工程测量学的发展简介-论文说明书

工程测量学的发展简介摘要：随着科技的日新月异，工程测量学在国民经济与国防建设中的核心地位愈发凸显。无论是工程的初步勘探、精心设计、紧张施工，还是最终竣工验收及后续维护保养，测量工作均扮演着不可或缺的角色，且往往需作为各项工程的首要步骤先行展开。本文旨在依托工程测量学的当前进展与成就，从测量理论的深化、测量设备的迭代升级，以及对工程测量技术应用前景的展望三个维度，为读者勾勒出一幅工程测量领域的生动图景。通过这些探讨，我们不仅能够增进对测量工作的理解，还能洞察其在推动工程项目顺利进行中的关键作用，进一步认识到工程测量学在现代社会发展中的不可替代性。关键词：工程测量；发展；技术1．引言工程测量学专注于探索地球空间内具体及抽象几何实体的测量、描绘与实现的理论、技术和方法，是一门应用广泛的学科。其核心研究对象涵盖了建筑工程、机械设备等领域。同样历史悠久的测绘科学与技术（测绘学），作为一级学科，不断经历着现代化的发展。无论该学科如何拓展服务范围、如何与其他学科交叉融合、如何经历综合与细分，甚至学科名称如何变化，其本质特征和核心要点始终如一。测绘学在技术应用和学科内涵上持续改进、拓展和创新，始终保持着其独特的学科价值和意义[1]。2．工程测量理论方法的发展工程测量学，作为一门至关重要的应用学科，其研究领域广泛且深入，为各类工程建设提供了坚实的测绘保障。在工程测量学的广阔天地中，我们可以从不同角度和维度来审视其丰富的内涵和广泛的应用领域[2]。在工程测量的应用领域上，国内通常将其划分为勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段。这种划分方式有助于我们清晰地理解工程测量在工程建设全生命周期中的重要作用。勘测设计阶段，工程测量为工程师们提供了精确的地形地貌数据，为工程设计提供了科学依据；施工建设阶段，工程测量则确保了工程建设的精度和质量，保障了工程的安全和稳定；运行管理阶段，工程测量则用于监测工程的变形和沉降，为工程的维护和保养提供了数据支持。此外，工程测量学还可以按照行业进行划分，如线路工程测量（包括铁路、公路等）、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、军事工程测量以及三维工业测量等。这种划分方式有助于我们更深入地了解工程测量在不同行业中的具体应用和技术特点。例如，在建筑工程测量中，我们需要关注建筑物的定位、放线、高程控制以及变形监测等方面；而在海洋工程测量中，我们则需要关注海洋地形地貌的测量、海底管道的铺设以及海洋资源的勘探等方面。工程测量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，它又可以进一步划分为普通工程测量和精密工程测量。普通工程测量主要用于满足一般工程建设的需要，如建筑物的定位、放线以及高程控制等；而精密工程测量则用于满足高精度工程建设的需要，如大型桥梁、隧道、核电站以及精密机械设备等[3-5]。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。这一任务不仅要求我们具备扎实的测绘理论基础和熟练的操作技能，还要求我们能够紧跟时代步伐，不断学习和掌握新的测绘技术和方法。随着科技的不断发展，工程测量技术也在不断更新换代，从传统的光学测量仪器到现代的激光测距仪、全站仪、GPS定位系统等，这些新技术和新方法的出现极大地提高了工程测量的精度和效率。在国际上，工程测量学同样受到了广泛的关注和重视。国际测量师联合会（FIG）的第六委员会被称作工程测量委员会，它下设了多个工作组和专题组，致力于推动工程测量技术的创新和发展。这些工作组和专题组涵盖了测量方法和限差、土石方计算、变形测量、地下工程测量等多个领域，为工程测量学的深入研究提供了有力的支持。此外，一些国家和地区还定期举办工程测量国际学术讨论会，如德国、瑞士、奥地利等德语语系国家自50年代起就发起组织每3~4年举行一次的“工程测量国际学术讨论会”[7]。这些讨论会不仅促进了各国学者之间的交流和合作，还推动了工程测量技术的创新和发展。在这些讨论会上，学者们通常会围绕一些热点和难点问题进行深入探讨和研究，如测量理论与测量方案、测量技术和测量系统、信息系统和CAD等。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。