1、目 錄一、精密工程測量的定義和特點1二、精密工程測量研究的主要內容1三、精密工程測量的若干發展與應用4四、應用精密三角高程測量進行跨河水準測量41. 正高高差計算及誤差分析42. 跨河測距三角高程的精度估算63. 自動化全站儀在跨河測量中的應用74. 總 結8參考文獻9鍵入文檔副標題摘 要由于空間科學的發展、進行大型特種精密科學實驗以及各種現代化建設的需要，工程建筑物的規模越來越大，建筑物的結構和內部設施也越來越復雜。為了保證大型精密設備的安裝和正常運行，不但對各種工藝構件間相互位置的精度要求越來越高，而且對測量的速度要求越來越快?，F代科技的發展促進了工程測量學的發展，作為這門學科的擴展和延伸

2、，出現了精密工程測量。精密工程測量的主要任務是解決各種大型和特種精密工程所提出的極高精度要求。 在大型特種精密建筑物中，最典型的工程建筑物要數高能離子加速器工程。 此外還有：大型核電站、高速磁懸浮、大型射電天文望遠鏡等等。這些大型特種精密工程的特點是： 由于它們的大型化和稀有性，耗資巨大，并且必須確保在極其安全可靠的狀態下無故障、高效能的運行，因此它們的精度要求特別的高，絕對精度 達到毫米級別，相對測量精度達到1×。本文將以跨河為例來談談精密工程測量的這些特點。關鍵詞：精密工程測量；測量機器人；工程形變監測；專用儀器；測量軟件；控制網布設；工程測量；相對精度；跨河水準一、精密工程測量

3、的定義和特點工程測量分為普通工程測量和精密工程測量。仿照工程測量學的定義，精密工程測量主要是研究地球空間中具體幾何實體的精密測量描繪和抽象幾何實體的精密測設實現的理論、方法和技術。精密工程測量代表工程測量學的發展方向。所謂精密，顧名思義是精確嚴密。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11 000 000 ，觀測量是10 m和是10 km 時，精度分別為0.01 mm 和10 mm ，故有可比性較

4、差的缺點；另一種是一點相對于另一點，特別是鄰近點的精度，這種相對精度與基準無關，便于比較，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于其真值的精度，這一精度指標應用最多(下面所提精度，都指這種精度)。由于真值難求，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于基準點的精度，該精度與基準有關，并且只能在相同基準下比較。由于精度的含意較多，而且隨測量技術的發展又在不斷提高，有什么精度要求的測量才能稱為精密工程測量就很難給出一個確切的定義。這里我們給出以下定義：凡是

5、采用一般的、通用的測量儀器和方法不能滿足工程對測量或測設精度要求的測量，統稱精密工程測量。大型工程、特種工程中并非所有的測量都是精密工程測量。因此，大型工程、特種工程不能與精密工程并列。但是，大型特種工程中一定包括一些或許多精密工程測量。3 維工業測量、工程變形監測中的許多測量也屬于精密工程測量。就精度而言，在工業測量中，在設備的安裝、檢測和質量控制測量中，精度可能在計量級，如微米乃至納米；在工程變形監測中，精度可能在亞毫米級；在工程控制網建立中，精度可能在毫米級。長、大隧道的橫向貫通精度雖然在厘米、分米級，但對測量精度要求很高，仍屬于精密工程測量。精密工程測量的另一個特點是對測量的可靠性要求

6、也很高，包括測量儀器的鑒定檢核、測量標志的穩定、測量方法的嚴密、測量方案的優選、觀測量之間的相互檢查控制，以及嚴密的數據處理和對測量的質量檢查控制以及監理等等。二、精密工程測量研究的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件研發等方面。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件研發等方面。北方向等。對于工程而言，小范圍要求在幾何平面上進行設計施工放樣，大范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

7、必須小于測量誤差。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于國家大地測量控制網。網的優化設計、精度、可靠性、費用和靈敏度設計計算要求更加精細，如要求采用基于觀測值內部可靠性的精密測量控制網模擬法優化設計、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

