我国工程测量的发展现状与思考

2015-02-06邹进贵徐进军花向红郭际明徐亚明梅文胜

地理空间信息 2015年3期

关键词：全站仪高精度测绘

邹进贵，徐进军，花向红，郭际明，徐亚明，梅文胜

（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079）

我国工程测量的发展现状与思考

邹进贵1，徐进军1，花向红1，郭际明1，徐亚明1，梅文胜1

（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079）

对工程测量的涵义进行了诠释，从工程控制网布设、工程地形图测绘、重大工程施工与安全监测、工业测量和专用地理信息系统等方面，对其理论、方法、技术与装备的现状进行了分析。结合国民经济和国防建设的新要求，提出了在高精度三维工程测量参考框架建立、多传感器集成的智能化测量装备研制、异构多源数据融合的工程测量数据处理与可视化、基于云计算与物联网的工程信息增值服务、北斗卫星导航系统的深层次应用和工程测量标准化体系建设与国际化竞争等方面的发展思路，指明了工程测量的未来发展方向。在信息化测绘与工程项目国际化背景下，需要在理论与方法、技术与装备等方面开展更深入研究，在人才培养上与国际工程教育接轨，寻找我国工程测量新的增长点。

工程测量；三维参考框架；信息化测绘；智能化测量装备；数据融合；增值服务

工程测量学经历了从简单到复杂，从手工操作到人工智能，从接触测量到无接触遥测，从普通精度测量到高精度测量，从狭义的土木工程测量到广义工程测量的发展道路。正如马西斯教授所指：“一切不属于地球测定，不属于有关国家地图集的地形测量和不属于官方测量的实际测量项目，都属于工程测量。”工程测量学成为研究采集、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、方法和技术的应用学科[1]。随着计算机技术、通信技术、空间技术和地理信息技术的发展，工程测量的理论基础、技术体系、研究领域和科学目标都在发生深刻变革。

1 我国工程测量的发展现状

随着我国经济建设和社会发展的不断加快，工程测量的重要作用日益突出，应用领域和服务范围越来越广，包括城市建设、建筑工程、交通、矿山、地籍与房产、航空航天、水利水电以及工业、医学、公安和国防等。近年来，我国相继完成了三峡工程、青藏铁路、国家体育场、国家大剧院、中央电视台新台址、杭州湾跨海大桥、上海磁悬浮轨道交通工程、武广高速铁路、贵州世界最大的射电望远镜等大型特种精密工程，其中三峡工程、青藏铁路和国家体育场被列入世界十大奇迹工程。这些工程体量大、结构复杂、空间变化不规则和精度要求高，我国工程测量科技人员围绕这些技术问题，在高精度三维工程控制网的快速建立、工程地形图测绘、信息化施工测量技术、智能化安全监测与预警、高精度工业测量和工程测量专用地理信息系统建设等方面开展了深入研究，在理论、方法和应用上取得了重大成就[2]。

1）全球导航卫星系统与全站仪定位系统相结合实现工程控制网灵活布设。全球导航卫星系统（GNSS）已成为布设工程控制网的主要技术方法。利用多台GNSS接收机进行同步观测，通过高精度相对定位建立工程控制网，具有观测时间全天候、控制点之间无需通视、控制网规模大小皆宜等特点，已在我国水利水电、高速铁路、城市地铁、高速公路、大型桥隧等重大工程中得到广泛应用，确保了工程各部位的准确空间关系。

随着北斗卫星导航系统的快速发展，我国在GNSS接收机制造、高精度定位数据处理等方面已接近国际先进水平，国产GNSS接收机得到社会认可，国产控制网数据处理系统成为建立工程控制网的首选软件。

基于GNSS的连续运行参考站（CORS）系统为工程控制网的建设提供了三维动态新方式，为城市基础设施建设、大型跨海跨江等工程提供测量基准，具有更好的整体性和经济性。例如在目前世界最大桥隧结合工程港珠澳大桥建设中，由香港虎山、珠海野狸岛、澳门洋环的CORS站所构成的HZMB-CORS系统，保障了港珠澳大桥海上施工的顺利进行[3]。

在GNSS信号受遮挡的复杂工程环境中，全站仪定位系统（TPS）是快速灵活建立工程控制网的重要手段。利用GNSS测量和全站仪自由设站或导线相结合，快速建立工程控制网，形成了按工程特点灵活建网的技术体系。

