[科普中國(guó)]-精密工程測(cè)量

基本介紹

精密工程測(cè)量是指以毫米級(jí)或更高精度進(jìn)行的工程測(cè)量。重要的科學(xué)試驗(yàn)和復(fù)雜的大型工程，例如高能加速器設(shè)備部件的安裝、衛(wèi)星和導(dǎo)彈發(fā)射軌道及精密機(jī)件傳送帶的鋪設(shè)等，都要進(jìn)行精密工程測(cè)量。除常規(guī)的測(cè)量?jī)x器和方法外，常需設(shè)計(jì)和制造一些專用的儀器和工具。計(jì)量、激光、電子計(jì)算機(jī)、攝影測(cè)量、電子測(cè)量技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)等也已應(yīng)用于精密工程測(cè)量工作中。

測(cè)量技術(shù)精密工程測(cè)量技術(shù)包括精密地直線定線、測(cè)量角度（或方向）、測(cè)量距離、測(cè)量高差以及設(shè)置穩(wěn)定的精密測(cè)量標(biāo)志。從測(cè)量方案設(shè)計(jì)、實(shí)地施測(cè)到成果處理和利用的各個(gè)階段中都要利用誤差理論進(jìn)行分析。

定線通常用精密經(jīng)緯儀進(jìn)行，以其望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)面為基礎(chǔ)，從而測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)的橫向偏離值。要求高精確度時(shí)可用專用的準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡。張緊的弦線也可用作基準(zhǔn)線，并用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量設(shè)備部件距離基準(zhǔn)線的垂距。激光束也可作為基準(zhǔn)線，有時(shí)使激光束經(jīng)菲涅耳波帶板干涉形成光點(diǎn)或亮十字絲像，配合光電接收靶進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量，如果激光束在真空管道中傳輸，則波帶板準(zhǔn)直法精度可以達(dá)準(zhǔn)直長(zhǎng)度的10的-7次方數(shù)量級(jí)。

測(cè)角角度（或方向）用經(jīng)緯儀測(cè)量。觀測(cè)時(shí)要用適當(dāng)?shù)姆椒p少或避免望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差及其他儀器誤差的影響，要選擇或創(chuàng)造良好的觀測(cè)條件以削弱外界因素的不良影響，要盡量減少儀器和目標(biāo)偏心差的影響，必要時(shí)可在觀測(cè)成果上加入儀器豎軸傾斜改正數(shù)及測(cè)微器讀數(shù)的行差改正數(shù)。

測(cè)距較短距離的精密測(cè)量，主要用因瓦合金制成的線尺或帶尺，配備特制的對(duì)中設(shè)備和讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行。丈量時(shí)尺子的拉力要保持恒定，可采用空氣軸承的滑輪或刀口支承，要提高讀數(shù)的精度，可應(yīng)用讀數(shù)顯微鏡或?qū)ｉT的精密機(jī)械測(cè)微裝置，使讀數(shù)誤差減少至微米級(jí)。用激光干涉的方法測(cè)量距離，其誤差和波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)。雙頻激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀，可以測(cè)量長(zhǎng)至50米左右的距離，其反光鏡要沿導(dǎo)軌移動(dòng)，并可用以精確測(cè)定其他尺子的長(zhǎng)度。較長(zhǎng)的距離宜用精密的光電測(cè)距儀測(cè)量，測(cè)距達(dá)2.5公里，測(cè)距的相對(duì)精度可達(dá)10的-8次方數(shù)量級(jí)。

測(cè)高測(cè)量高差通常用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行。當(dāng)視線短至5～10米時(shí)，測(cè)量高差的精度可以達(dá)到 0.05毫米左右。用帶有機(jī)械測(cè)微裝置的精密水準(zhǔn)器安裝設(shè)備時(shí)，測(cè)量相距不到 1.5米的兩點(diǎn)高差精度，可以達(dá)到0.01毫米左右。用精密的液體靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量高差的誤差可減少至幾個(gè)微米。應(yīng)用電子技術(shù)判斷水準(zhǔn)器氣泡居中的精度為0.5"。

