【测绘】工程测量学在测绘学中的定位和研究应用领域

第一章绪论1.1工程测量学在测绘学中的定位和研究应用领域1.1.1学科定义定义一：工程测量学是研究各种工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。各种工程包括：工业建设、城市建设、交通工程（铁路、公路、机场、车站、桥梁、隧道）、水利电力工程（河川枢纽、大坝、船闸、电站、渠道）、地下工程、管线工程（高压输电线、输油送气管道）、矿山工程等。一般的工程建设分为规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。工程测量主要包括这三阶段所进行的各种测量工作。定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段所进行的地形和有关信息的采集和处理，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科，它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、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。它主要以建筑工程和机器设备为研究服务对象。具体几何实体指一切被测对象，包括存在（或已建成）的各项工程及其与工程有关的目标，抽象几何实体指一切设计的但倘未实现的、未建成的各项工程。定义一比较大众化，易于理解。定义二较定义一更具体、准确，且范围更大。定义三更加概括、抽象和科学。定义二、三除建筑工程外，机器设备乃至其它几何实体都是工程测量学的研究对象，且都上升到了理论、方法和技术，强调工程测量学所研究的是与几何实体相联系的测量、测设的理论、方法和技术，而不是研究各种测量工作。总的来说，工程测量学主要包括以工程建筑为对象的工程测量和以机器设备为对象的工业测量两大部分，主要任务是为各种服务对象提供测绘保障，满足它们所提出的各种要求，可分为普通工程测量和精密工程测量，精密工程测量代表工程测量学的发展方向，大型特种精密工程是促进工程测量学科发展的动力。1.1.2学科地位测绘学或称测绘科学和技术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，与其它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，测绘学的二级学科仍应作如下划分：·大地测量学（包括天文大地测量、几何大地测量、物理大地测量、空间大地测量、卫星大地测量和海洋大地测量等）；·工程测量学（含矿山测量，国际上，许多矿山测量工作者认为他们所从事的工作与工程测量不同，应从工程测量中分离出来，并成立了矿山测量协会。但矿山测量是工程测量的分支。）·摄影测量学与遥感；·地图制图学；·不动产测绘(或称地籍测绘)，与工程测量并无多大差别，但在法律上有特殊意义。值得说明的是，随着社会的发展、科技的进步，教育不断改革，目前我国测绘本科只有“测绘工程”一个专业，且有60余所高校设有此专业，这对宽口径培养人才无疑很有好处，但从就业角度来说，还需要将其二级学科作为专业方向进行培养，在这60余所高校中，大多数是以工程测量学这一学科方向为主。1.1.3研究应用领域如上所述，国内一般把与工程建设有关的工程测量按规划设计、施工建设和运营管理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路工程测量（铁路、公路和管线等）、水利工程测量、桥梁工程测量、隧道工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、三维工业测量等，几乎每一行业的工程测量都有相应的著书或教材。由Hennecke、Mueller、Werner三个德国人所编著的德文工程测量学原著，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、公路工程测量·高层建筑测量·地下建筑测量·安全监测由于工程测量的研究应用领域非常广泛，发展变化也很快，因此编写一本能反映整个学科全貌和个别工程特点的教科书十分困难。目前国内外尚没有一本全面涉及工程测量学理论、方法、技术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，开始，它下设四个工作组：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。后来，变成了六个工作组和两个专题组。六个工作组分别是：·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。两个专题组分别是：·工程和工业中的特殊测量仪器；·工程测量标准。现在，又有一些改变。德国、瑞士、奥地利三个德语语系国家自20世纪50年代发起组织了一个每隔3～4年举行一次的“工程测量国际学术讨论会”，到2004年已有14届了，每一届都有几个与当时发展有关的专题，如1988年前的专题有：·测量仪器和数据获取；·数据解释、处理和应用；·高层建筑物和设备安装测量；·地下和深层建筑物测量；·环境和工程建筑物变形监测。1992年的专题是：·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。2004年的专题是：·大型工程测量项目；·测量和数据处理技术；·监测和风险管理；·瑞士阿尔卑斯山特长隧道。中国测绘学会下设有工程测量分会，每两年举办一次全国性的学术会议，会议内容和主题根据当时的情况确定。各省的测绘学会，下设有工程测量专业委员会，开展经常性的活动。从以上可见，工程测量学研究专题很多、应用领域很广，涉及到建筑工程和工业中的大型工程项目，既要研究测量的理论、技术与方法，又要研究数据的获取、处理与应用，既有测量仪器研制，又有信息系统的建立，和既有相对的稳定性，又有不断的发展变化，与时俱进。1.2工程测量学的内容1.2.1按工程建设阶段划分工程测量按工程建设的规划设计、施工建设和运营管理三个阶段分为“工程勘测”、“施工测量”和“安全监测”，这三个阶段对测绘工作有不同的要求，现简述如下。（1）工程建设规划设计阶段的测量工作。