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工程测量学科进展定稿
毕业论文
题目：
工程测量学科进展
学院：
煤炭学院
班级：
测量
姓名：
学号：
指导教师职称：
教授
完成日期：
2013-05-20
工程测量学科进展
［摘要］本文通过对工程测量学进行了定义，论述工程测量学的研究应用领域、地位及其方法。
阐述了工程测量学现阶段的发展状况，以及该领域通用和专用仪器的发展；扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况和应用。
结合科研和开发实践，论述了工程测量学未来的发展展望。
［关键词］工程测量，学科进展，测量学
Measuringprogressinengineeringdisciplines
ABSTRACT:
Basedontheengineeringsurveyingaredefined,discussedresearchprojectsurveyingapplications,statusanditsmethods.ElaboratedEngineeringSurveyingcurrentstageofdevelopment,aswellasinthefieldofdevelopmentofgeneralandspecialequipment;brieflydescribesmajorPrecisionEngineeringSurveyofdevelopmentsathomeandabroadandapplications.Combinedwithresearchanddevelopmentpractices,discussesthefuturedevelopmentofengineeringsurveyingprospects.
KEYWORDS:
Engineeringsurvey,subjectsprogress,metrology
目录
引言1
一、工程测量学的定义1
（一）普通工程测量2
（二）精密工程测量2
二、工程测量现阶段的发展状况2
（一）空间技术在工程测量中的应用与发展3
（二）数字测绘与空间信息的系统技术的应用与发展4
（三）变形监测理论和方法的发展4
（四）测量设计走向科学化5
（五）工程、矿山和城市信息系统的建立6
（六）新技术的发展对测绘高等教育的影响6
三、工程测量学的研究应用领域7
四、工程测量仪器的发展8
五、实习工程介绍10
六、工程测量学的发展展望11
（一）测量机器人12
（二）在变形观测数据处理和大型工程建设中12
（三）测量从土木工程测量、三维工业测量扩展到人体科学测量14
（四）多传感器的混合测量系统得到迅速的发展和广泛的应用15
（五）GPS、GIS技术奖紧密结合工程项目15
结语16
参考文献18
工程测量学科进展
引言
测量学是一门古老的科学，随着科学技术的发展和社会的进步，工程测量学逐渐从普通的测量学中分离并成为一门相对独立的学科。
工程测量学是研究地球空间（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。
其目的主要是为各种工程建设进行测量和测设工作，并提供空间位置信息。
由于不同领域的工程各有其特点，工程测量的方法也就各有千秋。
它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。
一、工程测量学的定义
工程测量学是研究工程建设和自然资源开发中各个阶段进行的控制和地形测绘、施工放样、变形监测的理论和技术的学科。
是研究地球空间（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。
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。
精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力。
它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。