標(biāo)志精密工程測(cè)量要在相應(yīng)的標(biāo)志上進(jìn)行。平面標(biāo)志應(yīng)能使測(cè)量?jī)x器在標(biāo)志上面精確就位。為此常采用某種強(qiáng)制對(duì)中裝置。例如球與圓柱孔配合的對(duì)中裝置，可使儀器在標(biāo)志上的對(duì)中誤差小于0.1毫米，精密研磨的軸與軸套匹配的裝置，可使對(duì)中誤差小于0.01毫米。在精密工程測(cè)量工作中，要求標(biāo)志與設(shè)備或設(shè)備基礎(chǔ)精確地、牢固地連接。一項(xiàng)工程要有若干個(gè)絕對(duì)位置非常穩(wěn)定的平面和高程基準(zhǔn)點(diǎn)，最好用基巖標(biāo)志作為基準(zhǔn)點(diǎn)；在軟土地區(qū)可用深埋鋼管標(biāo)志作為高程基準(zhǔn)點(diǎn)，用倒錘作為平面基準(zhǔn)點(diǎn)。倒錘的標(biāo)志錨固在地表下幾十米深處，標(biāo)志上系一根柔性絲，用浮力把它向上拉緊。絲上任何一點(diǎn)的平面坐標(biāo)與地下標(biāo)志的平面坐標(biāo)完全一致。在較大的施工場(chǎng)地上，通常先設(shè)置一系列精密控制點(diǎn)作為放樣的依據(jù)，以使繁多的部件精確安裝在設(shè)計(jì)位置上。高程控制一般采用水準(zhǔn)網(wǎng)。平面控制網(wǎng)可以是測(cè)角網(wǎng)、邊角網(wǎng)、測(cè)邊網(wǎng)等。也可以布設(shè)三維網(wǎng)，同時(shí)測(cè)定各點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。控制網(wǎng)的形狀常受工程形狀所制約，例如線形工地上宜布設(shè)直伸形網(wǎng)，環(huán)形工地上宜布設(shè)環(huán)形網(wǎng)。精密工程控制網(wǎng)常有較多的多余觀測(cè)，提供可靠的校核并提高測(cè)定待定點(diǎn)坐標(biāo)和高程的精度（見(jiàn)工程控制測(cè)量）。

特點(diǎn)精密工程測(cè)量的最大特點(diǎn)是要求的測(cè)量精度很高。精度這一概念包含的意義很廣，分相對(duì)精度和絕對(duì)精度。相對(duì)精度又有兩種，一種是一個(gè)觀測(cè)量的精度與該觀測(cè)量的比值，比值越小，相對(duì)精度越高，如邊長(zhǎng)的相對(duì)精度。但比值與觀測(cè)量及其精度這兩個(gè)量都有關(guān)，同樣是1∶1000000，觀測(cè)量是10m和是10km時(shí)，精度分別為0.01mm和10mm，故有可比性較差的缺點(diǎn);另一種是一點(diǎn)相對(duì)于另一點(diǎn)，特別是鄰近點(diǎn)的精度，這種相對(duì)精度與基準(zhǔn)無(wú)關(guān)，便于比較，但是各種組合太多，如有100個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)就有99個(gè)這樣的相對(duì)精度。絕對(duì)精度也有兩種，一是指一個(gè)觀測(cè)量相對(duì)于其真值的精度，這一精度指標(biāo)應(yīng)用最多。由于真值難求，通常用其最或是值代替。但這一絕對(duì)精度指標(biāo)也有弊病，有時(shí)，它也與觀測(cè)量的大小有關(guān)，如長(zhǎng)度觀測(cè)量。另一種是指一點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，該精度與基準(zhǔn)有關(guān)，并且只能在相同基準(zhǔn)下比較。

研究主要內(nèi)容精密工程測(cè)量的研究?jī)?nèi)容主要包括精密工程測(cè)量的理論、技術(shù)、方法、專用的儀器設(shè)備以及測(cè)量軟件研發(fā)等方面。精密工程測(cè)量的理論、技術(shù)和方法是以大地測(cè)量學(xué)為基礎(chǔ)的。因?yàn)樗袦y(cè)量工作都要涉及參考面和線，如地球橢球體、大地水準(zhǔn)面、垂線、經(jīng)緯線、真北方向等。對(duì)于工程而言，小范圍要求在幾何平面上進(jìn)行設(shè)計(jì)施工放樣，大范圍有時(shí)要穿過(guò)好幾個(gè)3度帶，而且高差也較大，就必須作橢球面向平面的歸化計(jì)算，作局部大地水準(zhǔn)面的精化，以及換帶和投影計(jì)算。歸化、投影等改正計(jì)算誤差必須小于測(cè)量誤差。因而，工程基準(zhǔn)面和局部坐標(biāo)系的設(shè)計(jì)是精密工程測(cè)量的重要問(wèn)題。