在高程控制方面，提出了精密三角高程测量系统、大地水准面精化模型代替高精度水准测量的理论与方法，解决了大范围、长距离和跨海精密高程传递问题，并成功应用于高速铁路、跨海大桥等大型工程中[4]。随着似大地水准面模型在全国范围内的普遍建立与精度提高，GNSS可实现平面坐标与正常高同步测量，真正成为三维高精度工程控制测量的重要手段。

2）测量仪器与技术革新丰富了工程地形图测绘的手段。随着测量仪器与技术的革新，为数字化测图提供了丰富的手段，数字化测图技术也以其精度高、更新快等优点逐渐取代传统测图方法，在城市建设、工程勘测施工等方面得到广泛应用。

地面数字化测图技术主要采用全站仪测记法和电子平板两种模式，在开阔地区用GNSS RTK测量方法，在山高坡陡和危险地区采用无合作目标全站仪、近景摄影测量或激光扫描等方法。

对大范围大比例尺工程地形图可利用数字航空摄影测量技术测制。无人机和飞艇低空摄影测量系统以其快捷灵活的优势，越来越多地应用在线路带状地形图测绘、沿海滩涂测量、城市三维建模、电网设计、输电线路巡检等工程中[5]。

集成惯导、GNSS、激光扫描和全景相机等技术的地面移动测量系统开始在城市大比例尺测图、城市部件和景观测量等方面开展应用[6,7]。

随着国家提出建设海洋强国战略，维护国家主权及对海洋资源开发与利用的需要，对海底地形图测绘也提出了更高要求，无验潮模式下的多波束精密测深技术、多形态海床特征下多波束和侧扫声纳图像配准和信息融合技术、基于地貌图像的海床微地形自动生成技术，可以获取高精度和高分辨率的海床地形地貌，可为海洋工程建设提供基础资料[8]。

3）大型工程建设提升了施工测量技术的水平。各种大型工程建设兴起，促进了施工测量技术与方法的快速发展，各种高新技术与设备不断应用，解决了工程施工测量中的诸多技术难题。

在地铁中，采用全站仪、投点仪和陀螺全站仪组成的联合作业方法进行竖井定向，提高了定向精度。隧道盾构机开挖中，可先将隧道设计参数和放样点坐标输入到智能全站仪，仪器可通过测量自动引导盾构机按设计方向掘进。

精密陀螺全站仪为超长地下工程高精度定向提供了技术保证。如德国DMT公司的Gyromat 3000和国产的GAT陀螺全站仪在10 min内的定向精度可达到±3～5″，在我国南水北调、引汉济渭调水工程长63.6 km的穿越秦岭隧洞、厦门翔安海底隧道等大型地下工程建设中发挥了重要作用[9,10]。

激光准直仪、激光投点仪、数字正垂仪精度高，受外界环境影响小，成为高塔及超高层建筑等特殊施工环境下进行平面基准传递、轴线测控、滑模测偏测扭、垂直度测量等不可或缺的手段。

轨道检测车集成了倾斜仪、测量机器人、里程编码器和位移传感器，如瑞士安伯格公司和南方测绘公司生产的轨检车已成功应用于武广客运专线、京沪高铁等多条线路的轨距、超高、平顺度和轨道曲线要素的高精度检测，保证了高铁施工质量。

利用GNSS技术、通讯技术与工程施工现场的各种机械进行集成，研制的施工碾压系统和机械防撞系统，应用于水布垭堆石坝碾压和广西龙滩水电站施工中塔吊防撞，实现对全过程的实时监控，保证了工程施工安全、质量和工作效率。

未来的工程施工将实现集成和无线化数据采集、自动和网络化数据传输、智能和数值化数据分析、可视和实时化现场监控，形成“施工监测→快速反馈→施工控制→在线管理”的有效循环机制，依托各种测量技术，以空间信息管理系统为平台，建立信息化施工测量体系，成为工程信息化施工的必然趋势[11]。

