工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展評(píng)述

戴廣偉

摘要：本文闡述了工程測(cè)量學(xué)領(lǐng)域通用和專(zhuān)用儀器的發(fā)展；扼要地?cái)⑹隽舜笮吞胤N精密工程測(cè)量在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。結(jié)合科研和開(kāi)發(fā)實(shí)踐，簡(jiǎn)介了地面控制與施工測(cè)量工程內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化自動(dòng)化系統(tǒng)--科傻系統(tǒng)。最后展望了21世紀(jì)工程測(cè)量學(xué)若干發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：工程測(cè)量；工業(yè)測(cè)量；精密工程測(cè)量；測(cè)量機(jī)器人；工程網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程測(cè)量?jī)x器的發(fā)展

工程測(cè)量?jī)x器可分通用儀器和專(zhuān)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(cè)距儀將逐漸被電子全測(cè)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(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(cè)量的全自動(dòng)化，被稱(chēng)作測(cè)量機(jī)器人。測(cè)量機(jī)器人可自動(dòng)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(cè)，像機(jī)器人一樣對(duì)成百上千個(gè)目標(biāo)作持續(xù)和重復(fù)觀測(cè)，可廣泛用于變形監(jiān)測(cè)和施工測(cè)量。GPS接收機(jī)已逐漸成為一種通用的定位儀器在工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。將GPS接收機(jī)與電子全站儀或測(cè)量機(jī)器人連接在一起，稱(chēng)超全站儀或超測(cè)量機(jī)器人。它將GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的3維極坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)完美結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無(wú)控制網(wǎng)的各種工程測(cè)量。

專(zhuān)用儀器是工程測(cè)量學(xué)儀器發(fā)展最活躍的，主要應(yīng)用在精密工程測(cè)量領(lǐng)域。其中，包括機(jī)械式、光電式及光機(jī)電(子)結(jié)合式的儀器或測(cè)量系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：高精度、自動(dòng)化、遙測(cè)和持續(xù)觀測(cè)。

用于建立水平的或豎直的基準(zhǔn)線(xiàn)或基準(zhǔn)面，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線(xiàn)(或基準(zhǔn)面)的偏距(垂距)，稱(chēng)為基準(zhǔn)線(xiàn)測(cè)量或準(zhǔn)直測(cè)量。這方面的儀器有正、倒錘與垂線(xiàn)觀測(cè)儀，金屬絲引張線(xiàn)，各種激光準(zhǔn)直儀、鉛直儀(向下、向上)、自準(zhǔn)直儀，以及尼龍絲或金屬絲準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)等。

在距離測(cè)量方面，包括中長(zhǎng)距離(數(shù)十米至數(shù)公里)、短距離(數(shù)米至數(shù)十米)和微距離(毫米至數(shù)米)及其變化量的精密測(cè)量。以ME5000為代表的精密激光測(cè)距儀和TERRAMETER LDM2雙頻激光測(cè)距儀，中長(zhǎng)距離測(cè)量精度可達(dá)亞毫米級(jí)；可喜的是，許多短距離、微距離測(cè)量都實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，其中最典型的代表是銦瓦線(xiàn)尺測(cè)距儀DISTINVAR，應(yīng)變儀DISTERMETER ISETH，石英伸縮儀，各種光學(xué)應(yīng)變計(jì)，位移與振動(dòng)激光快速遙測(cè)儀等。采用多譜勒效應(yīng)的雙頻激光干涉儀，能在數(shù)十米范圍內(nèi)達(dá)到0.01μm的計(jì)量精度，成為重要的長(zhǎng)度檢校和精密測(cè)量設(shè)備；采用CCD線(xiàn)列傳感器測(cè)量微距離可達(dá)到百分之幾微米的精度，它們使距離測(cè)量精度從毫米、微米級(jí)進(jìn)入到納米級(jí)世界。

高程測(cè)量方面，最顯著的發(fā)展應(yīng)數(shù)液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器測(cè)量容器的液面高度，可同時(shí)獲取數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，具有高精度、遙測(cè)、自動(dòng)化、可移動(dòng)和持續(xù)測(cè)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(cè)量；通過(guò)一種壓力傳感器，允許兩容器之間的高差從過(guò)去的數(shù)厘米達(dá)到數(shù)米。

與高程測(cè)量有關(guān)的是傾斜測(cè)量(又稱(chēng)撓度曲線(xiàn)測(cè)量)，即確定被測(cè)對(duì)象(如橋、塔)在豎直平面內(nèi)相對(duì)于水平或鉛直基準(zhǔn)線(xiàn)的撓度曲線(xiàn)。各種機(jī)械式測(cè)斜(傾)儀、電子測(cè)傾儀都向著數(shù)字顯示、自動(dòng)記錄和靈活移動(dòng)等方向發(fā)展，其精度達(dá)微米級(jí)。

具有多種功能的混合測(cè)量系統(tǒng)是工程測(cè)量專(zhuān)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(cè)量系統(tǒng)，用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤沿鐵路軌道前進(jìn)的測(cè)量車(chē)，測(cè)量車(chē)上裝有棱鏡、斜傾傳感器、長(zhǎng)度傳感器和微機(jī)，可用于測(cè)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(cè)量與金屬絲準(zhǔn)直集成的混合測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)百米長(zhǎng)的基準(zhǔn)線(xiàn)上可精確測(cè)量測(cè)點(diǎn)的高程和偏距。

2 科技研究開(kāi)發(fā)實(shí)踐

將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力是科研的最終目的，作為一門(mén)應(yīng)用性學(xué)科，這種轉(zhuǎn)化尤為重要。它主要表現(xiàn)在軟硬件的開(kāi)發(fā)研制上。

