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精密工程测量大地测量学与测量工程专业硕士研究生课程30学时任课教师：郭广礼教授课程主要内容1、精密工程测量的概念2、精密工程水平控制网的布设方法和技术要求3、精密工程高程控制网的布设方法和技术要求4、精密工程测量控制点的标志5、精密角度测量等级和技术要求6、精密距离测量方法和技术要求7、精密高程测量等级和技术要求8、精密准直测量方法和技术要求9、精密垂准测量方法和技术要求10、全球定位系统（GPS）精密工程测量简介11、近景摄影精密工程测量简介12、精密工程测量数据处理和管理的要求13、精密工程测量计算的基本参数和公式1概述•精密工程测量的概念•精密工程测量控制网1.1精密工程测量的概念1.1.1定义•工程测量：是指工程建设和自然资源开发各阶段进行的控制测量、地形测绘、施工放样、变形监测等技术。•随着生产力和科学技术的发展，国民经济各部门和各学科对工程测量提出了新的要求。例如：大型射电天文望远镜的安装，超强聚焦的高能粒子加速器的兴建，大型核电站、水利枢纽及大型联合钢铁企业和超高层建筑物的建设。在对这些规模巨大、结构复杂、设备精尖的大型工程和工业建设提供测量保障和质量控制的过程中，经典的测量已不敷使用。人们首先致力于传统方法的改进，进而针对特殊需要进行专用仪器和设备的研制，从而逐渐形成了精密工程测量的内容和体系，使精密工程测量应运而生并得以迅速发展。•定义：精密工程测量是工程测量的现代发展和延伸，它以绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到1×10-5，以先进的测量方法、仪器和设备，在特殊条件下进行的测量工作。1.1精密工程测量的概念精密工程测量是将现代大地测量学和计量学等多科学最新成就结合起来，运用现代测绘技术新理论、新方法和新技术，使用大地测量或专用的仪器和设备，以高精度与高科技的方法采集数据，进行数据处理，以高质量的数据和图像资料而进行有效的质量控制的精密和特殊测量工作。二十世纪六、七十年代以来，由于电子技术、激光技术、电子计算机科学和空间技术的发展，又极大地推动了精密工程测量的发展。伴随着21世纪信息化和高技术的发展与应用，可以预见精密工程测量技术将进一步向自动化、智能化、实时化和系统化方向发展；其服务领域将是国民经济各部门。精密工程测量包括各种大型特种工程测量、三维工业测量、大型设备安装、检测和质量控制测量等等。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。整个学科的二级学科可作如下划分：•大地测量学(包括天文、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)；精密工程测量是工程测量的现代发展和延伸。•摄影测量与遥感学；•地图制图学与地理信息工程；•不动产地籍、房产与土地整理测量。工程测量学的分类•按工程建设阶段划分：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。•按行业划分：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、三维工业测量。•德国的工程测量学分类：测量仪器和方法；线路、铁路、公路建设测量；高层建筑测量；地下建筑测量；安全监测；机器和设备测量。国际测量师联合会的分类：FIG第六委员会称作工程测量委员会，下设6个工作组：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：工程和工业中的特殊测量仪器；工程测量标准。•按服务对象分类：以工程建筑为对象的工程测量，以设备与机器安装为对象的工业测量。•按学科分类普通工程测量，精密工程测量。精密工程测量的应用领域•各种大型特种工程测量•变形观测：•三维工业测量•大型设备安装、检测•质量控制测量•在军事领域的应用大型特种精密工程建设对工程测量提出了极高的精度、速度和可靠性要求，精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，是现代工程测量发展的源动力。1.1.2精密工程测量控制网•平面坐标系统：采用高斯-克吕格投影任意带（或3°带）平面直角坐标系统，以测区平均高程面或主体设备高程面（或抵偿高程面）为投影面。在工程设计基准下，可选用国家控制网中一个点的坐标及一条边的方位角作为精密工程控制网的起算数据。•高程系统：采用正常高系统和1985国家高程基准。当工程区域内同一水准面上各点的正常高差大于工程容许误差时，应采用区域力高系统。高程基准点须测定重力，相对于起始重力点的中误差不得超过±1mGal。•以相邻点相对点位中误差或在特定方向上的相对位置精度作为精度指标，划分为一、二、三、四级。•一、二级精密工程测量应在可控观测条件下作业;三、四级精密工程测量应选择最佳的野外条件作业。•同一工程中不同的观测项目，可选用不同的精度指标。同类观测项目中若有不同精度要求的控制点，应选择最高精度指标布设统一的控制网。1.1.3精密工程测量的等级1.2精密工程测量应用中应注意的问题•（1）精密工程测量技术应与工程总体设计协调统一。•（2）精密工程放样和设备构件的安装定位，以精密工程测量控制点为基础。•（3）精密工程建（构）筑物的变形测量。•（4）精密工程测量使用的各种测量杆尺、线尺、测距仪、水准标尺，应送具有计量认证资质的检验机构进行检定。•（5）工程建设各阶段的精密工程测量工作结束后，应及时提交成果，进行检查验收并编写工程测量技术总结和竣工报告。•（6）精密工程测量工作，在满足工程建设要求的原则下，优先采用成熟的测量新技术和数据处理方法进行。1.3精密工程测量的新进展•精密工程测量的应用领域扩展精密工程测量的应用领域涉及国民经济各部门。