在学科上可划分为普通工程测量和精密工程测量。
工程测量学是研究地球空间中具体几何实体测量描绘和抽象几何实体测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。
现代工程测量已经远远突破了仅仅为工程建设服务的概念,而向“广义工程测量学”发展。
正如瑞士苏黎世高等工业大学马西斯教授所指出:
“一切不属于地球测量,不属于国家地图集范畴的地形测量和不属于官方的测量,都属于工程测量”。
现代工程测量的发展趋势和特点可概括为“六化”和“十六字”。
“六化”是:
测量内外业作业的一体化；数据获取及处理的自动化；测量过程控制和系统行为的智能化；测量成果和产品的数字化；测量信息管理的可视化；信息共享和传播的网络化。
“十六字”是:
精确、可靠、快速、简便、连续、动态、遥测、实时。
测量内外业作业的一体化系指测量内业和外业工作已无明确的界限,过去只能在内业完成的事现在在外业可以很方便地完成。
测图时可在野外编辑修改图形,控制测量时可在测站上平差和得到坐标,施工放样数据可在放样过程中随时计算。
数据获取及处理的自动化主要指数据的自动化流程。
电子全站仪、电子水准仪、GPS接收机都是自动化地进行数据获取,大比例尺测图系统、水下地形测量系统、大坝变形监测系统等都可实现或都已实现数据获取及处理的自动化,我们研制的科傻系统实现了地面控制和施工测量的数据获取及处理的自动化。
用测量机器人还可实现了无人观测即测量过程的自动化。
测量过程控制和系统行为的智能化主要指通过程序实现对自动化观测仪器的智能化控制。
测量成果和产品的数字化是指成果的形式和提交方式,只有数字化才能实现计算机处理和管理。
测量信息管理的可视化包含图形可视化、三维可视化和虚拟现实等。
信息共享和传播的网络化是在数字化基础上进一步锦上添花,包括在局域网和国际互连网上实现。
“十六字”则从另一角度概括了现代工程测量发展的特点。
从整个学科的发展来看,精密工程测量的理论技术与方法、工程的形变监测分析与灾害预报、工程信息系统的建立与应用乃是工程测量学研究的三个主要方向。
（一）普通工程测量
普通工程测量学研究的主要内容，是局部区域内的控制测量和地形图的测绘。
基本工作包括距离测量、角度测量、高程测量和测绘地形图。
传统工程测量技术的服务领域包括建筑、水利、交通、矿山等部门，其基本内容有测图和放样两部分。
现代工程测量己经远远突破了仅仅为工程建设服务的概念，它不仅涉及工程的静态、动态几何与物理量测定，而且包括对测量结果的分析，甚至对物体发展变化的趋势预报。
苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：
“一切不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量，和不属于法定测量的应用测量都属于工程测量”。
我国近代以来工程测量可追溯至1932年，同济大学工学院高等测量系正式成立，成为当时国立大学中惟一的测量系，并成为我国民用测绘高等教育事业的发祥地。
随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，我国工程测量的发展可以概括为“四化”和“十六字”，所谓“四化”是：
工程测量内外业作业的一体化，数据获取及其处理的自动化，测量过程控制和系统行为的智能化，测量成果和产品的数字化。
“十六字”是：
连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。
（二）精密工程测量
精密工程测量的定义主要指的是研究抽象几何实体的精密工程测量的理论、方法及技术和在地球空间中具体的几何实体的精密工程测量描绘。
在将来的现代测量工作中，其发展趋势是精密测量高的工作。
伴随着我国技术水平的不断提高，精密工程测量的精度也在不断提高。
精密工程测量的普遍定义为当用到一般的。
普遍的测量仪器无法满足工程队进行测设和测量精度的要求时，所用到的方法来测量和仪器测量都叫精密工程测量。
为了能有良好的精密测量水平，我们在实践操作中所用到的精密测量的仪器主要有：