4）重大工程安全需求推动了自动化监测与变形分析方法的创新。随着国家重大工程及异型工程的大量增加，工程安全监测与分析日益重要，对变形监测的精度、频次、实时性等方面提出了新的要求。高精度、自动化、持续、实时、动态监测已成为现代变形监测的特点。如在湖北隔河岩水电站、山西西龙池抽水蓄能电站建立了GPS高精度自动化变形监测系统，实现了大坝持续无人值守的高精度自动化监测；地铁运营期保护监测也已普遍采用测量机器人自动化变形监测系统[12]；泰州长江公路大桥和苏通长江公路大桥的施工沉井实时定位、上海环球金融中心和深圳帝王大厦的楼顶位移动态监测中，采用了GNSS RTK和CORS技术。这些技术虽然实现了自动化测量，但这种单点监测模式尚不能完全满足实际需求。数字摄影测量、地面三维激光扫描和地基雷达干涉测量技术实现了面式监测，以mm级到亚 mm级的精度获得监测对象表面的细部变形，已应用于矿山开采、滑坡、桥梁等监测中[13,14]。将表面变形、内部变形和物理量进行综合分析，有利于全面了解变形过程、变形原因和分析变形机理。目前除了传统的自由网分析、拟稳分析、平均间隙法等变形分析方法外，更多的研究都集中在对长序列的单模型分析以及组合模型分析，如卡尔曼滤波、小波分析、频谱分析、神经网络、灰色理论、回归分析、模糊分析、突变理论、混沌分析和时间序列分析等方法及其组合应用在变形分析与预报中，取得了较好的效果。由于受资料完整性的限制，目前主要根据单点位置变化监测序列进行变形分析与预报。缺乏各类监测点间的空间同步相关分析、几何量和物理量的联合分析以及点面监测的优化组合与联合分析。

5）现代工业制造与精密设备安装扩展了工业测量应用空间。现代工业生产要求对产品的设计模拟、生产流程、过程控制、质量检验与监控等进行快速高精度检测与定位，从而产生了工业测量系统，如早期的经纬仪交会系统。随着精密制造技术、光电技术、控制技术和通讯技术的发展，出现了诸如工业全站仪、激光跟踪仪、激光扫描仪、工业摄影测量、Indoor GPS等高精度工业测量系统和其他传感器，其测量范围从几m到数十m，精度达亚mm级或者更高，广泛应用于飞机、汽车、轮船等零件的几何检测、部件精确组装、机器手跟踪与校准等。近年来，大型科学研究设备，如高能物理研究所需的各类粒子加速器。深空探测的大型天线、射电望远镜等，在制造、安装、调试等环节中，精度要求高，安装范围大，所受影响多。这些挑战扩展了工业测量的应用空间[15]。2012-10落成的上海65 m射电望远镜高70 m，重2 700 t，其总体性能全球第四，亚洲第一，在施工控制网建立、主面天线面检测、副面调整机构标定等方面就综合采用了工业全站仪、激光扫描仪、激光跟踪仪、数字摄影测量、倾斜传感器等，同时也设计加工了诸多工装配件[16]。相应的数据处理技术主要体现在结合项目实际的特定准则下的控制网平差、数据拟合、坐标变换、气象改正模型等方面。

6）大型工程建设管理促进了工程测量专用地理信息系统的发展。基于GIS、网络与通讯技术，实现工程测量数据采集、处理、分析、存储和展示的一体化，为重大工程提供及时、准确、标准化、数字化的基础空间信息，满足了工程建设各个阶段的科学管理与决策要求。近年来，相继出现了城市地下管线信息系统、房地产管理信息系统、水利工程测量信息系统、大坝安全监测信息系统、地铁安全施工与管理信息系统、南水北调中线工程信息化施工测量系统和钢铁公司总图管理信息系统等，极大地提升了我国工程测量的信息化管理水平。

2 我国工程测量发展的思考

2.1 高精度三维工程测量参考框架建立及其实时动态传递的理论与方法

高精度工程测量参考框架是工程建设项目按设计规格进行建造的测量基准。随着我国国家基础设施建设的快速发展，对工程测量参考框架提出了更高的要求，需要开展高精度三维工程测量参考框架建立及其实时动态传递的理论与方法的研究。

1）研究利用GNSS和TPS建立三维高精度工程测量参考框架的理论与方法，建立mm级似大地水准面模型并引入到GNSS高程测量中，改进垂线偏差及大气折光对TPS观测量的影响模型，实现GNSS与TPS相结合的高精度正常高测量技术，实现高精度平面定位与正常高的实时同步测量。

2）研究三维工程测量参考框架的实时动态传递体系，为移动测量系统实时提供三维位置基准，建立工程施工机械局部独立坐标框架与测绘地理信息数据参考框架的实时动态转换，实现智能施工系统机械手动态定位与避障导向。

3）探索重大工程施工控制网的优化设计体系，完善测量观测值系统误差模型，提高工程测量参考框架的准确度，提高工程施工测量参考框架与工程设计所用坐标系统的兼容性。

4）随着工程设计从二维走向三维，需研究在弯曲的地球表面的工程几何要素的三维量测方法及其与工程控制网的参考框架统一，建立满足国家重大工程施工测量要求的三维地理空间参考框架。

