淺析工程測(cè)量的理論方法及技術(shù)應(yīng)用
2013-03-29 來(lái)源：中國(guó)鳴網(wǎng)
引言
工程測(cè)量技術(shù)是服務(wù)于工程建設(shè)的一種測(cè)繪技術(shù), 它的發(fā)展與測(cè)繪科學(xué)技術(shù)和工程建設(shè)的發(fā)展密切相關(guān)。在所有的工程建設(shè)中,工程測(cè)量是一項(xiàng)極為重要的基礎(chǔ)性工作,在整個(gè)工程的建設(shè)中占有重要的地位,它對(duì)工程的設(shè)計(jì)以及施工都是有直接性的影響,測(cè)量施工出現(xiàn)失誤,就可能會(huì)造成整個(gè)工程施工的失誤,進(jìn)而影響整個(gè)工程的質(zhì)量。
一、工程測(cè)量的定義及分類(lèi)
在工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工和管理各階段中進(jìn)行測(cè)量工作的理論、方法和技術(shù)，稱(chēng)為工程測(cè)量。工程測(cè)量是測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的直接應(yīng)用，是綜合性的應(yīng)用測(cè)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(guó)防等各種工程建設(shè)部門(mén)。
1、按照工程建設(shè)的進(jìn)行程序分類(lèi)
按工程建設(shè)的進(jìn)行程序，工程測(cè)量可分為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的測(cè)量，施工興建階段的測(cè)量和竣工后的運(yùn)營(yíng)管理階段的測(cè)量。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的測(cè)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(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行地面測(cè)圖或航空攝影測(cè)量;施工興建階段的測(cè)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)。
2、按照工程測(cè)量所服務(wù)的工程種類(lèi)分類(lèi)
按工程測(cè)量所服務(wù)的工程種類(lèi)，也可分為建筑工程測(cè)量、線路測(cè)量、橋梁與隧道測(cè)量、礦山測(cè)量、城市測(cè)量和水利工程測(cè)量等。此外，還將用于大型設(shè)備的高精度定位和變形觀測(cè)稱(chēng)為高精度工程測(cè)量;將攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)稱(chēng)為工程攝影測(cè)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(cè)量系統(tǒng)稱(chēng)為3維工業(yè)測(cè)量。
二、工程測(cè)量中方法分析
1、測(cè)量平差理論
最小二乘法廣泛應(yīng)用于測(cè)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(chēng)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(cè)量誤差理論主要表現(xiàn)在對(duì)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(duì)參數(shù)估計(jì)的影響，對(duì)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(cè)方案設(shè)計(jì)的關(guān)系。由于變形監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)網(wǎng)變形和觀測(cè)值粗差的可區(qū)分性理論的研究和發(fā)展。
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。由于采用GPS定位技術(shù)和電磁波測(cè)距，網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測(cè)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(zhuān)門(mén)編寫(xiě)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）?？煽啃园總€(gè)觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量（內(nèi)部可靠性）和某一觀測(cè)值的粗差界限值對(duì)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(cè)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(guò)改變觀測(cè)值的精度或改變觀測(cè)方案（增加或減少觀測(cè)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。
3、變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理
3.1變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的幾種典型方法
根據(jù)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制變形過(guò)程曲線是一種最簡(jiǎn)單而有效的數(shù)據(jù)處理方法，由過(guò)程曲線可作趨勢(shì)分析。如果將變形觀測(cè)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(zhǎng)的一致性好的多組時(shí)間序列數(shù)據(jù)。
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(cè)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(cè)網(wǎng)的參考網(wǎng)、相對(duì)網(wǎng)在周期觀測(cè)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。