激光扫描仪、激光跟踪仪、探测机器人、电子全站仪、水准仪、GPS接收机、多传感器集成测绘系统以及其他各种精密测量仪器。
其中在地面数据采集中使用最多的是通过车载激光扫描测和机载激光扫描测量的手段。
在对不同位置进行扫描和建模并转换到CAD成图中通常使用激光扫描仪，另外在土木工程、路桥设计、工业设计、GIS数据采集等方面也被广泛使用。
在对无人监控的远距离遥控测量中使用的是由激光测距仪和GPS接收机构成的远程位移测量系统。
在不同的测量工作中，使用专业仪器可以让精密测量变得更加牢靠，为当代精密测量开辟新路径。
毫无疑问，现代精密测量技术是一种将电子、传感器、影像、光学、制造、计算机等技术融合为一体的综合高端的精密测量技术。
该项技术在各个学科领域都有涉猎，涉及面很广，且技术的发展更是需要各学科的支撑。
在目前的研究和制造过程中，测量仪器的发展特点有：
集成化、智能化和精密化“三化”趋势。
在新技术发展的代表——三维测量技术（CMM）中，该项技术实现了所有三维复杂零部件的形状、规格和位置所要用到的高准度测量。
精密测量技术的实现为现代社会政治经济技术的发展创造了有利条件，也为世界各国在纳米测量技术等领域展开了深入的研究与广泛的应用。
二、工程测量现阶段的发展状况
80年代以来出现许多先进的地面测量仪器，为工程测量提供了先进的技术工具和手段，如：
光电测距仪、精密测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、数字水准仪、激光准直仪、激光扫平仪等，为工程测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了有利的条件，改变了传统的工程控制网布网、地形测量、道路测量和施工测量等的作业方法。
三角网已被三边网、边角网、测距导线网所替代；光电测距三角高程测量代替三、四等水准测量；具有自动跟踪和连续显示功能的测距仪用于施工放样测量；无需棱镜的测距仪解决了难以攀登和无法到达的测量点的测距工作；电子速测仪为细部测量提供了理想的仪器；精密测距仪的应用代替了传统的基线丈量。
随着测绘科技的飞速发展，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。
带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量的全自动化，被称作测量机器人。
测量机器人可自动寻找并精确照准目标，在1s内完成一目标点的观测，像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测，可广泛用于变形监测和施工测量。
GPS接收机已逐渐成为一种通用的定位仪器在工程测量中得到广泛应用。
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。
（一）空间技术在工程测量中的应用与发展
随着测量数据采集和数据处理的逐步自动化、数字化，测量工作者如何更好地使用和管理好长期积累或收集的大量测绘信息，更好地为经济建设和国防建设服务，其最有效的方法是利用数据库技术或GIS技术建立数据库或信息系统。
如城市或工程控制网数据库、管线数据库、矿山测量数据库、大坝变形观测数据库、地形图数据库、城市基础地理信息系统等，其目的是把大量的测量数据或信息进行科学的存储，以便于检索、分析、分发和利用，以实现管理和服务的科学化、现代化。
我国国民经济建设飞速发展和社会进步，有力地推动了GIS技术的应用与发展，已成为当前新技术应用的“热点”之一。
90年代初我国一些城市测绘单位或城建规划部门就开始引进美国的ARC/INFO等先进GIS软件，进行二次开发，建立有关的数据库或信息系统。
北京市测绘设计研究院和上海市测绘院率先利用GIS技术建立了“北京市基础地理信息系统”、“上海城市建设信息系统”。
我国有关高等院校或科研部门也积极开发GIS技术的应用研究，研制具有我国特色的GIS软件，北京林业大学、中国地质大学、武汉测绘科技大学、北京大学等研制的GIS软件具有较高水平，获得国家科委等主管部门的好评，结束了我国没有自己的时代。