每项工程建设都必须按照自然条件和预期目的进行规划设计。在这个阶段中的测量工作，主要是提供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质勘探，水文地质勘探以及水文测验等进行测量。对于重要的工程（例如某些大型特种工程）或在地质条件不良的地区（例如膨胀土地区）进行建设，则还要对地层的稳定性进行观测。（2）工程建设施工阶段的测量工作。每项工程建设的设计经过讨论、审查和批准之后，即进入施工阶段。这时，首先要将所设计的工程建筑物，按照施工的要求在现场标定出来（即所谓定线放样），作为实地修建的依据。为此，要根据工地的地形、工程的性质以及施工的组织与计划等，建立不同形式的施工控制网，作为定线放样的基础。然后再按照施工的需要，采用各种不同的放样方法，将图纸上所设计的内容转移到实地。此外，还要进行施工质量控制，这里主要是几何尺寸如高层建筑物的竖直度，地下工程的断面等的监控。为监测工程进度，还要进行开挖与建筑方量测绘，以及工程竣工测量、变形观测以及设备的安装测量等。（3）工程建设运营管理阶段的测量工作。在运营期间，为了监视工程建筑物安全情况，了解设计是否合理，验证设计理论是否正确，需要对工程建筑物的水平位移、沉陷、倾斜以及摆动等进行定期或持续的监测。这些工作，就是通常所说的变形观测。对于大型的工业设备，还要进行经常性的检测和调校，以保证其按设计安全运行。为了对工程进行有效的管理、维护，为了日后扩展的需要，还应建立工程信息系统。1.2.2按服务对象划分工程测量学按所服务的对象分为建筑工程测量、水利工程测量、线路工程测量、桥隧工程测量、地下工程的测量、海洋工程测量、军事工程测量、三维工业测量，以及矿山测量、城市测量等。各项服务对象的测量工作，各有特点与要求(个性)，但从其测量的基本理论技术与方法来看，又有很多共同之处(共性)。学习时，我们要注意特殊和一般，个性与共性的关系。学习完工程测量学后，对于上述任一种工程测量都能理解和掌握。工程测量学的主要内容包括：模拟或数字的地形资料的获取与表达；工程控制测量及数据处理；建筑物的施工放样；大型精密设备的安装和调试测量；工业生产过程的质量检测和控制；工程变形及与工程有关的各种灾害的监测分析与预报；工程测量专用仪器的研制与应用；工程信息系统的建立与应用等。现将上述内容归纳为以下几个方面。1）工程测量中的地形图测绘在工程规划设计中所用的地形图一般比例尺较小，根据工程的规模可直接使用1:1万至1:10万比例尺的国家基本地形图。对于一些大型工程，往往还需要专门测绘1：2000到1：5000比例尺的区域性或带状性地形图，一般采用航空摄影测量的模拟法、解析法或全数字化法测图。而对于一般工程的地形图测绘，则大多采用地面测量方法用模拟的白纸成图或数字化机助成图法。在施工建设和运营管理阶段，往往需要用数字成图法测绘1:1000，1:500乃至更大比例尺的地形图或专题图。工程测量中的地形测绘还包括水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各种纵横断面图测绘。各种比例尺的地形图是工程信息系统的基础地理信息。城市1:500或1:1000的基本地形图和城乡地籍图测绘属于国家基本测绘范畴，虽然与工程测量的关系密切，但不属于工程测量学的内容。2）工程控制网布设及优化设计工程控制网分为测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网，它们不同于国家基本网和城市等级网。在选点、埋标、观测方案设计、质量控制、平差计算、精度分析以及其它与之相关的数据处理等方面都具有自身的鲜明特色。目前，除特高精度的工程专用网和设备安装控制网外，绝大多数首级工程控制网都可采用GPS定位技术来建立。如何将现代卫星测量技术与地面测量技术相互结合、取长补短显得非常重要。无加密控制网的控制测量将走进工程测量领域。对于各种精密工程中的施工控制网、变形监测网以及安装控制网，都应该或者说都必须进行网的优化设计。优化设计涉及到坐标系确定，基准选择，仪器与方法选取，网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用等质量准则问题。3）施工放样技术和方法将设计的抽象的几何实体放样（或称测设）到实地上去，成为具体几何实体所采用的测量方法和技术称为施工放样，机器和设备的安装也是一种放样。放样可归纳为点、线、面、体的放样。点放样是基础，施样点必须满足特定的条件：如在一条给定的直线或曲线上，在已知曲面上且空间形状符合设计要求。放样与测量的原理相同，使用的仪器和方法也相同，只是目的不一样。一般采用方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、极坐标法、坐标法、偏角法、偏距法、投点法等。除常规的光学、电子经纬仪、水准仪、全站仪外，GPS技术亦可用于工程的施工放样、施工机械导航定位和建筑物构件的安装定位。机器设备的安装往往需要达到计量级精度，为此，往往需要研究专门的测量方法和研制专用的测量仪器和工具。施工放样的工作量很大，因此，施工放样一体化、自动化显得特别重要。4）工程的变形监测分析和预报工程建筑物的变形及与工程有关的灾害监测、分析和预报是工程测量学的重要研究内容。变形分析和预报都需要对变形观测数据进行处理外，还涉及到工程、地质、水文、应用数学、系统论和控制论等学科，属于多学科的交叉领域。变形监测网的布设和优化设计较之其它工程控制网更加丰富多彩：网的精度是愈高愈好，需要具有更高的可靠性和灵敏度；应针对精度、可靠性以及灵敏度作网的优化设计计算；还要确定所使用的仪器、网的等级、观测周期和观测时间等。变形监测几乎包括了全部的工程测量技术，除常规的仪器和方法外，大量地使用各种传感器和专用仪器。变形观测数据处理，首先是对监测网周期观测值的处理。其中，参考点稳定性分析，目标点位移量计算、变形模型的建立、检验以及参数估计是变形几何分析的重要内容。其次是对目标点上的时间序列进行数据处理，包括多元线性回归分析、时间序列分析等方法。对周期性变形还可采用时间序列频谱分析法，对变形体的动态变化可用状态方程与观测方程描述和递推的卡尔曼滤波法。上述数据处理方法建立在大量变形观测值基础之上，属于统计分析法。另一