8、以及對規范要求的理解等問題。GPS 網在很大程度上逐漸取代地面網，對于邊長懸殊極大(從幾十米到幾十千米) 的工程控制網，用精密星歷解算基線，精度也可達毫米級，但對于許多精密工程來說，不能采用單純的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。對于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、人工神經網絡、分形幾何以及小波理論等是數據挖掘的基礎理論。分類

9、、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，分類用于規則描述，并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系；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征進行預測等等。采用人工神經網絡技術可用于大壩變形預報，用模糊數學理論處理觀測誤差，采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、信息論、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

10、科變形預報的系統論方法。主要有兩種：一種是輸入2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復雜系統，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絡法等；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。在精密工程測量儀器方面，多傳感器集成測繪系統、激光跟蹤儀、激光掃描儀、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，激光掃描儀

11、可對被測對象在不同位置掃描、建模并轉換到CAD 成圖，在土木工程、建筑監測、路橋設計、3 維建模、工業設計制造以及GIS 數據采集等方面有廣闊的應用前景。車載、機載激光掃描測量將成為地面數據采集的主要手段。一種由測量小車、測量機器人、激光測距斷面儀、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量系統是一種典型的多傳感器集成測量系統，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. 5 mm(圖1) 。由GPS 接收機、激光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，可用于活動性滑坡臨滑前的持續

12、監測預報(圖2) 。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筑進行持續的自動監測和變形預報。高速鐵路軌道多傳感器集成測量系統在現代測量中，軟件的研發與測量儀器設備的研制具有同等重要的意義。精密工程測量的軟件包括三大方面：與測量儀器或多傳感器集成的測量系統相配套的隨機軟件；用于科研的科研型軟件；面向廣大用戶的商品化通用軟件。隨機軟件由廠商開發，如GPS 接收機的基線向量解算和網平差軟件，電子全站儀的機載軟件等，目前多已實現漢化，具有最常用的功能；科研型軟件的專用性強，具有特殊的和高難的功能。一般來說使用較復雜，不易掌握。如用精密星歷解算長

13、基線的Gamit ，Berness 軟件。用于精密工程控制網數據處理和平差計算的科研型軟件除了具有一般的常用功能外，還具備以下功能：可作自由網平差或擬穩自由網平差；可對不同類型、不同精度觀測值按不等權進行整體平差；可作距離改化、方向改化計算；能自動組成全部三角形并作計算閉合差和限差檢驗；自動組成測角、測邊全部極條件，并計算其自由項及限值；自動計算坐標方位角、基線或測距邊條件的自由項及其限值；還可以作觀測值的可靠性因子(多余觀測分量) 計算、邊角權匹配計算、粗差檢驗及靈敏度分析等。商用化通用軟件的特點是功能強大，使用方便。下面介紹幾個典型的商品化軟件。1. 現代精密工程測量控制網數據處理通用軟件

14、包Cosa - Win?？勺魅我饩W形(從導線、導線網到邊角網、混合網、特殊網等) 、任意規模(未知點數從1104) 、任意等級平面網、水準網或三角高程網的各種嚴密數據處理：觀測值改化、概算、近似坐標、閉合差自動計算、粗差探測、方差分量估計、隧道貫通誤差影響值計算、地面網和GPS 網優化設計、坐標轉換、網圖顯繪、報表輸出以及變形監測網的擬穩平差和變形分析等。2. 精密GPS 控制網通用平差軟件包(Cosa -GPS) ?？膳c各種GPS 接收機的基線向量軟件接口，讀入基線向量及其方差協方差，在WGS284 坐標系下進行3 維網的無約束平差，在高斯平面坐標系下進行2 維無約束平差、約束平差，與地面測