GIS软件的历史，标志着我国GIS技术研究与应用进入新阶段。
目前武汉测绘科技大学的GEOSTAR和中国地质大学的MAPGIS软件在测绘部门具有很好的应用前景。
GPS的出现使定位、导航发生了革命性的变革。
目前GPS伪距单点定位精度为2-10m；载波相位单点定位为厘米到分米级；差分GPS（DifferentialGlobalPositioning）定位为亚米级到米级。
实时动态定位（Real-TimeKinematicRTK）为亚厘米到厘米级，而载波静态相对定位为毫米级。
目前，美国正在进行GPS现代化改造，俄罗斯也在进行进一步加强全球卫星导航系统，欧盟委员会正在研制GALLIEO系统，还有其他国家，包括我国、日本和印度，是卫星定位有单一GPS向全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）。
导航卫星的组合使将来卫星定位精度更高，使周模糊度解算更方便，势必为工程测量的发展做出很大贡献。
（二）数字测绘与空间信息的系统技术的应用与发展
大比例尺地形图和工程图的测绘，是城市与工程测量的重要内容和任务。
常规的成图方法是一项脑力劳动和体力劳动结合的艰苦的野外工作，同时还有大量的室内数据处理和绘图工作，成图周期长，产品单一，难以适应飞速发展的城市建设和现代化工程建设的需要。
随着电子经纬仪、全站仪的应用和GEOMAP系统的出现，把野外数据采集的先进设备与微机及数控绘图仪三者结合起来，形成一个从野外或室内数据采集、数据处理、图形编辑和绘图的自动测图系统。
系统的开发研究主要是面向城市大比例尺基本图、工程地形图、带状地形图、纵横断面图、地籍图、地下管线图等各类图件的自动绘制。
系统可直接提供纸图，也可提供。
软盘，为专业设计自动化，建立专业数据库和基础地理信息系统打下基础。
目前投入使用的数字化测图软件主要有以下类型：
1．使用全站仪进行野外数据采集，采用编码和绘制草图，利用各类记录器或微型计算机记录，数据输入计算机进行数据处理和图形编辑，绘图仪输出成图，所采集的数据可以绘制成不同比例尺地形图或专业图，也可进入数据库，如北京市测绘设计研究院研制的DGJ系统、南方测绘公司研制的CASS系统、瑞得公司研制的RPMS系统等。
2．利用全站仪和电子平板相结合，在野外采集数据，无需编码，测量数据直接进入电子平板绘图，现场修改编辑显示，最后由绘图仪输出成果，其特点是电子平板在测站代替常规测图板直观，便于修改。
另一种是电子平板由跑尺人员操作，测点观测数据通过遥控信号转换，自动送到便携机，测点实时显示在屏幕上，跑尺人员进行图形编辑，更能保证成图质量。
前者如清华山维公司研制的EPSW电子平测图系统。
后者如广州开思公司研制的SCS遥感电子平板系统。
根据调研的不完全统计，目前我国有60％城市与工程测量单位已不同程度的应用数字化测绘技术。
目前存在的难题是数字化测绘系统的数据规格、标准还不能满足GIS的要求，所以，要制定一套标准化数据格式，使得数字化测绘成果既能满足地形图和专业图的需求，同时又能通过数据交换满足各类GIS的应用，才能更好地推动数字化测绘技术的发展。
我国测绘技术从20世纪90年代开始，经历十几年的发展已经日渐成熟，形成了自己的方法和多个具有自主版权的国产软件。
现在的数字测绘正在从二维向三位发展，形成三维测绘技术。
（三）变形监测理论和方法的发展
工程测量变形监测技术日渐成熟和完善,其中的变形分析所涉及的变形观测数据处理采用的方法有:
根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法,由过程曲线可作趋势分析。
如果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,可得到变形与显著性因子间的函数关系,除作物理解释外,也可用于变形预报。
若仅对变形观测数据,可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模,前者可针对小数据量的时间序列,对原始数列采用累加生成法变为生成数列,因此有减弱随机性、增加规律性的作用。
