[科普中国]-精密工程测量

基本介绍

精密工程测量是指以毫米级或更高精度进行的工程测量。重要的科学试验和复杂的大型工程，例如高能加速器设备部件的安装、卫星和导弹发射轨道及精密机件传送带的铺设等，都要进行精密工程测量。除常规的测量仪器和方法外，常需设计和制造一些专用的仪器和工具。计量、激光、电子计算机、摄影测量、电子测量技术以及自动化技术等也已应用于精密工程测量工作中。

测量技术精密工程测量技术包括精密地直线定线、测量角度（或方向）、测量距离、测量高差以及设置稳定的精密测量标志。从测量方案设计、实地施测到成果处理和利用的各个阶段中都要利用误差理论进行分析。

定线通常用精密经纬仪进行，以其望远镜的视准面为基础，从而测定目标点的横向偏离值。要求高精确度时可用专用的准直望远镜。张紧的弦线也可用作基准线，并用读数显微镜测量设备部件距离基准线的垂距。激光束也可作为基准线，有时使激光束经菲涅耳波带板干涉形成光点或亮十字丝像，配合光电接收靶进行准直测量，如果激光束在真空管道中传输，则波带板准直法精度可以达准直长度的10的-7次方数量级。

测角角度（或方向）用经纬仪测量。观测时要用适当的方法减少或避免望远镜调焦误差及其他仪器误差的影响，要选择或创造良好的观测条件以削弱外界因素的不良影响，要尽量减少仪器和目标偏心差的影响，必要时可在观测成果上加入仪器竖轴倾斜改正数及测微器读数的行差改正数。

测距较短距离的精密测量，主要用因瓦合金制成的线尺或带尺，配备特制的对中设备和读数显微镜进行。丈量时尺子的拉力要保持恒定，可采用空气轴承的滑轮或刀口支承，要提高读数的精度，可应用读数显微镜或专门的精密机械测微装置，使读数误差减少至微米级。用激光干涉的方法测量距离，其误差和波长为同一数量级。双频激光干涉测长仪，可以测量长至50米左右的距离，其反光镜要沿导轨移动，并可用以精确测定其他尺子的长度。较长的距离宜用精密的光电测距仪测量，测距达2.5公里，测距的相对精度可达10的-8次方数量级。

测高测量高差通常用精密水准仪进行。当视线短至5～10米时，测量高差的精度可以达到 0.05毫米左右。用带有机械测微装置的精密水准器安装设备时，测量相距不到 1.5米的两点高差精度，可以达到0.01毫米左右。用精密的液体静力水准仪测量高差的误差可减少至几个微米。应用电子技术判断水准器气泡居中的精度为0.5"。

标志精密工程测量要在相应的标志上进行。平面标志应能使测量仪器在标志上面精确就位。为此常采用某种强制对中装置。例如球与圆柱孔配合的对中装置，可使仪器在标志上的对中误差小于0.1毫米，精密研磨的轴与轴套匹配的装置，可使对中误差小于0.01毫米。在精密工程测量工作中，要求标志与设备或设备基础精确地、牢固地连接。一项工程要有若干个绝对位置非常稳定的平面和高程基准点，最好用基岩标志作为基准点；在软土地区可用深埋钢管标志作为高程基准点，用倒锤作为平面基准点。倒锤的标志锚固在地表下几十米深处，标志上系一根柔性丝，用浮力把它向上拉紧。丝上任何一点的平面坐标与地下标志的平面坐标完全一致。在较大的施工场地上，通常先设置一系列精密控制点作为放样的依据，以使繁多的部件精确安装在设计位置上。高程控制一般采用水准网。平面控制网可以是测角网、边角网、测边网等。也可以布设三维网，同时测定各点的平面坐标和高程。控制网的形状常受工程形状所制约，例如线形工地上宜布设直伸形网，环形工地上宜布设环形网。精密工程控制网常有较多的多余观测，提供可靠的校核并提高测定待定点坐标和高程的精度（见工程控制测量）。

特点精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。精度这一概念包含的意义很广，分相对精度和绝对精度。相对精度又有两种，一种是一个观测量的精度与该观测量的比值，比值越小，相对精度越高，如边长的相对精度。但比值与观测量及其精度这两个量都有关，同样是1∶1000000，观测量是10m和是10km时，精度分别为0.01mm和10mm，故有可比性较差的缺点;另一种是一点相对于另一点，特别是邻近点的精度，这种相对精度与基准无关，便于比较，但是各种组合太多，如有100个点，每一个点就有99个这样的相对精度。绝对精度也有两种，一是指一个观测量相对于其真值的精度，这一精度指标应用最多。由于真值难求，通常用其最或是值代替。但这一绝对精度指标也有弊病，有时，它也与观测量的大小有关，如长度观测量。另一种是指一点相对于基准点的精度，该精度与基准有关，并且只能在相同基准下比较。