基于掌上電腦的地面控制與施工測(cè)量工程內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化自動(dòng)化系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)科傻系統(tǒng))是我們近年來(lái)所作的一項(xiàng)科技研究開(kāi)發(fā)實(shí)踐?？粕迪到y(tǒng)是對(duì)電子全站儀實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集。掌上電腦上可固化兩個(gè)軟件包，一個(gè)用于地面控制測(cè)量數(shù)據(jù)采集、檢查、預(yù)處理、概算以及網(wǎng)平差等(稱(chēng)科傻一)；一個(gè)用于工程放樣、道路測(cè)量以及碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集(稱(chēng)科傻三)。另外，在微機(jī)上研制了一個(gè)“現(xiàn)代測(cè)量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理通用軟件包”(稱(chēng)科傻二)。上述3個(gè)軟件包既可獨(dú)立使用，又有密切的聯(lián)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(wǎng)，國(guó)家及城市等級(jí)網(wǎng)，一、二、三級(jí)導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)以及圖根加密網(wǎng)的在線(xiàn)或離線(xiàn)數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理的一體化。同時(shí)也可作一、二、三、四等和等外水準(zhǔn)測(cè)量從數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)處理?？粕刀哂腥我饩W(wǎng)形、任意規(guī)模的地面平面、高程控制網(wǎng)的平差功能外，還包含近似坐標(biāo)計(jì)算，稀疏矩陣壓縮存貯，網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化排序，閉合差自動(dòng)計(jì)算，概算，粗差定值計(jì)算和改正，方差分量估計(jì)，貫通誤差影響值估算，工程控制網(wǎng)模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制網(wǎng)數(shù)據(jù)管理，網(wǎng)圖顯繪，成果報(bào)表輸出，以及與掌上電腦、全站儀的數(shù)據(jù)通訊等功能。

科傻系統(tǒng)集成了測(cè)量學(xué)、控制測(cè)量學(xué)、工程測(cè)量學(xué)、測(cè)量平差等課程的有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和長(zhǎng)期科研成果，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、教學(xué)及科技開(kāi)發(fā)活動(dòng)。

基于科傻系統(tǒng)的主要功能，在索佳Powerset 2000電腦型全站儀上，已成功地開(kāi)發(fā)了全中文版軟件包，這種全站儀通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，功能得到大大增強(qiáng)，故稱(chēng)為全能型全站儀。結(jié)合專(zhuān)業(yè)測(cè)量特點(diǎn)，我們?cè)诳粕迪到y(tǒng)的基礎(chǔ)上還研制開(kāi)發(fā)了“鐵路施工測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理系統(tǒng)”。該軟件包也通過(guò)了鐵道部的鑒定，將在整個(gè)鐵路系統(tǒng)的測(cè)量單位推廣應(yīng)用。對(duì)于城市工程測(cè)量、地籍測(cè)量、水利工程測(cè)量等各種測(cè)量，只要對(duì)科傻系統(tǒng)稍加修改，都可以滿(mǎn)足測(cè)量工程數(shù)據(jù)采集和處理的一體化自動(dòng)化要求。同時(shí)，可將科傻系統(tǒng)移植應(yīng)用到不同型號(hào)的電腦型全站儀上和商品化掌上電腦上，進(jìn)一步擴(kuò)大用戶(hù)。如果移植到測(cè)量機(jī)器人上，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各種智能化應(yīng)用程序，可應(yīng)用到滑坡監(jiān)測(cè)、施工測(cè)量中以及工業(yè)測(cè)量。若再開(kāi)發(fā)與GPS網(wǎng)平差和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位軟件的集成軟件包，并研制開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，可望大大改變目前工程測(cè)量領(lǐng)域的面貌。

3 工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展展望

展望21世紀(jì)，工程測(cè)量學(xué)在以下方面將得到顯著發(fā)展：

測(cè)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)；

在變形觀測(cè)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(cè)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(cè)、災(zāi)害防治和環(huán)境保護(hù)的各種問(wèn)題。

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

多傳感器的混合測(cè)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(cè)量機(jī)器人集成，可在大區(qū)域乃至國(guó)家范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)控制網(wǎng)的各種測(cè)量工作。

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

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

數(shù)據(jù)處理中數(shù)學(xué)物理模型的建立、分析和辨識(shí)將成為工程測(cè)量學(xué)專(zhuān)業(yè)教育的重要內(nèi)容。

綜上所述，工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在從1維、2維到3維、4維，從點(diǎn)信息到面信息獲取，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從后處理到實(shí)時(shí)處理，從人眼觀測(cè)操作到機(jī)器人自動(dòng)尋標(biāo)觀測(cè)，從大型特種工程到人體測(cè)量工程，從高空到地面、地下以及水下，從人工量測(cè)到無(wú)接觸遙測(cè)，從周期觀測(cè)到持續(xù)測(cè)量。測(cè)量精度從毫米級(jí)到微米乃至納米級(jí)。工程測(cè)量學(xué)的上述發(fā)展將直接對(duì)改善人們的生活環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量起重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]章傳銀，張正祿.變形體的穩(wěn)定性及定量分析方法初探[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，1997，(4)：315-321.

[2]張正祿，黃全義，等.從“科傻”系統(tǒng)到全能型全站儀[J].東北測(cè)繪，1998，(1)：5-7.

[3]張正祿，黃全義，等.全站式地面測(cè)量工程一體化自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J].武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，(1)：79-82. [4]張正祿.工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，(增刊).