精密工程测量/工业测量及相关应用探讨

精密工程测量 /工业测量及相关应用探讨

闫佳明

北京意诚远耀勘测设计有限公司 北京市 100160

摘要：近年来，常规、通用仪器设备等传统工程测量技术体系发展较为缓慢，难以满足工程建设，尤其是部分大型工程建设项目或工业测量项目对测量工作提出的更高需求。随着当前计算机信息、激光/雷达测量、自动化测量技术的发展，有效提升了精密工程测量的技术水平。精密工程测量是当前工程测量的重要分支，在当前大型工程、高新工程、特种工程以及工业测量中得到了广泛的应用，具有精度高、可靠性强的特点，成为当前工程测量的重要组成部分。本文针对精密工程测量尤其是大型工程精密工程测量技术体系及相关应用进行探讨，重点阐述精密工程测量及其数据处理内容、技术应用领域及未来发展，为测量技术人员提供技术参考。

关键词：精密工程；测量技术；应用领域；发展探索

引言

精密工程测量技术，是伴随着工程建设项目、工业测量项目对观测精度的不断提高而诞生的一个专项或者说专业工作。随着计算机信息、激光/雷达测量、自动化测量技术的发展，有效提升了当前精密工程测量的技术水平，同时这些新的科技元素的融入，也有效提高了精密工程测量的自动化、数字化水平，推动了工程测量领域的良性发展。本文结合当前精密工程测量发展现状，针对精密工程测量尤其是大型工程精密工程测量技术体系及相关应用展开论述。

1 精密工程测量概述

（1）基本概念

精密工程测量属于工程测量学范畴，泛指在传统测绘学理论技术和技术手段基础上，结合计量学、大地测量学等学科，采取各项自动化与信息化测量技术，开展基准线测量、形变监测、高程测量等一系列测量作业的过程，并采取信息化手段完成数据采集、数据分析处理操作。简单来讲，则是在特定环境条件下采取现代化仪器设备与测量方式开展的工程测量活动。与传统工程测量项目相比，精密工程测量可以最大程度减小设备、环境、工艺等因素对测量精度造成的影响。

（2）主要特点

根据精密工程测量情况来看，精密测量技术具有如下特点：（1）精度指标的可调节性。测量技术人员可以根据项目特征、测量对象、规范要求等，灵活采取普通测量、特种测量等方式，以此来调节项目的绝对精度与相对精度。（2）环境特殊性。与传统工程测量项目相比，精密工程测量是大都在特殊或者特定环境条件下，采用现代化技术手段开展的测量活动，对仪器设备性能精度、作业条件、数据处理能力有着较为严格要求。（3）自成坐标系统。精密工程测量大都采用独立坐标系统，因此可以在保证测量精度的基础上，在工程控制网内同时设置1个控制点、1个参考方向作为参照即可，前期控制测量的工作量较小，且误差传递也相对较少。

（3）测量方法

根据测量的获取方式，笔者将精密工程测量分为直接测量与间接测量、接触测量与非接触测量、单项测量与总额测量、绝对测量与相对测量等不同类型。不同测量方法的操作步骤、技术要求与测量目的各有不同。以接触测量与非接触测量方法为例说明。接触测量法指，工作人员所使用仪器设备的测头与被测对象结构有直接接触、存在机械作用测力，如钢尺量距等。而非接触测量法指，仪器设备无需与被测对象进行直接接触、即可准确获取测量数据，如三维激光扫描法，工作人员使用三维激光扫描仪，在无接触情况下测量被测对象的三维坐标或表面点云纹理。

2 精密工程测量技术与数据处理分析

（1）GPS技术

GPS技术又称为全球定位系统，通过GPS卫星对全球范围内提供全天候、高精度、全时段的定位导航服务，在短时间内确定测量点的三维空间坐标。GPS技术的测量原理为，GPS持续对接收机发射导航电文，并对二者间距与信号传输时间进行计算，从而获取接收站三维空间坐标。同时，需要将GPS卫星与接收机时间差为未知数，同时使用5颗及以上GPS卫星发射导航电文，减小测量误差。

与传统测量技术相比，尤其是大型工程建设项目而言，GPS技术具有以下优势：（1）全天候。GPS卫星数量较多、分布均匀，在不同时段内，都可以对地球任意地区提供导航定位服务、开展工程测量活动；其定位精度高。根据技术应用情况来看，在50km内，相对定位精度高达10^-6m、静态相对定位精度为1-2ppm*D、实时相位差分精度为1-2cm，满足精密工程测量要求。（2）测站无需通视。在传统工程测量模式中，受到观测手段限制，需要保持相邻测站间的良好通视条件、建造觇标，方可为测量精度提供保障，测量流程较为繁琐、选点难度大。而在应用GPS技术时，测站间无需保持通视状态，可以省略过渡点测量等步骤。（3）观测时间短，可实时获取数据。以相对静态相对定位测量为例，将流动点与基准点间距控制在15km内，测量技术人员在点位安装接收机、搭设天线，在1-2min内，即可接收GPS信号，快速计算流动站三维空间坐标；动态相对定位测量能够在更短时间获取相应数据，真正做到了实时性。

