)。多元回歸分析需要較長的一致性好的多組時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

　　2.3.2變形的幾何分析與物理解釋傳統(tǒng)的方法將變形觀測數(shù)據(jù)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(shí)間特性，主要包括模型初步鑒別、模型參數(shù)估計(jì)和模擬統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及最佳模型選取3個(gè)步驟。變形監(jiān)測網(wǎng)的參考網(wǎng)、相對網(wǎng)在周期觀測下，參考點(diǎn)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)和目標(biāo)點(diǎn)和位移值計(jì)算是建立變形模型的基礎(chǔ)。變形的物理解釋在于確定變形與引起變形的原因之間的關(guān)系，通常采用統(tǒng)計(jì)分析法和確定函數(shù)法。統(tǒng)計(jì)分析法包括多元回歸分析、灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析以及時(shí)間序列頻域法分析中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等。

　　2.3.3變形分析與預(yù)報(bào)的系統(tǒng)論方法用現(xiàn)代系統(tǒng)論為指導(dǎo)進(jìn)行變形分析與預(yù)報(bào)是目前研究的一個(gè)方向。變形體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它具有多層次高維的灰箱或黑箱式結(jié)構(gòu)，是非線性的，開放性（耗散）的，它還具有隨機(jī)性，這種隨機(jī)性除包括外界干擾的不確定性外，還表現(xiàn)在對初始狀態(tài)的敏感性和系統(tǒng)長期行為的混沌性。此外，還具有自相似性、突變性、自組織性和動(dòng)態(tài)性等特征。

　　3工程測量學(xué)的發(fā)展展望

　　3.1測量機(jī)器人將作為多傳感器集成系統(tǒng)在人工智能方面得到進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，影像、圖形和數(shù)據(jù)處理方面的能力進(jìn)一步增強(qiáng)；

　　3.2在變形觀測數(shù)據(jù)處理和大型工程建設(shè)中，將發(fā)展基于知識(shí)的信息系統(tǒng)，并進(jìn)一步與大地測量、地球物理、工程與水文地質(zhì)以及土木建筑等學(xué)科相結(jié)合，解決工程建設(shè)中以及運(yùn)行期間的安全監(jiān)測、災(zāi)害防治和環(huán)境保護(hù)的各種問題。

　　3.3工程測量將從土木工程測量、3維工業(yè)測量擴(kuò)展到人體科學(xué)測量，如人體各器官或部位的顯微測量和顯微圖像處理；

　　3.4多傳感器的混合測量系統(tǒng)將得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如GPS接收機(jī)與電子全站儀或測量機(jī)器人集成，可在大區(qū)域乃至國家范圍內(nèi)進(jìn)行無控制網(wǎng)的各種測量工作。

　　3.5GPS、GIS技術(shù)將緊密結(jié)合工程項(xiàng)目，在勘測、設(shè)計(jì)、施工管理一體化方面發(fā)揮重大作用。

　　3.6大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑、設(shè)備的3維測量、幾何重構(gòu)以及質(zhì)量控制將是工程測量學(xué)發(fā)展的一個(gè)特點(diǎn)。

　　工程技術(shù)的發(fā)展不斷對測量工作提出新的要求，同時(shí)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和測繪新技術(shù)的發(fā)展，給直接為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的工程測量帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和極好的機(jī)遇。特別是全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、攝影測量與遙感（RS）以及數(shù)字化測繪和地面測量先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使工程測量的手段、方法和理論產(chǎn)生了深刻的變化。工程測量的領(lǐng)域在進(jìn)一步擴(kuò)展，而且正朝著測量數(shù)據(jù)采集和處理的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和數(shù)字化方向發(fā)展。