15、邊網聯合平差，進行GPS 高程擬合。3. 測量機器人變形監測軟件包。具有工程管理、系統初始化、學習測量、自動測量、數據處理、數據查詢、成果輸出、工具、幫助等功能。該軟件包安裝在便攜機上，便攜機和測量機器人連接，用軟件包控制測量機器人工作。以基點(測量機器人的位置)為基準，一已知點定向，另一已知點檢查，根據極坐標原理，可獲得各個測點的坐標。該法外業觀測簡單省時，效率高。如對某滑坡監測，常規方法外業觀測需3 天，而采用該方法卻不到2 小時。數據處理也實現了自動化。4. 測量機器人控制網自動觀測軟件包。可實現工程管理、參數設置、測站設置、學習測量、自動觀測和成果輸出等功能。該軟件包是直接植入測量機器

16、人，實現測量機器人自動觀測，進行設置和初始觀測后，測量機器人就可按照設定的精度、測回數等進行全自動觀測。這樣可大大節省外業觀測的時間和人力，如某滑坡監測網有15 個點，采用人工觀測至少要15 天，而用測量機器人僅需5 天。還可與后續的軟件相接，進行網平差。三、精密工程測量的若干發展與應用精密工程測量的發展也可概括為“四化”和“十六字”，所謂“四化”是：工程測量內外業作業的一體化，數據獲取及其處理的自動化，測量過程控制和系統行為的智能化，測量成果和產品的數字化?！笆帧笔牵?連續、動態、遙測、實時、精確、可靠、快速、簡便。包含精密工程測量的典型工程非常多，如我國舉世矚目的長江三峽工程和其他的大

17、型水利樞紐工程，長達30 km 多的杭州灣大橋、上海東海大橋以及其他特大橋梁工程，長18. 5 km 的秦嶺隧道、長達85. 3 km 的大伙房引水隧道以及其他特長隧道工程，上海磁浮鐵路、東方明珠塔和國家大劇院等特種工程，香港大佛工程，北京正負電子對撞機工程，大型大壩變形監測工程，高邊坡和滑坡巖崩變形監測工程，大型設備的安裝、檢測和質量控制等都屬于精密工程測量的范疇。國外的典型大型工程、特種工程更是數不勝數， 單就大型粒子加速器而言，歐洲原子核研究中心的環形正負電子對撞機LEP ， 整個工程位于直徑8. 6 km、周長27 km 且深度達百米的地下環形隧道，布設有5 000 多塊四極聚焦磁鐵和

18、兩極彎轉磁鐵。瑞士的阿爾卑斯山隧道長57 km ，據報道其造價與我國的長江三峽工程相當。而建筑工程師夢寐以求的建造2 000 m 乃至更高的摩天大廈，都是對精密工程測量的挑戰。下面以應用精密三角高程測量進行跨河水準測量為例說明精密工程測量的應用。四、應用精密三角高程測量進行跨河水準測量當水準路線必須跨越江河或峽谷時，視線將超出常規水準的長度或前后視距相差很大，一方面水準尺讀數的精度將會降低，另一方面水準儀t 角誤差及大氣折光的影響也會急劇增大。當水準路線跨越江河，視線長度超過100 m 時，應根據視線長度和儀器設備情況，選擇適當的跨河水準測量方法。三角高程測量是測量高程的傳統方法，以其快速、簡

19、便且能保證一定精度而深受測繪工作者喜愛。特別是近年來全站儀的發展提高了測角和測距的精度，目前全站儀測角精度達到+0.5" ,測距精度達到，同時自動化程度越來越高。自動全站儀能自動識別、跟蹤和精確照準目標，大大提高了工作效率。因此，以全站儀代替水準儀進行高程測量，無疑具有明顯的經濟效益和社會效益。目前，三角高程測量己可以代替三四等跨河水準測量，但用于代替精密跨河水準測量仍處在研究階段，已有不少文獻就此進行研究，并得出了一些結論。1. 正高高差計算及誤差分析三角高程測量單向觀測的高差計算為 （1）其中，D 為平距；為垂直角川為儀高；U 為標高；k 為大氣垂直折光系數占為地球半徑。誤差關系