这种变化既体现在工程测量技术的不断更新换代上，也体现在工程测量应用领域的不断拓展和深化上。随着科技的不断进步和工程建设的不断发展，工程测量学将继续发挥着越来越重要的作用。精密工程测量作为工程测量学的发展方向之一，代表了工程测量技术的最高水平。大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力之一。这些工程的建设不仅要求我们具备高超的测绘技术和方法，还要求我们能够不断创新和突破，为工程建设提供更加精确和可靠的测绘保障。总之，工程测量学是一门充满挑战和机遇的学科。在未来的发展中，我们将继续加强测绘技术的研究和创新，推动工程测量技术的不断进步和升级。同时，我们也将积极拓展工程测量学的应用领域和服务范围，为各类工程建设提供更加全面和优质的测绘保障。工程测量技术的飞跃发展，离不开其核心——测量仪器的革新与进步。这些仪器，无论是通用型还是专用型，都在不断地推动着工程测量向更高精度、更强自动化和更广泛应用领域的迈进[8]。在通用仪器的范畴内，传统的光学经纬仪、光学水准仪以及电磁波测距仪正逐渐淡出历史舞台，取而代之的是电子全测仪和电子水准仪。这些新型仪器不仅提高了测量的精度和效率，还通过内置电脑的强大计算能力，配合多样化的软件应用，实现了测量数据的即时处理与分析。特别是电脑型全站仪，其全能型与智能化的设计，使得测量工作更加便捷高效。当结合电动马达驱动、程序控制、激光技术、通讯技术以及CCD（电荷耦合器件）技术后，全站仪更是进化为测景机器人，能够自动寻找并精确照准目标，以惊人的速度（每秒即可完成一目标点的观测）对成百上千个目标进行持续和重复的观测。这一特性使其在变形监测和施工测量等领域大放异彩。与此同时，GPS（全球定位系统）接收机的广泛应用，为工程测量带来了革命性的变革。作为一种通用的定位仪器，GPS接收机不仅能够提供精确的空间位置信息，还能与电子全站仪或测量机器人相结合，形成超全站仪或超测量机器人，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融合，实现了无控制网环境下的各种工程测量任务，极大地拓展了工程测量的应用范围[9]。而在专用仪器方面，工程测量学的发展尤为活跃，这些仪器主要服务于精密工程测量领域。它们涵盖了机械式、光电式以及光机电一体化的测量系统，具有高精度、自动化、遥测和持续观测的特点。例如，用于建立水平或竖直基准线或基准面的仪器，如正、倒锤与垂线观测仪、金属丝引张线以及各种激光准直仪、铅直仪、自准直仪等，它们能够测量目标点相对于基准线或基准面的偏距（垂距），即基准线测量或准直测量。在距离测量方面，从数十米至数公里的中长距离测量，到数米至数十米的短距离测量，再到毫米至数米的微距离测量，都有相应的精密测量仪器。如精密激光测距仪、双频激光测距仪等，中长距离测量精度可达亚毫米级。而短距离和微距离测量则实现了数据采集的自动化，如铟瓦线尺测距仪、应变仪、石英伸缩仪、光学应变计以及位移与振动激光快速遥测仪等，它们使得距离测量的精度从毫米、微米级提升到了纳米级，为工程测量的精细化和准确化提供了强有力的支撑。此外，随着计算机技术的不断发展，数学扭曲法或蒙特卡洛法等优化方法在工程测量中也得到了广泛应用。这些方法能够通过模拟观测值进行网的平差计算，模拟观测值粗差并计算对结果的影响，从而获得一个相对较优且切实可行的测量方案。对于精度、可靠性和灵敏度要求极高的监测网或精密控制网来说，进行这样的优化设计和精细计算是至关重要的。然而，国内在这方面的应用报道相对较少，往往为了安全起见，建网时会有较大的质量富余，导致建网费用偏高。但实际上，网优化设计的费用相对较少，但所带来的效益却是巨大的。因此，对于较重要的工程控制网来说，进行优化设计是十分必要的。综上所述，工程测量仪器的发展是推动工程测量技术进步的关键所在。无论是通用仪器还是专用仪器，都在不断地向着高精度、强自动化和广泛应用领域迈进。同时，数学优化方法的引入也为工程测量带来了新的思路和解决方案。未来，随着科技的不断进步和创新，我们有理由相信工程测量技术将会迎来更加辉煌的明天。在工程测量领域，测量平差理论占据着举足轻重的地位，其中最小二乘法作为核心方法，广泛应用于各类测量数据的平差处理中。最小二乘配置不仅涵盖了传统的平差技术，还扩展到了滤波与推估领域，形成了一个综合性的数据处理框架。