2.2 多传感器集成的工程测量信息智能获取装备。

如何进一步扩展或集成各单一传感器的优势以及研究新的设备，满足科学研究和工程建设新的需要，一直是工程测量装备研究所面临的问题。2014-07-18，国家发展改革委员会和国家测绘地理信息局联合发布了《国家地理信息产业发展规划（2014～2020年）》，提出发展高端地面测绘装备，包括发展数字水准仪、智能化全站仪、三维激光扫描仪、现代工程测量与监控系统等现代测绘地理信息技术装备以及海洋地理信息获取装备，国内市场占有率力争达到50%以上。这为我国工程测量信息智能获取装备的研制带来了前所未有的契机。

1）测量装备功能的多样化。高精度的GNSS接收机和全站仪已经发展得相当成熟。充分发挥其技术优势，进行测量设备的革新，既是现在，也是将来继续进行的工作。例如全站仪与GNSS集成的超站仪，实现控制测量和碎部测量一体化；扫描仪中集成全站仪功能，可以对中、整平和后视点测量，使点云能够快速准确拼接；全站仪集成扫描功能，可以实现局部细节测量；全站仪中集成CCD相机，快速实现近景相片的绝对定向及碎部点的无瞄准测量等。今后类似围绕GNSS、全站仪、CCD、扫描仪等的硬件集成与革新将会继续。几何水准测量虽然实现了数字化，但其测量过程的自动化和智能化方面有待突破。

2）测量装备的专用化。工程建设中，常常会有一些现有设备无法解决或者难以解决的问题，需要研究一些专门的装备。例如地基雷达干涉测量系统IBIS实现远程的微变形遥测；基于结构光原理的遥测坐标系统进行大坝正倒锤线自动化监测；移动测量车能够快速高效地采集城市地物的多种信息；铁路轨道检测车能够精密快速检验轨道的重要几何参数等。它们都是针对一个特殊工程问题而研制的装备。今后在工程建设的各个领域都需要研究新的专用装备解决新问题，如智能管道检测机器人、地下空间信息采集机器人和城市道路挖掘机器人等。

3）测量装备的便携化。目前IBIS-L测量系统、地面三维激光扫描仪、高精度陀螺全站仪以及其他集成装备，总体而言比较笨重，需要进行设备和技术创新，减轻设备重量和缩小体积，以适用于各种工程。

4）机载软件的智能化。现有装备，其自动化测量、智能化测量和简便的操作都离不开装备中相应的软件支撑。研究更多更好、高效可靠的算法，实现数据采集过程中数据的自动过滤和自动处理，将会大大提高后续数据处理的效率。同时，一些针对专一工程的后处理软件亟待开发。典型的如基于扫描测量的地下空间三维建模中，如何在测量的过程中，自动过滤掉与建模无关的移动对象、快速实现站间数据和点云-影像间的配准、自动分类目标、智能识别地物和初步建模等。

2.3 基于异构多源数据融合的工程测量信息处理与可视化

为满足工程测量信息获取，需要各种传感器支撑，而每种传感器都有自身特点，在测量范围、测量精度、测量速度、测量密度和自动化程度等各方面各有所长，如何综合处理与分析各类传感器数据,实现 “点式测量”数据与“面式测量”数据的融合，几何信息与物理信息的融合，并进行可视化表达，研制工程测量数据智能信息处理平台以及不同坐标系、数据融合平台，是工程测量领域今后的研究重点。

1）数据处理：①单源数据处理：开展测量机器人、地面三维激光地面、地基雷达、GNSS、测深系统等单源信息采集及数据处理关键技术研究。比如，研究基于激光扫描技术快速获取工程信息、三维激光扫描站间点云数据的智能、快速和高精度拼接；研究地基雷达图像的误差特征与改正模型，提高其实际工程变形精度；研究多波束测深数据处理的关键技术，以获取更丰富的江、河、海底信息等等。②多源数据处理：开展三维激光扫描、D-InSAR、GNSS、数字摄影测量、惯导等多源信息相融合的技术研究。例如，研究三维激光扫描、全站仪与数码影像数据融合，构建高精度DSM、DEM和真实三维场景，实现工程模型的精细重构；研究地基雷达与激光扫描仪数据的融合，建立可视化的高精度形变监测模型；研究车载测量系统中的惯导、GNSS、扫描点云和全景数码影像的融合，实现空间动态三维建模；研究星载D-InSAR与GNSS、精密几何水准数据融合技术，建立超长线路（如高铁）的沉降监测模型；研究地基雷达、三维激光扫描、GNSS技术和全站仪等组合的多尺度变形监测系统，实现局部范围内绝对变形测量与相对变形测量的统一等。

