精密工程測量

精密工程測量（precision engineering survey）是指以毫米級或更高精度進行的工程測量。從測量方案設計、實地施測到成果處理和利用的各個階段中都要利用誤差理論進行分析。除常規的測量儀器和方法外，常需設計和製造一些專用的儀器和工具。計量、雷射、電子計算機、攝影測量、電子測量技術以及自動化技術等也已套用於精密工程測量工作中。

基本介紹

• 中文名：精密工程測量
• 外文名：Precision engineering survey
• 角度：用經緯儀測量
• 定線：精密經緯儀
• 測高：精密水準儀
• 所屬學科：測繪科學

基本介紹

精密工程測量是指以毫米級或更高精度進行的工程測量。重要的科學試驗和複雜的大型工程，例如高能加速器設備部件的安裝、衛星和飛彈發射軌道及精密機件傳送帶的鋪設等，都要進行精密工程測量。除常規的測量儀器和方法外，常需設計和製造一些專用的儀器和工具。計量、雷射、電子計算機、攝影測量、電子測量技術以及自動化技術等也已套用於精密工程測量工作中。

測量技術

精密工程測量技術包括精密地直線定線、測量角度（或方向）、測量距離、測量高差以及設定穩定的精密測量標誌。從測量方案設計、實地施測到成果處理和利用的各個階段中都要利用誤差理論進行分析。

定線

通常用精密經緯儀進行，以其望遠鏡的視準面為基礎，從而測定目標點的橫向偏離值。要求高精確度時可用專用的準直望遠鏡。張緊的弦線也可用作基準線，並用讀數顯微鏡測量設備部件距離基準線的垂距。雷射束也可作為基準線，有時使雷射束經菲涅耳波帶板干涉形成光點或亮十字絲像，配合光電接收靶進行準直測量，如果雷射束在真空管道中傳輸，則波帶板準直法精度可以達準直長度的10的-7次方數量級。

測角

角度（或方向）用經緯儀測量。觀測時要用適當的方法減少或避免望遠鏡調焦誤差及其他儀器誤差的影響，要選擇或創造良好的觀測條件以削弱外界因素的不良影響，要儘量減少儀器和目標偏心差的影響，必要時可在觀測成果上加入儀器豎軸傾斜改正數及測微器讀數的行差改正數。

測距

較短距離的精密測量，主要用因瓦合金製成的線尺或帶尺，配備特製的對中設備和讀數顯微鏡進行。丈量時尺子的拉力要保持恆定，可採用空氣軸承的滑輪或刀口支承，要提高讀數的精度，可套用讀數顯微鏡或專門的精密機械測微裝置，使讀數誤差減少至微米級。用雷射干涉的方法測量距離，其誤差和波長為同一數量級。雙頻雷射干涉測長儀，可以測量長至50米左右的距離，其反光鏡要沿導軌移動，並可用以精確測定其他尺子的長度。較長的距離宜用精密的光電測距儀測量，測距達2.5公里，測距的相對精度可達10的-8次方數量級。

測高

測量高差通常用精密水準儀進行。當視線短至5～10米時，測量高差的精度可以達到 0.05毫米左右。用帶有機械測微裝置的精密水準器安裝設備時，測量相距不到 1.5米的兩點高差精度，可以達到0.01毫米左右。用精密的液體靜力水準儀測量高差的誤差可減少至幾個微米。套用電子技術判斷水準器氣泡居中的精度為0.5"。

標誌

精密工程測量要在相應的標誌上進行。平面標誌應能使測量儀器在標誌上面精確就位。為此常採用某種強制對中裝置。例如球與圓柱孔配合的對中裝置，可使儀器在標誌上的對中誤差小於0.1毫米，精密研磨的軸與軸套匹配的裝置，可使對中誤差小於0.01毫米。在精密工程測量工作中，要求標誌與設備或設備基礎精確地、牢固地連線。一項工程要有若干個絕對位置非常穩定的平面和高程基準點，最好用基岩標誌作為基準點；在軟土地區可用深埋鋼管標誌作為高程基準點，用倒錘作為平面基準點。倒錘的標誌錨固在地表下幾十米深處，標誌上系一根柔性絲，用浮力把它向上拉緊。絲上任何一點的平面坐標與地下標誌的平面坐標完全一致。在較大的施工場地上，通常先設定一系列精密控制點作為放樣的依據，以使繁多的部件精確安裝在設計位置上。高程控制一般採用水準網。平面控制網可以是測角網、邊角網、測邊網等。也可以布設三維網，同時測定各點的平面坐標和高程。控制網的形狀常受工程形狀所制約，例如線形工地上宜布設直伸形網，環形工地上宜布設環形網。精密工程控制網常有較多的多餘觀測，提供可靠的校核並提高測定待定點坐標和高程的精度（見工程控制測量）。

特點

精密工程測量的最大特點是要求的測量精度很高。精度這一概念包含的意義很廣，分相對精度和絕對精度。相對精度又有兩種，一種是一個觀測量的精度與該觀測量的比值，比值越小，相對精度越高，如邊長的相對精度。但比值與觀測量及其精度這兩個量都有關，同樣是1∶1000000，觀測量是10m和是10km時，精度分別為0.01mm和10mm，故有可比性較差的缺點;另一種是一點相對於另一點，特別是鄰近點的精度，這種相對精度與基準無關，便於比較，但是各種組合太多，如有100個點，每一個點就有99個這樣的相對精度。絕對精度也有兩種，一是指一個觀測量相對於其真值的精度，這一精度指標套用最多。由於真值難求，通常用其最或是值代替。但這一絕對精度指標也有弊病，有時，它也與觀測量的大小有關，如長度觀測量。另一種是指一點相對於基準點的精度，該精度與基準有關，並且只能在相同基準下比較。