如果对一个变形观测量（如位移）的时间序列,通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项,然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型ARMA,这种组合建模的方法,可分性好且具有显著优点。
用现代系统论为指导进行变形分析与预报是目前研究的一
个方向。
变形体是一个复杂的系统,它具有多层次高维的灰箱或黑箱式结构,是非线性的、开放性（耗散）的,具有随机性,这种随机性除包括外界干扰的不确定性外,还表现在对初始状态的敏感性和系统长期行为的混沌性。
此外,还具有自相似性、突变性、自组织性和动态性等特征。
变形监测是一项跨学科的研究，它是研究变形信息的获取，分析和解释，以及预报变形的理论和方法。
变形分析包括变形的几何分析和物理解释。
目前用于模拟时空的特征，后者用于解释变形和引起变形原因之间的关系。
变形监测是对各种工程建筑物，矿山，滑坡体和地壳变形进行观测，分析和预报的科学，是一门涉及到测绘，岩土力学，地质，矿山工程，土木工程以及地球物理等学科的边缘科学。
目前，不少国际组织都有专门的委员会或小组研究这个问题，例如ISM，FIG，rAe，ICoLD，rSRM。
FIG在2978年成立了一个变形分析专门委员会，从事变形观测方案的优化设计.观测资料的评价和筛选，变形的几何分析和变形的物理解释。
该委员会目前仍在积极活动。
在1988年第五届国际变形观测讨论会期间，该委员会开会并做出了决议，认为委员会的前三项任务业已完成，今后主要是变形的物理解释。
这项任务是多学科的，因此委员会希望不同领域的专家协同研究，并建议今后国际变形观测科学讨论会要邀请其它有关领域的专家参加。
目前对变形监测的主要研究兴趣有以下几个方面。
1.综合监测系统。
变形监测可采用常规地面测量方法，空间定位技术，摄影技术以及专用仪器（包括应变仪，倾斜仪等）观测。
这些方法各有优缺点，前二种方法能提供整体的变形信息，精度也比较高，但外业工作量大。
摄影测量技术外业工作量小，能提供变形体表面上任意点的变形情况，但精度一般比较低。
最后一种观测手段容易进行连续地监测和遥测遥控，但只能提供局部的变形信息。
因此，为取长补短发展了综合系统，综合系统中不仅有几何观测量，也有物理观测量（如应力测量）。
研究的重点是如何有效地组合和合理地进行数据处理。
2．物理解释。
物理解释是要说明变形的机理和.建立荷载与变形之间的函数关系以用千预报变形。
有两种不同的方法:
统计分析法和确定函数模型法。
前者要利用大量的观测数据才能建立一个可靠的模型，而后者则利用变形体材料的力学性质来建立模型。
把两种方法结合起来称为综合法，‘已可以用来模拟后者没法顾及的问题以及校正材料的力学参数。
目前，综合法是单点进行的的，研究的贡点是如何在整体范围内有效地采用该法。
3.人工智能和专家系统的应用。
这个研究领域刚开始，是第六届国际变形观测科学讨论会要讨论的重点之一。
变形监测一直是工测系的一个重要研究方向，变形分析方法的研究在国际上有一定影响，工测系教师两次（1986年，1990年）代表FIG专门委员会向FIG大会提交技术总结报告。
此外，在新滩滑坡段建立了立体综合监测系统，为滑坡预报做出了贡献，该课题已通过国家鉴定。
与有关单位合作，设计或参与设计了武汉长江大桥、龙羊峡水电站等工程的变形监测方案。
在国家地震资金支持下下，分析了鲜水河地区的地壳变形并研制了分析软件包。
（四）测量设计走向科学化
测显优化设计在近十多年来引起了很大的兴趣，工程测量形式多种多样，服务对象各不相同，因此优化设计的内容很丰富。
在优化设计中，控制网的质量标准从过去的精度、费用准则扩大到精度、费用和可靠性准则，对于变形监测网还增加了灵敏度准则。
在设计方法上，有解析法和模拟法两种。
解析法虽然被公认为具有一定的严密性，但对于较大的网来讲需要较大的程序设计费用和计算费用，而且还有一些问题没有完全解决，因此目前仍停留在研究阶段。
研究的重点是准则矩阵的构成，多目标设计函数以及一类、二类同时设计。
模拟法是把计算机的计算能力和判别能力与设计人员的经验结合起来，通过一系列人一机对话对所设计的方案进行实时地修改。