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(kāi)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(duì)初始狀態(tài)的敏感性和系統(tǒng)長(zhǎng)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。
三、工程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用分析
1、工程控制測(cè)量
工程控制測(cè)量是各種工程測(cè)量的基礎(chǔ)和基準(zhǔn)?，F(xiàn)代空間定位技術(shù)特別是GPS的發(fā)展,提供了一種嶄新的控制測(cè)量技術(shù)手段,使工程平面控制測(cè)量發(fā)生了革命性的變革。傳統(tǒng)的三角測(cè)量、三邊測(cè)量、邊角測(cè)量以及導(dǎo)線測(cè)量建立高等級(jí)控制測(cè)量的方法已被GPS測(cè)量所替代。全站儀的發(fā)展提高了測(cè)角和測(cè)距的精度,目前全站儀測(cè)角精度達(dá)到0.5s,測(cè)距精度達(dá)到±（0.5 mm+1×10-6D）,同時(shí)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。自動(dòng)全站儀能自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和精確照準(zhǔn)目標(biāo),因此大大簡(jiǎn)化了儀器的觀測(cè)操作,在工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。
2、施工放樣測(cè)量
隨著大型工程建設(shè)的規(guī)模增大、工程結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜和機(jī)械化施工,加大了施工放樣的難度。目前,全站儀在施工放樣測(cè)量中發(fā)揮了極大的作用,放樣方法主要采用全站儀坐標(biāo)法放樣。在線路曲線放樣中,按測(cè)量坐標(biāo)系計(jì)算曲線點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo),在測(cè)量控制點(diǎn)上由全站儀直接放樣曲線點(diǎn),簡(jiǎn)化了線路曲線放樣操作。
在道路施工、管線架設(shè)中,除采用全站儀進(jìn)行樁點(diǎn)放樣外,利用GPSRTK技術(shù)直接放樣點(diǎn)位也已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在橋梁、港口工程施工中,水面上樁位測(cè)量也采用GPSRTK技術(shù),在打樁船上安置兩臺(tái)GPSRTK接收機(jī)和打樁機(jī)樁位構(gòu)成固定的幾何關(guān)系,實(shí)時(shí)測(cè)定打樁船的位置和方位進(jìn)行樁位樣。全站儀的自動(dòng)跟蹤和遙測(cè)操作功能給施工的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量創(chuàng)造了條件。
3、工業(yè)測(cè)量
工業(yè)測(cè)量方法主要有:兩臺(tái)或多臺(tái)高精度電子經(jīng)緯儀的空間前方交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)、單臺(tái)高精度全站儀（包括激光跟蹤儀）的極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)、采用數(shù)字量測(cè)相機(jī)的工業(yè)近景攝影測(cè)量系統(tǒng),及用于直線測(cè)量的激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)和用于水平面測(cè)量的靜力連通管高程測(cè)量系統(tǒng)。
攝影測(cè)量裝置的激光跟蹤儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng),由LTD500和T-Cam構(gòu)成主機(jī),配合T-Probe測(cè)量裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)通過(guò)攝影測(cè)量裝置可確定測(cè)量裝置的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角,即可得到測(cè)量裝置下部觸針端點(diǎn)的精確位置,給測(cè)量帶來(lái)很大的方便。工業(yè)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)采用兩臺(tái)高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對(duì)被測(cè)物體同時(shí)攝影,工業(yè)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)主要用于復(fù)雜形狀測(cè)量,特別適用于動(dòng)態(tài)物體的快速坐標(biāo)測(cè)量。工業(yè)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度一般在1/10萬(wàn)左右。
激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)可分為激光束準(zhǔn)直和波帶板激光準(zhǔn)直,前者受激光束漂移的影響,準(zhǔn)直距離一般在10m范圍內(nèi),準(zhǔn)直精度一般為1/10萬(wàn)左右。后者采用3點(diǎn)測(cè)量方法,削弱了激光束漂移的影響,準(zhǔn)直精度可達(dá)1/100萬(wàn)左右。激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)器采用CCD和PSD光電位置傳感器,提高了探測(cè)的采樣率和靈敏度。
四、結(jié)束語(yǔ)
工程技術(shù)的發(fā)展對(duì)測(cè)量工作不斷的提出新的要求，特別是全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、攝影測(cè)量與遙感（RS）以及數(shù)字化測(cè)繪和地面測(cè)量先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使工程測(cè)量的手段、方法和理論產(chǎn)生了深刻的變化。工程測(cè)量的領(lǐng)域在進(jìn)一步擴(kuò)展，而且正朝著測(cè)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。