特别地，当平差模型附加了特定的限制条件时，便形成了概括平差模型，这一模型具有高度的统一性，能够涵盖经典与现代的各种平差方法，为测量数据的精确处理提供了强有力的理论支持。测量误差理论是测量平差不可或缺的一部分，它主要聚焦于模型误差的深入研究。这包括函数模型误差与随机模型误差的鉴别与诊断，以及这些误差对参数估计、参数统计性质和残差统计性质的影响。此外，病态方程与控制网设计及其观测方案之间的关联也是研究的重要方向。在实际应用中，特别是在变形监测网的参考点稳定性检验中，自由网平差与拟稳平差方法的出现与发展，正是对测量误差理论深入探索的直接体现。观测值粗差的研究同样对测量平差理论产生了深远影响[10-11]。它不仅推动了控制网可靠性理论的发展，还促进了变形监测网中变形与观测值粗差的可区分性理论的研究。这些研究不仅提高了测量数据的准确性，还为工程测量的实际应用提供了更为可靠的保障。在工程控制网优化设计方面，解析法与模拟法是两种主要的方法。解析法基于优化设计理论，通过构建目标函数和约束条件，求解目标函数的极大值或极小值，以实现网的质量指标的最优化。而模拟法则更加注重实际操作与模拟分析的结合，通过数字化扫描地图资料、在图上选点布网、获取网点近似坐标等步骤，进一步模拟观测值并计算网的各种质量指标，如精度、可靠性和灵敏度等。这两种方法各有千秋，共同推动了工程控制网优化设计理论与方法的发展。变形观测数据处理是工程测量学的重要研究内容之一，它涉及到工程建筑物及其相关变形的监测、分析与预报。变形分析和预报不仅依赖于变形观测数据的处理，还涉及多学科知识的交叉融合。在变形观测数据处理方面，绘制变形过程曲线是一种直观而有效的方法，它能够帮助我们进行趋势分析，预测未来的变形趋势。此外，将变形观测数据与影响因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可以揭示变形与显著性因子之间的函数关系，为变形预报提供科学依据。传统的变形观测数据处理方法将变形分析分为几何分析与物理解释两个阶段。几何分析主要关注变形的空间及时间特性，通过模型初步鉴别、模型参数估计、模拟统计检验及最佳模型选取等步骤，对变形进行定量描述。而物理解释则侧重于从物理力学的角度解释变形的原因和机制。在变形监测网中，参考网和相对网的稳定性检验以及目标点和位移值的计算是建立变形模型的基础。变形模型的选择既可以根据变形体的物理力学性质和地质信息来确定，也可以根据点场的位移矢量和变形过程曲线来选取。近年来，随着系统论的发展，用现代系统论为指导进行变形分析与预报已成为研究的新趋势。变形体作为一个复杂的系统，具有多层次、高维的灰箱或黑箱式结构，表现出非线性、开放性、随机性等特征。这些特征使得变形分析与预报变得更加复杂和具有挑战性。然而，正是这些特征也为我们提供了更多的研究视角和方法，如利用自相似性、突变性、自组织性和动态性等特征进行变形分析和预报，为工程测量学的发展注入了新的活力。测量平差理论、工程控制网优化设计以及变形观测数据处理都是工程测量学不可或缺的重要组成部分。它们不仅推动了工程测量技术的发展和创新，还为工程建设的安全和质量提供了有力的保障。未来，随着科技的不断进步和工程测量学研究的深入，我们有理由相信这些领域将会取得更加辉煌的成就。3．工程测量学和实际应用3.1古代工程测量学工程测量学作为土木工程领域的核心学科，始终贯穿于各类实际工程的测量实践与技术应用之中。其历史渊源可追溯至古代，伴随着科技的演进与工程建设的实际需求，工程测量学持续进化并日臻完善。在古代，工程测量主要应用于水利工程、道路建设及建筑营造等土木工程领域，采用人工测量的方式，依赖诸如测距尺、水准尺及简易角度测量器等基础工具。尽管这些方法的精度有限，但在当时的历史条件下，它们对工程的规划与实施起到了决定性的支撑作用，为古代社会的建设与发展奠定了坚实的基础。这一时期的工程测量学，虽技术简陋，却蕴含着工程测量学发展的最初形态与智慧。3.2现代工程测量学随着工业革命浪潮的推进与科学技术的日新月异，现代工程测量学迎来了前所未有的飞跃式发展。这一时期的工程测量学，在测量技术与仪器方面取得了革命性的进步，极大地提升了测量的精准度与作业效率，其应用范围也随之拓宽至建筑工程、桥梁工程、隧道工程、航空工程等多个关键领域。在现代工程测量学的版图中，测量仪器的革新占据了举足轻重的地位。