模拟法在生产实践中较广泛地采用。
为了使设计过程更趋于自动化，目前正在研究把人工智能和专家系统引入到模拟法没计巾。
优化设计也是工测系积极研究的一个领区，出现了十余篇硕士论文。
在变形监测网优化设计中，提出了根据特征值灵敏度影响系数的大小缩减特征值，从而构造出准则矩阵的思想，由此写成的论文获湖北省科协优秀论文二等奖。
此外，研制了商。
易化的模拟设计软件CAENDS和CAMNDS。
形状，矿山巷道网络，矿休的纵、横断面和投影图等。
此外，随着采矿的进行，新的数据不断采集，系统的数据库及时地更新。
现代工业生产要求对产品的设计、仿真。
生产的自动化流程，生产过程控制，产品质量检验与监控等进行快速的，高精度的测量和定位，并给出复杂形体的数字模型或运算轨迹等，这对工程测量提出了新的任务，兴起了工业测量。
工业测量技术发展飞速，技术设备自动化、智能化、信息化的方向迈进。
（五）工程、矿山和城市信息系统的建立
随着测量技术的发展，野外工作变得越来越简单，测量人员就可腾出更多的时间从事其它的服务。
工程测量工作者利用他们长期以来在收集地形信息方面的优势，正在全面从事工程、矿山和城市信息的收集、传递处理和管理工作，并积极参与信息的利用，包括规划和设计，这是新的产业革命条件下对工测人员的一项挑战。
FIG工测专业委员会已建立了一个专门委员会，用于研究工测中的CAD/CAM。
在这个领域中，国外进展比较快，主要原因有二:
观念的转变比较早，1978年就开始讨论这方面的问题；另一个原因是商品化的工具软件多，测量工作者要从事这方面的工作，不需要事事从头开始。
国内在该领域中起步较晚，今后应尽量避免工作重复。
工测系在这方面的工作包括:
建立大坝变形观测数据；航道信息系统，城市地下管网信息系统，研制了数字地面模型机助公路设计软件，使酗量和设计紧密地结合起来。
另外，正在研制矿山三维信息系统，该系统将包括矿山的几何信息和地质信息，能立即给出矿山任一点的有关特性，矿体的体积和形状，矿山巷道网络，矿休的纵、横断面和投影图等。
此外，随着采矿的进行，新的数据不断采集，系统的数据库及时地更新。
（六）新技术的发展对测绘高等教育的影响
当今测绘发展的特点可概括如下:
1.数据采集更加自动化，因而对测量人员的技术要求降低，只要读懂说明书就能很好地采集数据。
2.概念的改变，新的测量技术不再是原有技术的改进，而且基于不同的概念，如GPS，Geometries，实时摄影等；3.综合系统的出现。
以前，数据采集、处理、表示和分析等过程是独立进行的，现正在综合成单一系统。
另外，测量人员的责任也不再是我们传统理解的那样，而是更加广泛了。
FIG对测量师的定义充分地说明了这一点:
“测量师从事量测科学实践，集合并评价土地及地理信息，利用这些信息进行土地，海洋及其地面建筑物的规划和有效地管理”。
测绘的新发展不断对高等教育提出新的要求和任务，我们必须不断地调整我们教学计划才能满足发展的需要。
应当充分认识到，人才的培养需要时间，因此我们的教育要能预测至少5-6年后的发展，才能使学生毕业后尽快地适应社会的要求。
工程测量系充分地注意到这种发展，因此在过去几年中开设了十几门选修课，教给学生以新的技术和方法。
在今年，我们正准备全面地修订教学计划和课程设置，重点是讨论工测系的学生应有什么样的知识结构，尽量要平衡好实践环节和理论学习的关系，传统方法、技术与近代发展的关系，测量知识与工程知识的关系。
综上所述，工程测量的发展趋势和特点可概括为：
测量内外业作业的一体化；数据获取及处理的自动化；测量过程控制和系统行为的智能化；测量成果和产品的数字化；测量信息管理的可视化；信息共享和传播的网络化。
现代工程测量发展的特点可概括为：
精确、可靠、快速、间便、连续、动态、遥测、实时。
我国工程测量科技进步很大，发展很快，取得了显著成绩；但是发展还很不平衡，尚跟不上国民经济建设发展和社会进步的需要。
摆在我们面前的任务是：
大力促进工程测量技术方法与手段的更新换代，积极推动新技术的推广与应用，充分利用GPS
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