20、式為 （2）由此可以看出，三角高程測量的精度除了受測距中誤差、垂直角觀測中誤差、儀器和幌標量高誤差外，還受大氣折光和地球曲率的影響。由(2) 式可知，對的影響為跨河距離D<<R ，故可近似為。對的影響為，使用TC2002全站儀，儀器標稱精度為。垂直角觀測中誤差取±0.5秒，現將和D 分別取不同的值時，和對的影響列于下表表1 不同和D時，和對 的影響 （單位：mm）從表1中可以得出以下結論:(1) 對的影響遠遠大于對的影響?？梢姡瑴y角誤差是三角高程測量的主要誤差來源，因此要盡可能采用高精度的測角儀器，觀測時要保證成像清晰穩定，并適當增加測回數。(2)對的影響隨角度增加的變化

21、量較大，而隨距離增加的變化量較小，因此觀測角度不能超過一定范圍。(3)對的影響隨角度增加的變化量較小，而隨距離增加的變化量較大。因此跨河長度需控制在一定范圍內，這就要求跨河點位盡量選擇在河道狹窄處。對于儀器和艦標量高中誤差，按常規的方法量測儀器高和艦標高，精度很難滿足要求，可以采用水準標尺讀數法確定儀器高和胡標高，在測站通過全站儀觀測水平視線在近標尺點上的標尺讀數，根據兩點間的己測水準高差計算儀器高。這種方法測定的儀器高比直接量取準確，精度可以達到0.1 mm。大氣折光影響也是三角高程測量的一項主要誤差來源。在跨河三角高程測量時，大氣折光對高差的影響具有一定的特殊性?？绾右暰€不僅通過地面，而且

22、通過水面，由于地面和水面上空空氣密度分布不均，形成了視線兩端向上彎曲，中間向下彎曲的"U" 型曲線。故通過對向觀測取平均值，可以消除一部分大氣折光影響。如果觀測是在同樣情況下進行的，特別是同一時間內進行對向觀測，則可以近似地假定對向觀測的折光系數是相同的。因此，為了削弱大氣折光對三角高程測量的影響，凡是三等以上(含三等)三角高程測量的垂直角都應做到對向觀測，最好是同時對向觀測。2. 跨河測距三角高程的精度估算 要測跨河的A 、B 點之間的高差，由于交通工具的限制，不便迅速搬站，必須采用2 臺同樣精度的全站儀和2 個同樣的照準裝置，進行對向觀測，即先將儀器置于A 點， B 點

23、安置反射棱鏡，直接測定高差，再將儀器置于B 點， A 點安置反射棱鏡，直接測定高差。然后取兩高差的中數作為觀測結果。儀器高通過水準標尺讀數法獲得，觀測之前將2 個照準裝置的棱鏡高設置成相同的，邊長垂直角均對向觀測，垂直角觀測6 測田，邊長觀測4 測回。觀測使用TC2002 全站儀。 根據三角高程測量單向觀測的高差計算公式，可得對向觀測高差的計算公式如下: (3)令， ， 又，則(3) 式可以化為 (4)對于(4) 式，由誤差傳播定律可得高差中誤差的計算公式為 (5) 為便于計算，令，儀器量高中誤差取±0.1 mm ，參考有關資料取±0.01，和分別取不同的值時，高差中誤差的

24、取值情況列于表2。以2作為限差與國家二等水準測量限差比較，列于表3 。從表2 和表3 可以看出:(1) 高差中誤差隨邊長的增大而增大的量較大，因此，要控制邊長保證精度。 (2) 利用精密三角高程測量實現跨河水準，跨河距離不能超過1 500 'm 。 (3) 當跨河距離不超過1 000 m 時，觀測垂直角可以放寬到15°距離小于1 200 m 時，垂直角控制在8°以內，滿足二等水準測量的要求。(4) 跨河水準用測距三角高程法時，其視線垂直角小于1°。表3 表明，高差中誤差隨垂直角增大而增大的量甚小，在一定的邊長范圍內，即使垂直角超過規范要求仍能保證必要的精度