当代科学技术的进步，社会生产力的不断提高，尤其是国民经济和国防建设的需要，极大地丰实了精密工程测量的内容，拓展了其服务领域。1)轧钢厂厚板的切割：根据现场情况，采用两台(或多台)CCD相机获取整块钢板的图象，并经过图象采集卡将图象数字化，由计算机进行预处理，完成边缘提取、人工标记的自动识别，从而得到钢板的长宽尺寸，再通过计算机将所需切割钢板的尺寸和图样输入自动化控制系统，在CCD相机“监视下”进行切割，不仅提高了生产效率和产品质量，而且可以得到人们所需的形状各异、尺寸不一的理想板材。2)码头集装箱管理：随着世界经济全球化的进程，通商口岸的物流量日益增长，传统的集装箱管理模式已不能胜任。为了能快捷准确地提取所需的物件，将所有跨式起重机均装上GPS接收机，通过UHF和VHF天线与参考控制中心进行通讯，每个集装箱放入箱位后，其位置、重量、大小自动送入中央集装箱管理系统。跨式起重机可以通过这些信息，随时确定某个箱体的确切位置，提高了港口货物吞吐量和经济效益。1.3精密工程测量的新进展•精密工程测量的应用领域扩展3)高层建筑的风振测量：城市高层和超高层建筑具有越来越高的趋势，由于其楼体高、荷载大、基础面积小和重心高等特点，对风振、日照和地震等外界应力非常敏感，因此风振测量受到人们的日益重视。在风振测量的诸多内容中，建筑物顶部位移量和自振周期及振型测量是其主要内容，传统的测试方法如加速度计法、激光位移计法、全站仪测试法和长、短周期拾振器，皆因其测量误差较大、安装不便(加速度计法)、气流湍流影响基准线(激光法)，作业环境恶劣(全站仪)和不具备动态测量的特点，难以取得令人满意的结果。随着GPS技术的深入，在RTK模式下，将一台GPS接收机安装在距待测建筑物不远且相对稳定的地基上作为基准站，而另一台GPS接收机安装在待测建筑物楼顶作为流动站，可以动态监测高层建筑物的顶部位移和振动频率。实例表明，其量测精度为±5mm，可测定0.1～10HZ的振动频率，为设计部门提供了可靠的设计参数。1.3精密工程测量的新进展4)减灾防灾的监测：各种自然灾害特别是地震、火山喷发、洪涝、强热带风暴、滑坡岩崩、海啸和厄尔尼诺等气候异常，经常给人类带来巨大的破坏和损失，因此参与地球动力学和地震学的考察和试验以及对地震断层、滑坡岩崩、火山监测是特种精密工程测量永久课题。1998年七、八月间，长江发生了继1954年以来又一次全流域性的特大洪水，在“严防死守、确保大武汉”战斗中，测绘工作者采用特种精密工程测量，在重中之重的3公里险段堤防上布设数十个观测基点，动用GPS、全站仪和精密水准仪进行24小时不间断的立体监测，精度达毫米级，随时向市防总提供有关数据和大堤的状态，改变了先前以水位高低为依据，制定抢险计划的惯例，取消了原计划中的沿江修筑子堤的方案，节约了大量宝贵的人力、物力资源，取得了明显的社会效益。“万里长江、险在荆江”，在武汉和荆江上游的葛州坝、丹江口等水利枢纽，通过对大坝监测资料的分析，确认大坝在拦截高于设计水头的洪水时，坝基稳定、坝体及坝顶位移正常的情况下，两次拦截上游洪峰达数小时之久，成功地削减了第七次第八次洪峰的流量，为荆江大堤及武汉的安全渡汛发挥了重要作用。1.3精密工程测量的新进展6)特种精密工程测量在军事领域的应用：为战略导弹落弹点提供精确的地理坐标和形态，为空间技术提供空间站与宇宙飞船对接的信息，大型军用抛物柱面天线的标校，战舰、隐形飞机、航空器等现代武器的设计等，从美伊海湾战争就可对测量保障对现代战争的作用窥其一斑。此外，特种精密工程测量在为病损工程提供能否继续运行或停运检修的信息，大型建构筑物的变形观测，工业设备安装和运行中的检校，工程质量施工监理，考古及文物保护工程，工程与工业建设中的数据库建设及多媒体等国民经济各部门将发挥日益重要的作用。精密工程测量仪器的发展精密工程测量仪器包括：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。1)全站仪测量系统(TMS)2)实时摄影测量系统3)精密三维工业测量系统4)全球卫星定位系统(GPS)5)合成孔径雷达干涉系统(INSAR)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。五、精密工程测量仪器的发展专用仪器是精密工程测量学仪器发展最活跃的。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。准直、垂准测量方面：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。距离测量方面：精密激光测距仪的中长距离测量精度可达亚毫米级；许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，如铟瓦线尺测距仪、应变仪、石英伸缩仪、各种光学应变计、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0.01μm的计量精度；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。五、精密工程测量仪器的发展高程测量方面：液体静力水准测量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。与高程测量有关的倾斜测量(又称挠度曲线测量)：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：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。大型特种精密工程测量案例介绍隔河岩大坝：外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统，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±1.5mm。北京正负电子对撞机：精密控制网精度