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1、2023年工程测量 工程测量的发展动力 第一次作业 工程测量的发展动力 1学科地位和研究应用领域 1.1 学科定义 工程测量学是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。 1.2 学科地位 测绘科学和技术(或称测绘学)是一门具有悠久历史和现代发展的一级学科。该学科无论怎样发展，服务领域无论怎样拓宽，与其他学科的交叉无论怎样增多或加强，学科无论出现怎样的综合和细分，学科名称无论怎样改变，学科的本质和特点都不会改变。总的来说，整个学科的二级学科仍应作如下划分： 大地测量学(包括
2、天文、几何、物理、卫星和海洋大地测量)； 工程测量学(含近景摄影测量和矿山测量)； 航空摄影测量与遥感学； 地图制图学； 不动产地籍与土地整理。 1.3 研究应用领域 目前国内把工程建设有关的工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路(铁路、公路等)工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、3维工业测量等，几乎每一行业和工程测量都有相应的著书或教材。 由Hennecke,Mueller,Werner 3个德国人所编著的工程测量学，主要按下述内容进行划分和编写：测量仪器和方法；线路、铁路、公路建设测量；高层建筑测量；
3、地下建筑测量；安全监测；机器和设备测量。 由于工程测量的研究应用领域非常广泛，发展变化也很快，因此写书十分困难。目前国内外没有一本全面涉及工程测量学理论、技术、方法和实际应用的现代专著或教材。国际测量师联合会(FIG)的第六委员会称作工程测量委员会，过去它下设4个工作组：测量方法和限差；土石方计算；变形测量；地下工程测量。此外还设了一个特别组：变形分析与解释。现在，下设了6个工作组和2个专题组。6个工作组是：大型科学设备的高精度测量技术与方法；线路工程测量与优化；变形测量；工程测量信息系统；激光技术在工程测量中的应用；电子科技文献和网络。2个专题组是：工程和工业中的特殊测量仪器；工程测量标准。
4、 德国、瑞士、奥地利3个德语语系国家自50年代发起组织每34年举行一次的“工程测量国际学术讨论会”。过去把工程测量划分为以下几个专题：测量仪器和数据获取；数据解释、处理和应用；高层建筑和设备安装测量；地下和深层建筑测量；环境和工程建筑物变形监测。 1992年第11届讨论会的专题是：测量理论与测量方案；测量技术和测量系统；信息系统和CAD；在建筑工程和工业中的应用。 1996年的第12届讨论会的专题是：测量和数据处理系统；监测和控制；在工业和建筑工程中的质量问题；数据模型和信息系统；交叉学科的大型工程项目。 从以上可见，工程测量学的研究领域既有相对的固定性，又是不断发展变化的。笔者认为，工程测量
5、学主要包括以工程建筑为对象的工程测量和以设备与机器安装为对象的工业测 量两大部分。在学科上可划分为普通工程测量和精密工程测量。工程测量学的主要任务是为各种工程建设提供测绘保障，满足工程所提出的要求。精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力。 2工程测量仪器的发展 工程测量仪器可分通用仪器和专用仪器。通用仪器中常规的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪将逐渐被电子全测仪、电子水准仪所替代。电脑型全站仪配合丰富的软件，向全能型和智能化方向发展。带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量的全自动化，被称作测量机器人。测量机器
6、人可自动寻找并精确照准目标，在1 s内完成一目标点的观测，像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测，可广泛用于变形监测和施工测量。GPS接收机已逐渐成为一种通用的定位仪器在工程测量中得到广泛应用。将GPS接收机与电子全站仪或测量机器人连接在一起，称超全站仪或超测量机器人。它将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的3维极坐标测量技术完美结合，可实现无控制网的各种工程测量。 专用仪器是工程测量学仪器发展最活跃的，主要应用在精密工程测量领域。其中，包括机械式、光电式及光机电(子)结合式的仪器或测量系统。主要特点是：高精度、自动化、遥测和持续观测。 用于建立水平的或竖直的基准线或基准面，测量目标点
7、相对于基准线(或基准面)的偏距(垂距)，称为基准线测量或准直测量。这方面的仪器有正、倒锤与垂线观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪(向下、向上)、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。 在距离测量方面，包括中长距离(数十米至数公里)、短距离(数米至数十米)和微距离(毫米至数米)及其变化量的精密测量。以ME5000为代表的精密激光测距仪和TERRAMETER LDM2双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；可喜的是，许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，其中最典型的代表是铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETER ISETH，石英伸缩仪，各种
