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【第五章】工程测量学

news 2025/7/6 12:29:38

概述

定义：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与地形及工程有关的信息的采集和处理、工程的施工放样及设备安装、变形监测分析和预报等的理论、技术与方法，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和便用的一门学科，它是测绘学在国民经济建设和国防建设中的直接应用
工程测量服务于所有工程的勘测、设计施工与运营的各个阶段
应用领域：以工程建筑为对象的工程测量；以机器、设备为对象的工业测量
广义工程测量学：一门研究、提供、处理和表达空间各种工程几何与物理信息，研究抽象几何实体的测设理论、方法和技术应用的学科

特点

历史悠久的学科：从人类生产实践中逐渐发展起来的历史悠久的学科

服务面广：服务于工程、工业和城市建设以及资源开发等各个方面

贯穿于工程的全生命周期

规划设计

平面控制测量：基本平面控制、图根平面控制和测站点平面控制等；分层布设，精度要求逐层递减；按照测量方法分：边角网、导线网、GNSS网
高程控制测量：采用正常高系统，分为基本高程控制、图根高程控制、测站点高程控制；分层布设，精度要求逐层递减；方法：精密几何水准、电磁波测距三角高程
地形图测绘：以基本控制点、图根控制点和测站点为基础，利用全站仪、GNSS接收机，采用草图法、电子平板法可以获取工程建设区域范围的地形图
纵、横断面测绘

施工建设

施工控制网的建立
- 实地踏勘原有的三角点、导线点、水准点的标石、标志现状，了解工区的自然和地理条件、交通、民情，然后进行首级平面控制网的技术设计；选择保存较为完好、埋石稳固的三角点起算方位角推算控制网点的大地坐标（及施工坐标）；布设一级平面控制网点。
- 施工平面控制网坐标系统：规划设计阶段的坐标系统一致；建立与规划设计阶段的坐标系统有换算关系的施工坐标系统
- 施工高程系统必须与规划设计阶段的高程系统一致，应根据需要就近与国家水准点进行联测，其联测精度不低于本工程首级高程控制测量的要求
- 施工平面控制网可采用GPS网、三角形网、导线及导线网等形式；施工高程控制网宜布设成环形或附合路线
- 施工控制网应定期复测，复测精度与首次测量精度相同
施工放样
- 放样工作包括：立模与填筑放样、金属结构和机电设备安装测量
- 方法：极坐标法、交会法(距离交会、角度/方向交会)、直角坐标法、投点法、端点法
施工场地地形测量
施工期间的外部变形监测

运营管理

技术手段灵活多样：服务对象千差万别；精度跨度很大

常规测量方法：用常规的或现代的大地测量仪器测量方向(或角度)、边长和高差等观测量所采用方法的总称
摄影测量方法：对研究的目标进行摄影，根据影像上目标的像点坐标，由摄影测量的数学模型（如直接线性变换模型）解求像点对应的物方点在物方空间坐标系中的坐标；信息量大、非接触测量、外业工作量小、作业效率高，常常用于工业测量中。
特殊测量方法：对常规测量方法的补充或部分代替，采用专用的仪器设备，完成一维、二维或三维相对或绝对量的测定；操作简单、精度特别高、易于实现自动化等特点

与人们的生活直接相关

直接为国民经济建设和国防建设服务，紧密与生产实践相结合

紧跟时代科技发展

测量数据采集和处理向自动化实时化数字化方向发展
测量数据管理向科学化标准化规格化方向发展
测量数据发布与应用向网络化多样化社会化方向发展

基础理论

坐标系

国家坐标系
城市坐标系
工程坐标系

控制网的作用与分类

作用：控制全局、提供基准、控制测量误差积累
按用途分
- 测图控制网：控制测量误差的累积，保证图上内容的精度均匀和相邻图幅正确拼接；一般应与国家控制点相连
- 施工测量控制网：根据总平面设计和施工地区的地形条件布设
- 变形监测网：由参考点和目标点组成，一个网可以由任意多个网点组成，但至少需一个参考点，一个(确定绝对变形)/两个(确定相对变形)目标点组成
  - 控制的范围较小，控制点的密度较大，精度要求较高
  - 使用频繁；对控制点的稳定性、使用的方便性，以及点位在施工期间保存的可能性等有更高的要求
  - 受施工干扰大
  - 控制网的坐标系与施工坐标系一致
  - 投影面与工程的平均高程面一致
  - 有时分两级布网，次级网可能比首级网的精度高
- 安装测量控制网：大型设备构建安装定位的依据，工程竣工后建筑物和设备变形观测及设备调整的依据
按网点性质分：一维网/水准网/高程网、二维网/平面网、三维网
按网形分：括三角网、导线网、混合网、方格网
按施测方法分：测角网、测边网、边角网、GPS网
按基准分：约束网、自由网
按其他标准划分：首级网、加密网、特殊网、专用网