2）信息可视化表达。多传感器的连续数据采集，形成了多维度、大数据、异构、非结构化等混杂数据，这些数据与工程设计、施工、运营和管理等全过程信息紧密关联。如何基于GIS平台，紧密结合数据挖掘技术，通过对海量的复杂信息进行分析，对多维数据、时态数据、层次数据和网络数据实现直观化、关联化、艺术化和交互化的可视化表达，将是一个研究的热点。

2.4 基于云计算和物联网技术的工程信息增值服务

随着大型工程建设中测量信息的不断积累，可将分布在不同区域、不同类型的大型工程测量信息汇总在一起，形成工程测量海量数据库，采用面向服务的体系结构（SOA），利用云计算和物联网技术，让用户方便高效地操作海量数据，以发现隐含信息，从而引导出新的预见和更高效的决策。因此，针对工程测量海量数据，研究数据管理、数据挖掘与信息增值服务的关键技术与方法，建立相应的工程信息系统；在统一的工程测量参考框架体系下，规范各种工程测量数据标准；研究测绘工程信息管理和增值服务的标准化体系；通过云计算对工程测量增值服务系统进行部署，利用物联网对分布式测量传感器进行控制和操作，为特定用户提供更加全面的工程信息增值服务，更好地解决工程建设中的各种测量难题。

2.5 基于北斗导航系统的国家基础设施与重大工程安全监测与预警服务

为了保障国家基础设施和重大工程的安全运营与使用，需要建立我国自主的安全监测与预警服务系统。我国的北斗导航系统除了具有定位、导航与授时功能外，还具有双向通讯功能，在国家基础设施与重大工程施工监控、灾害监测与预警等方面必将发挥重要作用。如何将北斗导航系统与其他定位系统及传感器进行集成，实现一体化协同作业和联合数据处理，提高国家基础设施与重大工程的高精度时空信息获取水平，研究体视化动态安全监测模型的理论与方法，建立基于专家知识库的智能预警平台，构建工程环境与灾害动态集成监测理论、方法与技术体系，革新传统的安全监测预警模式，建立我国自主的重大工程测绘保障系统，都是需要进一步研究和解决的问题。

2.6 工程测量标准化体系建设与国际化竞争水平提升

工程测量涉及到国民经济建设的各行各业，尽管我国在工程测量领域颁布实施了一批国家规范和行业标准，但由于项目特点不同，在使用过程中，出现了标准之间精度和技术指标不一致、不协调等问题，相关规范和标准跟不上技术的发展，需要进一步完善和修订工程测量标准体系，建立适当的标准协调机制。国家测绘地理信息局在“十三五”规划中会进一步重视测绘地理信息标准化体系建设，加强顶层设计，转变管理模式，将市场与应用作为工程测量标准化工作的重要驱动力量。

目前我国承担的国际大型工程项目逐年增加，由于我国相关工程测量规范和标准经常与国际标准不一致，而使相关的测量工作受到限制。尽管我国参与了相关国际标准的制定，但主导的ISO国际标准仍然不够，为了提升我国在工程测量领域的国际化竞争水平，需要争取更多的以我国为主导的ISO国际标准项目。

3 结语

工程测量发展很快，但发展还不均衡，需要大力改进测量技术与方法，加强交叉学科的研究，不断拓宽工程测量的应用领域。工程测量逐渐从传统工程向特殊工程、工业测量领域发展，从自然工程向生物测量工程发展，从地面测量手段为主向空间、地面、地下以及水下立体测量手段发展，从人工接触测量向自动化无接触遥测发展，从周期观测向持续测量发展。这些发展对工程测量的理论，方法与技术提出了新的需求与挑战，同时也促进了对创新型工程测量科技人才的需求。2009年我国开始实行注册测绘师制度，逐步与英国、澳大利亚等国家的注册测量师制度接轨，国家在大学教育中实行卓越工程师计划等，必将进一步提升我国工程测量领域科技人才的培养水平。

总而言之，我国工程测量在信息化测绘背景下，必将向“测量方案科学化与合理化；数据获取集成化与动态化；数据处理自动化与智能化；测量成果数字化与可视化；数据管理海量化与多源化；数据共享网络化与社会化”方向发展。

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