电子科技的蓬勃发展为精密测量仪器的诞生提供了肥沃土壤，诸如全站仪、激光测距仪及全球导航卫星系统（GNSS）等尖端设备应运而生。这些高科技仪器凭借其超高精度、高效作业能力及多样化的功能特性，显著优化了工程测量的品质与效率，为工程建设的精准实施奠定了坚实基础。与此同时，测量方法的持续革新也是现代工程测量学的一大亮点。面对复杂多变的工程环境，传统测量手段显现出局限性，促使科研人员不断探索并开发出新型测量技术。无人机测量、三维激光扫描、卫星遥感等前沿测量方式的出现，不仅丰富了工程测量的工具箱，更为工程项目提供了更为详尽、精准的数据支撑，极大地拓宽了工程测量学的应用边界。现代工程测量学在多个土木工程项目中发挥着不可替代的作用。在建筑工程领域，它涉及地基处理、建筑物精确定位及结构健康监测等关键环节；桥梁工程中，则涵盖桥梁精确定位、桥墩桥台测量及桥梁动态监测等核心任务；隧道工程方面，测量工作聚焦于隧道掘进控制、纵横断面测量等；而在水利工程中，则包括水位监测、流速测量及水库库容评估等。这些应用实例充分展示了现代工程测量学在保障工程安全、提升建设质量、优化资源配置等方面的巨大价值，进一步彰显了其在土木工程领域不可或缺的重要地位。3.3工程测量学实际应用现状在工程项目的测量实践活动中，确保测量工作的精确性和高效性至关重要，这离不开一系列核心原则的严格遵循。以下是对这些原则的详细阐述，旨在构建一个系统化、规范化的测量工作流程。首要且基础性的原则是严格遵循测量规范。测量规范是确保测量活动合法合规、精准无误的基石。在实际操作中，我们应遵循既定的测量流程，即首先构建整体性的平面控制网。这一控制网如同工程的“骨架”，为后续的定位与放线提供了可靠的基准。随后，我们以此为出发点，逐步细化至各个局部轴线的精确定位与放线，确保从宏观到微观、从整体到局部的逻辑性和系统性。这一过程不仅增强了测量的条理性，还提高了测量的精度和可靠性。其次，测量原始数据的准确性审核是确保测量精度的关键环节。在测量过程中，我们实行测量放线与计算工作的同步校核制度，旨在及时发现并纠正数据错误，从而避免由此产生的测量偏差。这一步骤要求测量人员不仅要具备扎实的专业技能，还需具备高度的责任心和严谨的工作态度。只有确保原始数据的准确无误，才能为后续的分析和决策提供可靠的基础。再者，我们执行严格的自检、互检及报检制度，以进一步提升测量工作的质量和效率。在定位工作完成后，我们首先进行内部自检和互检，确保测量结果的准确性和一致性。这一环节有助于及时发现并纠正潜在的问题，从而避免将错误带入后续的施工环节。随后，我们将自检和互检合格的测量结果提交给上级进行报检，以确保测量工作的合规性和权威性。同时，我们注重测量方法的简捷性和仪器的熟练使用。在满足工程实际需求的前提下，我们尽量采用简洁高效的测量方法，以节省人力、物力和时间成本。此外，我们还注重测量仪器的熟练使用和保养，确保仪器在测量过程中能够稳定、准确地发挥作用。这不仅提升了测量工作的灵活性和应变能力，还提高了测量的精度和可靠性。在进行工程项目的测量工作之前，深入学习和理解设计文件及技术标准同样至关重要。施测人员需要全面掌握设计文件的精髓，并熟悉相关的技术标准，以确保测量工作的精准度和合规性。为此，我们在测量前进行充分的准备工作，包括认真学习相关文件和正确的技术要求、深入研究设计意图和审核图纸等。这些准备工作为后续的测量工作提供了有力的支持和保障。在测量过程中，工程测量精度是第一要素。我们严格按照精度要求进行操作，确保测量误差在符合规定的范围内。对于精度要求较高的测量项目，我们采用更高精度的测量仪器和方法进行测量，以确保测量结果的准确性和可靠性。此外，我们还对测量人员提出严格要求。测量人员需持证上岗，并严格遵守仪器测量操作规程作业。在测量过程中，他们应保持小心、仔细、认真的态度，确保测量结果的准确性。同时，我们还注重测量成果的保护和管理。所有测量成果和资料由专人保存、管理，并采取有效的保护措施，以确保在后续施工中能够准确找到并使用测量控制点。这些核心原则共同构成了工程项目测量工作的基本框架和指导思想。在实际操作中，我们应严格遵循这些原则，以确保测量工作的精确性和高效性，为工程项目的顺利完成奠定坚实的基础。4．结束语本文主要概述了工程测量学的发展历史、理论方法、实际应用及未来展望，详细介绍了工程测量在现代社会中的重要地位以及其在不同工程领域中的广泛应用。以下是总结：1.工程测量理论方法的发展阶段划分：