测量误差

系统误差：在相同观测条件下，对某量进行一系列观测，出现符号和大小均相同或按一定的规律变化的误差
- 具有累积性，对测量结果的影响很大
- 但可通过一般的改正或用一定的观测方法加以消除
偶然误差：在相同观测条件下，对某量进行一系列观测，出现符号和大小均不一定的差
- 有界性：具有一定的范围
- 大小性：绝对值小的误差出现概率大
- 方向性：绝对值相等的正、负误差出现的概率相同
- 抵偿性：数学期望值等于零
粗差/错误
- 估计方法：数据探测法、稳健估计法
- 观测值具有多余观测是进行粗差估计的先决条件，一个平差系统可以发现粗差的能力被称为内可靠性；不可发现的粗差对平差结果的影响称为外可靠性
精度评定指标
- 中误差
- 相对误差：测量所造成的绝对误差与被测量(约定)真值之比，以百分数表示；反映测量的可信程度
- 极限误差：以两倍或三倍中误差作为偶然误差的容许值
变形预报
- 回归分析法：一种统计分析方法，取效应量/变形为因变量，影响因子/环境量为自变量，根据数理统计理论建立多元线性回归模型，用逐步回归法可得到效应量与环境量之间的函数模型；可作为变形的物理解释和变形预报，但需要效应量和环境量具有较长且一致性较好的观测值序列
- 有限元法：采用确定函数模型直接求解变形的具有先验性质的方法，属于确定函数法；由于未考虑外界因子的随机影响，计算的变形值与实测值有一定差异，需与实测值进行拟合，对参数进行修改
- 时间序列分析法：一种动态数据处理的统计方法，基于随机过程理论和数理统计学方法，研究随机数据序列所遵从的统计规律，以用于解决实际问题
- 卡尔曼滤波法：将变形体视为一个动态系统，系统状态用卡尔曼滤波模型即状态方程和观测方程描述；该模型适合滑坡监测数据的动态处理；也可用于静态点场、似静态点场（如变形监测网）在各周期观测中显著性变形点的检验识别
- 人工神经网络法：网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近，也可能是对一种逻辑策略的表达

仪器

通用仪器
专用仪器

发展展望

趋势

高（高水平）
大（大规模）
新（新技术、新设备、新工艺）
精（高精度、纳米级）
微（显微测量、显微图像处理）

特点

测量方案科学化、合理化
过程控制自动化、智能化
测量成果数字化、可视化
信息共享网络化、社会化

技术

多传感器集成技术：人工智能化程度加速进步，影像、图形与数据的处理能力显著增强；集成GNSS接收机、电子全站仪、激光跟踪仪、摄影测量系统等传感器的混合测量系统快速发展并广泛应用于无控制网的各种测量和定位工作、仪器的动态检校和设备在线检测等
合成孔径雷达干涉测量技术：雷达成像技术+干涉测量技术，在监测地震变形、火山地表移动、冰坡、地面沉降等方面具有明显优势；地面进行单站和轨道测量；对大坝、滑坡、桥梁、高层建筑、结构的微小变形进行全天候连续监测
三维测量技术：在测定空间目标的三维坐标、几何形状、空间位置和姿态的同时，对目标进行三维重建并在计算机上真实再现的技术。
地下工程测量技术：合理规划和利用地下空间，解决地下工程施工中的精确定位定向，地下工程竣工后的快速空间信息获取的新技术与新方法以及建模等问题
海洋工程测量技术
无人机测量技术：以无人机为飞行平台，以数字传感器为任务载荷，以获取高分辨率遥感影像为目标，弥补传统测量的不足，成为新兴的重要的测绘手段