研究主要內容

精密工程測量的研究內容主要包括精密工程測量的理論、技術、方法、專用的儀器設備以及測量軟體研發等方面。精密工程測量的理論、技術和方法是以大地測量學為基礎的。因為所有測量工作都要涉及參考面和線，如地球橢球體、大地水準面、垂線、經緯線、真北方向等。對於工程而言，小範圍要求在幾何平面上進行設計施工放樣，大範圍有時要穿過好幾個3度帶，而且高差也較大，就必須作橢球面向平面的歸化計算，作局部大地水準面的精化，以及換帶和投影計算。歸化、投影等改正計算誤差必須小於測量誤差。因而，工程基準面和局部坐標系的設計是精密工程測量的重要問題。

工程控制網在許多方面有別於國家大地測量控制網。網的最佳化設計、精度、可靠性、費用和靈敏度設計計算要求更加精細，如要求採用基於觀測值內部可靠性的精密測量控制網模擬法最佳化設計、觀測值多維粗差定位與定值和方差分量估計算法等。一般來說工程控制網的長短邊相差懸殊，點之間高差也很大，GPS和地面觀測條件都較差（頂空障礙大，受旁折光和垂直折光影響等），這就要求對網作精心布設。同時還涉及GPS邊、地面邊之間的精度匹配、地面邊角測量精度匹配的影響。GPS網、地面邊角網以及混合網的布設問題涉及到測距三角高程測量、精密幾何水準的選取以及對規範要求的理解等問題。GPS網在很大程度上逐漸取代地面網，對於邊長懸殊極大（從幾十米到幾十千米）的工程控制網，用精密星曆解算基線，精度也可達毫米級，但對於許多精密工程來說，不能採用單純的GPS網、GPS網與地面網、特別是與高精度測邊相結合乃是最新的發展方向。在精密工程測量特別是工程變形分析中涉及到數據處理理論和方法的研究。如非線性隨機模型的參數估計、非參數估計和半參數估計理論。

對於海量變形監測數據處理，要研究數據挖掘理論與方法，即要從大量的、模糊的和隨機的各種數據源中，提取隱含在其中的有用信息和知識。統計分析、模糊數學、人工神經網路、分形幾何以及小波理論等是數據挖掘的基礎理論。分類、模糊聚類、關聯分析、回歸分析、時序分析、偏差分析以及預測分析等是數據挖掘的常用方法。其中，分類用於規則描述，並用這種描述來構造模型；模糊聚類是把數據按相似性分成類，發現數據的分布模式以及數據屬性間的關係；關聯分析是尋找數據中隱藏的關聯網、關聯規則和相關性；預測分析是利用大量的已有數據通過建模找出變化規律，由此對未來數據及特徵進行預測等等。採用人工神經網路技術可用於大壩變形預報，用模糊數學理論處理觀測誤差，採用模糊聚類分析可對大壩的安全進行評判。

在變形的幾何分析和物理解釋基礎上，要研究變形預報的理論和方法，涉及系統論、控制論、資訊理論、突變論、協同論、小波、分形、混沌理論和耗散結構等許多非線性學科變形預報的系統論方法。主要有兩種:一種是輸入-輸出模型法，即把變形體看作是一個具有非線性、耗散性、隨機性、外界干擾不確定性等特點的複雜系統，各種外界影響因子為輸入，而變形為輸出，有回歸分析法、時間序列法、卡爾曼濾波法和人工神經網路法等；另一種是動力學方程法，根據系統運動的物理規律建立確定的微分方程來描述系統的運動，在對系統受力和變形認識的基礎上，用低階、簡化的，在數學上可求解和可分析的模型來模擬變形過程。

套用

在精密工程測量儀器方面，多感測器集成測繪系統、雷射跟蹤儀、雷射掃瞄器、測量機器人、各種高精度GPS接收機、電子全站儀、水準儀以及各種專用測量儀器，為精密測繪提供了技術保障。其中，雷射掃瞄器可對被測對象在不同位置掃描、建模並轉換到CAD成圖，在土木工程、建築監測、路橋設計、3維建模、工業設計製造以及GIS數據採集等方面有廣闊的套用前景。車載、機載雷射掃描測量將成為地面數據採集的主要手段。一種由測量小車、測量機器人、雷射測距斷面儀、雷射掃瞄器和軌距、軌道高差、軌道里程感測器組成的高速鐵路軌道測量系統是一種典型的多感測器集成測量系統，可實現鐵道軌道的自動化測量，軌道限界2維斷面測量和隧道3維斷面測量其軌距和軌道高差精度可達到0.5mm。由GPS接收機、雷射測距儀組成的遠程位移測量系統可實現無人值守的遠距離遙控遙測遙傳實時變形監測，可用於活動性滑坡臨滑前的持續監測預報。由各種專用監測儀器、現代大地測量儀器以及空對地觀測儀器組成的立體監測系統，可實現對滑坡和各種工程建築進行持續的自動監測和變形預報。