8、光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01m的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。 高程测量方面，最显著的发展应数液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十公里，如用于跨河与跨海峡的水准测量；通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。与高程测量有关的是倾斜测量(又称挠
9、度曲线测量)，即确定被测对象(如桥、塔)在竖直平面内相对于水平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜(倾)仪、电子测倾仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达微米级。 具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器发展的显著特点，采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，用测量机器人自动跟踪沿铁路轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用于测量轨道的3维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在数百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。 综上所述，工程测量专用仪器具有高精度(亚毫米、微米乃至纳米)、快速、遥测、无接触、可移动
10、、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测量倾斜度、 厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率以及物体的动态行为。 四、大型特种精密工程测量 3 大型特种精密工程建设和对测绘的要求是工程测量学发展的动力。 3.1 国内览胜 三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其规模之大，监测项目之多，都堪称世界之最。不仅采用目前国内外最成熟最先进的仪器、技术，在实践中也在不断发展新的技术和方法，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统；拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等，都涉及到精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测
11、系统，监测点的位置精度达到了亚毫米。该工程 用地面方法建立的变形监测网，其最弱点精度优于1.5 mm。 北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达0.3 mm。设备定位精度优于0.2 mm，200 m直线段漂移管直线精度达0.1 mm。大亚湾核电站控制网精度达2 mm，秦山核电站的环型安装测量控制网精度达0.1 mm。 上海杨浦大桥控制网的最弱点精度达0.2 mm，桥墩点位标定精度达0.1 mm；武汉长江二桥全桥的贯通精度(跨距和墩中心偏差)达毫米级。高454 m的东方明珠电视塔对于长114 m、重300 t的钢桅杆天线，安装的垂准误差仅9 mm。 长18.4 km的秦岭隧道，洞外GPS网的平均点
12、位精度优于3 mm，一等精密水准线路长120多公里。目前辅助隧道已贯通，仅一个贯通面的情况下，横向贯通误差为12 mm，高程方向的贯通误差只有3 mm。 3.2 国外简述 国外的大型特种精密工程更不胜枚举。以大型粒子加速器为例，德国汉堡的粒子加速器研究中心，堪称特种精密工程测量的历史博物馆。1959年建的同步加速器，直径仅100 m，1978年的正负电子储存环，直径743 m，1990年的电子质子储存环，直径2000 m。为了减少能量损失，改用直线加速器代替环形加速器，正在建的直线加速器长达30 km，100300 m的磁件相邻精度要求优于0.1 mm,磁件的精密定位精度仅几个微米，并能以纳米
13、级的精度确定直线度。整个测量过程都是无接触自动化的。用精密激光测距仪TC2023K距离测量，其测距精度与ME5000相当，对平均边长为50m的3 800条边，改正数小于0.1 mm的占95%。美国的超导超级对撞机，其直径达27 km，为保证椭圆轨道上的投影变形最小且位于一平面上，利用了一种双重正形投影。所作的各种精密测量，均考虑了重力和潮汐的影响。主网和加密网采用GPS测量，精度优于110-6 D。 露天煤矿的大型挖煤机开挖量的动态测量计算系统(德国)。大型挖煤机长140 m，高65 m,自重8 000 t，其挖斗轮的直径17.8 m，每天挖煤量可达10多万吨。为了实时动态地得到挖煤机的采煤量
14、，在其上安置了3台GPS接收机，与参考站无线电实时数据传输和差分动态定位，挖煤机上两点间距离的精度可达1.5 cm。根据3台接收机的坐标，按一定几何模型可计算出挖煤机挖斗轮的位置及采煤层截曲面，可计算出采煤量，经对比试验，其精度达7%4%。这是GPS，GIS技术相结合在大型特种工程中应用的一个典型例子。 核电站冷却塔的施工测量系统。南非某一核电站的冷却塔高165 m，直径163 m。在整个施工过程中，要求每一高程面上塔壁中心线与设计的限差小于50 mm，在塔高方向上每10 m的相邻精度优于10 mm。由于在建造过程中发现地基地质构造不良，出现不均匀沉陷，使塔身产生变形。为此，要根据精密测量资料