25、，這對于跨河兩岸高差較大的情況具有實際意義。3. 自動化全站儀在跨河測量中的應用 自動化全站儀，也稱測量機器人，是集自動目標識別、自動照準、自動測角、自動測距、自動跟蹤目標及自動記錄于一體的測量系統。測量機器人用于跨河測量具有以下優點: (1) 測角精度很高，大大減小了由測角引起的誤差。 (2) 具有自動目標識辨(Automatic TargetRecogni tion ，簡稱ATR) 功能，可以自動尋找并精確照準目標;允許在目標處使用普通的棱鏡，而元需昂貴的特殊棱鏡或添置電源等配件。 (3) 可以自動進行氣象改正，克服氣象代表性誤差。 (4) 建立高精度的參考站，采用隨時改正的測量方案，可以

26、消除和減弱各種誤差(外部的和儀器內部的)對測量結果的影響，大幅度地提高測量精度?，F以TCA2003 自動化全站儀為例來說明。其測距精度，測角精度(一測回方向標準偏差)為±O. 5" ，若角度觀測6 測固，取=±0.2" ，其他參數取值不變，和分別取不同的值時，高差中誤差的取值情況，見表4 所列。同樣，以2為限差，與國家一二等水準測量限差比較列于表5 。不難看出，僅僅一項測角精度的提高，使得精密三角高程測量實現跨河水準更為容易。距離不超過2000 m 的情況下，可以達到國家二等水準測量的精度;跨河距離小于1000 m 時，垂直角控制在10°以內，

27、可以滿足國家一等水準測量的要求。4. 總 結本文對精密三角高程測量實現跨河水準的精度從理論上進行了分析，分析結果表明，在觀測合理、處理方法得當的情況下，精密三角高程測量可以很容易實現國家二等水準測量。使用目前的高精度自動化全站儀，除了使操作更加便利外，可以提高三角高程測量的精度和實現更長距離的跨河測量，甚至有望實現跨江水準測量。另外，對于短距離跨河測量，可以達到國家一等水準測量的精度。此外，實施跨河水準測量需要注意以下幾點:(1) 測角誤差是高差誤差的主要來源之一，因此要盡可能的采用高精度的測角儀器，觀測時要保證成像清晰穩定，并增加測回數來提高測角精度。 (2) 垂直角在短距離測量高差中，影響

28、高差值較大，在長距離測量高差中，影響高差值較小，所以在短距離測定高差中，應使儀器高與棱鏡高的差距盡量縮小。(3) 跨河水準測量受氣象因素影響極大，因此觀測應選在無風或微風天氣進行，在氣溫變化較大時應停止觀測。大氣折光影響是個比較復雜的問題，本文參考了有關資料取為±0.01。(4) 兩岸同時對向觀測，可以極大地提高精度，消除或減弱儀器高誤差、大氣折光差、地球曲率誤差等多項誤差。 (5) 隨著跨河視線長度的增加，高差中誤差急劇增大，因此在條件允許的情況下，要盡可能縮短跨河視線長度，將跨河水準點選在河道最窄處。(6) 對向觀測的2 個鏡站設置同樣標高，消除了標高誤差。但觀測時，要經常注意儀器及棱鏡桿的圓水準器氣泡是否居中，精度要求高時，應建造強制對中裝置。鄭州城市職業學院畢業設計（論文）致謝回顧兩年多以來的學習和生活，我在學業和生活上得到了眾多老師、同學和朋友們的熱心幫助和有力支持。在此，我要向他們表示我誠摯的謝意首先，今日論文的完稿，多承黑老師您的悉心指導，同時在學業上給了我大量的、極其有益的建議和具體的指導，并在論文的撰寫和審稿中傾注了大量的心