研究主要内容精密工程测量的研究内容主要包括精密工程测量的理论、技术、方法、专用的仪器设备以及测量软件研发等方面。精密工程测量的理论、技术和方法是以大地测量学为基础的。因为所有测量工作都要涉及参考面和线，如地球椭球体、大地水准面、垂线、经纬线、真北方向等。对于工程而言，小范围要求在几何平面上进行设计施工放样，大范围有时要穿过好几个3度带，而且高差也较大，就必须作椭球面向平面的归化计算，作局部大地水准面的精化，以及换带和投影计算。归化、投影等改正计算误差必须小于测量误差。因而，工程基准面和局部坐标系的设计是精密工程测量的重要问题。

工程控制网在许多方面有别于国家大地测量控制网。网的优化设计、精度、可靠性、费用和灵敏度设计计算要求更加精细，如要求采用基于观测值内部可靠性的精密测量控制网模拟法优化设计、观测值多维粗差定位与定值和方差分量估计算法等。一般来说工程控制网的长短边相差悬殊，点之间高差也很大，GPS和地面观测条件都较差（顶空障碍大，受旁折光和垂直折光影响等），这就要求对网作精心布设。同时还涉及GPS边、地面边之间的精度匹配、地面边角测量精度匹配的影响。GPS网、地面边角网以及混合网的布设问题涉及到测距三角高程测量、精密几何水准的选取以及对规范要求的理解等问题。GPS网在很大程度上逐渐取代地面网，对于边长悬殊极大（从几十米到几十千米）的工程控制网，用精密星历解算基线，精度也可达毫米级，但对于许多精密工程来说，不能采用单纯的GPS网、GPS网与地面网、特别是与高精度测边相结合乃是最新的发展方向。在精密工程测量特别是工程变形分析中涉及到数据处理理论和方法的研究。如非线性随机模型的参数估计、非参数估计和半参数估计理论。

对于海量变形监测数据处理，要研究数据挖掘理论与方法，即要从大量的、模糊的和随机的各种数据源中，提取隐含在其中的有用信息和知识。统计分析、模糊数学、人工神经网络、分形几何以及小波理论等是数据挖掘的基础理论。分类、模糊聚类、关联分析、回归分析、时序分析、偏差分析以及预测分析等是数据挖掘的常用方法。其中，分类用于规则描述，并用这种描述来构造模型；模糊聚类是把数据按相似性分成类，发现数据的分布模式以及数据属性间的关系；关联分析是寻找数据中隐藏的关联网、关联规则和相关性；预测分析是利用大量的已有数据通过建模找出变化规律，由此对未来数据及特征进行预测等等。采用人工神经网络技术可用于大坝变形预报，用模糊数学理论处理观测误差，采用模糊聚类分析可对大坝的安全进行评判。

在变形的几何分析和物理解释基础上，要研究变形预报的理论和方法，涉及系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、小波、分形、混沌理论和耗散结构等许多非线性学科变形预报的系统论方法。主要有两种:一种是输入-输出模型法，即把变形体看作是一个具有非线性、耗散性、随机性、外界干扰不确定性等特点的复杂系统，各种外界影响因子为输入，而变形为输出，有回归分析法、时间序列法、卡尔曼滤波法和人工神经网络法等；另一种是动力学方程法，根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动，在对系统受力和变形认识的基础上，用低阶、简化的，在数学上可求解和可分析的模型来模拟变形过程。1

应用在精密工程测量仪器方面，多传感器集成测绘系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、水准仪以及各种专用测量仪器，为精密测绘提供了技术保障。其中，激光扫描仪可对被测对象在不同位置扫描、建模并转换到CAD成图，在土木工程、建筑监测、路桥设计、3维建模、工业设计制造以及GIS数据采集等方面有广阔的应用前景。车载、机载激光扫描测量将成为地面数据采集的主要手段。一种由测量小车、测量机器人、激光测距断面仪、激光扫描仪和轨距、轨道高差、轨道里程传感器组成的高速铁路轨道测量系统是一种典型的多传感器集成测量系统，可实现铁道轨道的自动化测量，轨道限界2维断面测量和隧道3维断面测量其轨距和轨道高差精度可达到0.5mm。由GPS接收机、激光测距仪组成的远程位移测量系统可实现无人值守的远距离遥控遥测遥传实时变形监测，可用于活动性滑坡临滑前的持续监测预报。由各种专用监测仪器、现代大地测量仪器以及空对地观测仪器组成的立体监测系统，可实现对滑坡和各种工程建筑进行持续的自动监测和变形预报。1