工程控制網(wǎng)在許多方面有別于國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)。網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、精度、可靠性、費(fèi)用和靈敏度設(shè)計(jì)計(jì)算要求更加精細(xì)，如要求采用基于觀測(cè)值內(nèi)部可靠性的精密測(cè)量控制網(wǎng)模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)、觀測(cè)值多維粗差定位與定值和方差分量估計(jì)算法等。一般來(lái)說(shuō)工程控制網(wǎng)的長(zhǎng)短邊相差懸殊，點(diǎn)之間高差也很大，GPS和地面觀測(cè)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(duì)網(wǎng)作精心布設(shè)。同時(shí)還涉及GPS邊、地面邊之間的精度匹配、地面邊角測(cè)量精度匹配的影響。GPS網(wǎng)、地面邊角網(wǎng)以及混合網(wǎng)的布設(shè)問(wèn)題涉及到測(cè)距三角高程測(cè)量、精密幾何水準(zhǔn)的選取以及對(duì)規(guī)范要求的理解等問(wèn)題。GPS網(wǎng)在很大程度上逐漸取代地面網(wǎng)，對(duì)于邊長(zhǎng)懸殊極大（從幾十米到幾十千米）的工程控制網(wǎng)，用精密星歷解算基線，精度也可達(dá)毫米級(jí)，但對(duì)于許多精密工程來(lái)說(shuō)，不能采用單純的GPS網(wǎng)、GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)、特別是與高精度測(cè)邊相結(jié)合乃是最新的發(fā)展方向。在精密工程測(cè)量特別是工程變形分析中涉及到數(shù)據(jù)處理理論和方法的研究。如非線性隨機(jī)模型的參數(shù)估計(jì)、非參數(shù)估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)理論。

對(duì)于海量變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，要研究數(shù)據(jù)挖掘理論與方法，即要從大量的、模糊的和隨機(jī)的各種數(shù)據(jù)源中，提取隱含在其中的有用信息和知識(shí)。統(tǒng)計(jì)分析、模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形幾何以及小波理論等是數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)理論。分類、模糊聚類、關(guān)聯(lián)分析、回歸分析、時(shí)序分析、偏差分析以及預(yù)測(cè)分析等是數(shù)據(jù)挖掘的常用方法。其中，分類用于規(guī)則描述，并用這種描述來(lái)構(gòu)造模型；模糊聚類是把數(shù)據(jù)按相似性分成類，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布模式以及數(shù)據(jù)屬性間的關(guān)系；關(guān)聯(lián)分析是尋找數(shù)據(jù)中隱藏的關(guān)聯(lián)網(wǎng)、關(guān)聯(lián)規(guī)則和相關(guān)性；預(yù)測(cè)分析是利用大量的已有數(shù)據(jù)通過(guò)建模找出變化規(guī)律，由此對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)及特征進(jìn)行預(yù)測(cè)等等。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于大壩變形預(yù)報(bào)，用模糊數(shù)學(xué)理論處理觀測(cè)誤差，采用模糊聚類分析可對(duì)大壩的安全進(jìn)行評(píng)判。

在變形的幾何分析和物理解釋基礎(chǔ)上，要研究變形預(yù)報(bào)的理論和方法，涉及系統(tǒng)論、控制論、信息論、突變論、協(xié)同論、小波、分形、混沌理論和耗散結(jié)構(gòu)等許多非線性學(xué)科變形預(yù)報(bào)的系統(tǒng)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(gè)具有非線性、耗散性、隨機(jī)性、外界干擾不確定性等特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，各種外界影響因子為輸入，而變形為輸出，有回歸分析法、時(shí)間序列法、卡爾曼濾波法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等；另一種是動(dòng)力學(xué)方程法，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律建立確定的微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，在對(duì)系統(tǒng)受力和變形認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，用低階、簡(jiǎn)化的，在數(shù)學(xué)上可求解和可分析的模型來(lái)模擬變形過(guò)程。1

應(yīng)用在精密工程測(cè)量?jī)x器方面，多傳感器集成測(cè)繪系統(tǒng)、激光跟蹤儀、激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人、各種高精度GPS接收機(jī)、電子全站儀、水準(zhǔn)儀以及各種專用測(cè)量?jī)x器，為精密測(cè)繪提供了技術(shù)保障。其中，激光掃描儀可對(duì)被測(cè)對(duì)象在不同位置掃描、建模并轉(zhuǎn)換到CAD成圖，在土木工程、建筑監(jiān)測(cè)、路橋設(shè)計(jì)、3維建模、工業(yè)設(shè)計(jì)制造以及GIS數(shù)據(jù)采集等方面有廣闊的應(yīng)用前景。車載、機(jī)載激光掃描測(cè)量將成為地面數(shù)據(jù)采集的主要手段。一種由測(cè)量小車、測(cè)量機(jī)器人、激光測(cè)距斷面儀、激光掃描儀和軌距、軌道高差、軌道里程傳感器組成的高速鐵路軌道測(cè)量系統(tǒng)是一種典型的多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鐵道軌道的自動(dòng)化測(cè)量，軌道限界2維斷面測(cè)量和隧道3維斷面測(cè)量其軌距和軌道高差精度可達(dá)到0.5mm。由GPS接收機(jī)、激光測(cè)距儀組成的遠(yuǎn)程位移測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的遠(yuǎn)距離遙控遙測(cè)遙傳實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)，可用于活動(dòng)性滑坡臨滑前的持續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。由各種專用監(jiān)測(cè)儀器、現(xiàn)代大地測(cè)量?jī)x器以及空對(duì)地觀測(cè)儀器組成的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡和各種工程建筑進(jìn)行持續(xù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和變形預(yù)報(bào)。1