15、拟合出实际的塔壁中心线作为修改设计的依据。采用测量机器人用极坐标法作3维测量，对每一施工层，沿塔外壁设置了1 600多个目标点，在夜间可完成全部测量工作。对大量的测量资料通过恰当的数据处理模型使精度提高了一至数倍，所达到的相邻精度远远超过了设计要求。精密测量不仅是施工的质量保证，也为整治 工程病害提供了可靠的资料，同时也能对整治效果作出精确评价。 瑞士阿尔卑斯山的特长双线铁路隧道哥特哈德长达57 km，为该工程特地重新作了国家大地测量(LV95)，采用GPS技术施测的控制网，平面精度达7 mm，高程精度约2 cm。以厘米级的精度确定出了整个地区的大地水准面。为加快进度和避开不良地质段，中间设了
16、3个竖井，共4个贯通面，横向贯通误差允许值为6992 mm(较只设一个贯通面可缩短工期11年)。整个隧道的工程投资预计约15亿瑞士法朗，计划于2023年全线贯通。 高耸建筑物方面，有人设想，在21世纪将建造2 000 m乃至4 000 m的摩天大厦，这不仅是建筑师的梦想，也是对测量工程师的挑战。 海宁市城市D级GPS工程控制网优化设计 摘 要：GPS技术的发展为大地测量提供了一种新的高精度的测量手段由于其精度高，速度快，费用省，操作简便等 优点，GPS技术已成为大地测量的主要手段在我国，1995年以后，由于GPS卫星已发射完毕，卫星的分布情况较 好，另外GPS接收机的精度及其稳定性有了很大的提
17、高，GPS网的布设也有了相应的变化本文先总体叙述了我国 GPS网的发展概况，然后从布设GPS控制网的目的，技术设计，实地选址与埋石，GPS网的野外布设，外业实施方案 的优化，平差处理时应注意的问题，起算点精度对GPS基线的影响等几方面进行了论述，讨论了精度和密度方面应 注意均问题，研究了需要如何设计GPS控制网，以保证精度高，密度分布均匀 关键词 ：GPS技术，精度，密度，技术设计 1 概 述 11 布设GPS控制网的目的 利用GPS技术布测高精度三维大地测量控制网是为我国大地测量、大地形变测量、地球动力学研究提供基准数据的基础工作GPS大地控制网是一个可以满足各种需要的多用途定位网，其目的和
18、意义是： 1)统一我国陆地和海洋大地基准 由于常规大地测量的技术限制，我国南海岛礁没有与大陆联测，利用GPS大地控制网可以联测，另外利用大陆上点位和近海远海的主要海岛进行联测，可以测定沿海地区和有关岛屿的地面沉降，测定我国沿海地区平均海水面变化，为海洋大地测量提供统一的高精度的大地基准点：为测定海底地形、海洋研究、海洋运输提供保障 2)精确确定大地点的地心坐标 为了准确确定远程武器运动轨迹，必须建立以地球质心为原点的地心坐标系，以确定发射点、目标点和地面跟踪站相统一的坐标 3)检核和加强天文大地网 4)结合其它大地测量数据精化大地水准面 5)推求世界大地坐标系、研究地球重力场 6)监测地壳形变
19、 12 主要研究问题 随着高精度GPS网的布设GPS技术的发展，高精度GPS网的设计也有所改变，90 年代初，由于卫星星座的分布不均匀、星历的不完善，接收机的精度偏低、相关资料较少等因素，因此在网点的选取和网的设计时是根据当时的实际情况实施的95年以后，由于GPS卫星己发射完毕，卫星的分布情况较好，另外GPS接收机的精度及其稳定性有了很大的 提高，GPS网的布设也有了相应的变化 本文从布设GPS控制网的目的，技术设计，GPS网的野外布设，外业实施方案的优 化，平差处理时应注意的问题，起算点精度对GPS基线的影响等几方面进行了论述，并针对 精度，布网密度情况对外业实施方案的制订进行了研究 技术设
20、计 121 基本要求 1)每幅村庄地籍图上布设2个以上GPS控制点 2)海宁市六大镇(硖石、长安、袁花、斜桥、盐官、许村)镇区边缘增设的GPS点不少于1030个；(具体点数、点位与甲方商议后待定) 3)新增的五条公路的转折点中心均布设GPS控制点(具体点数、点位与甲方商议后待定) 122 布网原则 1)本项目要在700平方公里单位内布设约9500个GPS点，点与点之间的平均边长约为260m 2)为了提高本GPS控制网的利用效率，须保证任意一个GPS点与一个(含一个)以上的GPS点通视 3)GPS控制点在满足基本要求的前提下，应尽量均匀分布，以提高网的图形强度，必要时可增设若干一级GPS点 4)
21、应联测测区内所有的C、D级GPS控制网及等外以上级水准点确保每个平差区内有3个(含3个)以上的约束点，约束点在不同的平差分区内可重复利用 5)如果联测的已知高程点数量或分布均匀度不能满足高程拟合的不同，选择不同数量的点，按四等水准的要求进行水准联测，以确保高程拟合达到一定的可靠性与精度，使GPS点的高程精度满足作为测图控制点的要求，即高程中误差不大于5 em 6)为保证边长相对精度满足规范要求，当所选定的一级GPS点与相邻一级点的距离小于150米时，须采用折叠图形布网 2 布网设计 GPS卫星定位网的主要特点与常规大地测量网是一致的，即高精度，网点分布均匀，能为多种目标服务，但由于GPS测量中
22、测定的是基线向量，因此其误差传播要比常规网慢，精度分布也要更为均匀，GPS网的精度和密度设计主要取决于网的用途和作业技术条件等因素 GPS网优化设计的主要目标是网的精度，可靠性和经费等，对GPS网而言，除了要求点位的绝对精度较高外，还要求全网的精度比较均匀前者很大程度上由基线的选择来决定，后者主要由GPS网的布设方法，如图形结构强度，基线向量的测量精度等决定 对于GPS网来说，建网费用主要由精度和网点数决定，此外也受外业和地区的自然地理条件影响，由于精度和网点数是由建网的目的决定的，而自然地理条件是客观存在的现实，因此费用优化主要通过网的图形结构和选择最佳布测方法来实现在实际设计网时，主要从平面基准，GPS网的精度，密度设计，基准设计，GPS的网形设计 工程测量 工程测量的发展动力 工程测量 工程测量 工程测量 工程测量 工程测量 工程测量 工程测量 工程测量的原理 工程测量(矿山测量)丁级条件