（2）合成孔径雷达干涉测量技术

作为近年来新兴的精密测量技术，合成孔径雷达干涉测量技术是在传统SAR遥感技术与射电天文干涉技术体系上发展而成。其技术原理为，在系统中配置若干数量SAR相片，操纵雷达向测区目标发射微波，对反射回波进行接收、分析处理，绘制SAR图像。随后，对SAR复图进行对照分析，从中提取相干条件，在其基础上绘制干涉图、计算干涉图相位值与成像微波路程差值，帮助工作人员掌握测区地形地貌结构、被测对象表面微小变化，并对数字高程模型的构建提供信息支持与基础条件。在大型桥梁、大坝等构筑物变形观测，山体滑坡、地质灾害、地壳形变等监测中，合成孔径雷达干涉测量技术具有测量精度高、可全天候测量、连续性获取测量数据、内外业一体化等传统工程测量技术无法比拟的优势。

（3）精密工程测量仪器

① 马达驱动式全站仪

马达驱动式全站仪，是采用马达驱 动和软件控制的全站仪定位系统、自动跟踪目标、遥控 、自动记录数据于一体的测量系统，又称为“测量机器人”。近年来，随着科技水平的不断进步，尤其是BIM技术的兴起，在精密工程测量项目中，智能型马达驱动式全站仪得到广泛应用。这类仪器具有较高的自动化与智能化水平，可以辅助完成多项测量任务。例如，在测量过程中，马达驱动式全站仪具备自动照准功能、配置有反射棱镜，可以根据实际情况对天顶距、水平角进行校正照准，快速、准确获取目标点三维空间坐标，而且马达驱动式全站仪距离测量精度已提升至亚毫米级，远超过早期型号的全站仪。

② 激光跟踪仪

激光跟踪仪，是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。其工作原理是在被测对象中安装反射器，持续对被测对象发射激光，激光通过反射器反射至跟踪头，进行激光发射、反射接收动作，实现对空间运动目标的不间断跟踪、获取目标点空间坐标。与传统的激光干涉仪相比，激光跟踪仪具有不易出错、操作简单、测量距离大等优势，而激光干涉仪在使用期间时常出现反射镜偏离激光光轴等问题。

③ 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪主要由激光射器、滤光镜、接收器、时间计数器等组成，基于激光测距原理，同时对被测对象表面大量点云数据进行采集分析，掌握被测对象的三维空间坐标、纹理等信息。与传统测量技术、设备相比，三维激光扫描仪突破了单点测量限制，可以在极短时间内获取被测对象轮廓几何数据，完成建模、编辑、数据修改等一系列操作。同时，三维激光扫描仪具有高精度、高效率的优势，以常用的Leica脉冲激光扫描仪为例，可以在1s内同时对被测对象5万个点云数据进行采集。

3 精密工程测量的基本内容

（1）基准线测量

测量技术人员使用自准直仪、激光准直仪等设备，基于两点一直线原则，在测区内建立各类基准线，如安装基准线、标高基准线等。随后，对各处目标点与基准线之间的偏距/垂距进行测量，完成准直测量作业。在这一环节，测量技术人员应根据定位点情况灵活采取竖直角测量法或是水平角测量法，科学设定基准线数量，将相邻安装基准点的高差控制在0.5mm内，开展反测丈量作业。

（2）高程测量

在高程测量环节，当前应用常见的精密测量技术为液体静力水准测量技术，系统中所配置各类传感器将会持续对容器液面高度进行测量，快速获取若干数量点位的高程信息。同时，这项技术的测量范围较广，无需对固定的定点进行测量，可以对保持一定间隔距离的两个容器液面高度进行遥测、持续测量，准确获取不同容器内部液面的实时高度差、绘制液面高差变化曲线图。

（3）距离测量

与传统工程测量技术相比，精密工程测量技术的测量范围具有可调性特征，可以根据工程测量需求对测量范围进行灵活调节，高效完成距离测量任务，对中长距离、短距离或是微距离的被测对象进行准确测量，持续获取被测对象或观测数据的变化量。但是，在应用精密工程测量技术开展距离测量作业时，工作人员应考虑到距离因素对测量精度、测量结果准确性造成的干扰影响。

（4）建立工程控制网

根据精密工程测量需求，可选择在各点位测量数据、三维空间坐标等信息基础上，构建设计控制网、线路控制网、基础控制网或是框架控制网，为工程项目建设活动的开展提供信息支持。以设计控制网的建立为例，提前构建测量控制网，持续向控制网中导入工程测量数据，综合分析高斯投影、高程投影边长变形情况等因素，合理选择平差基准与坐标系统，根据已知的水准点信息来设置高程基准点。最终，在全程测量作业结束后，将测量数据转换为标准高程基准，构建设计控制网。

（5）形变监测

可选择应用精密工程技术对工程地质结构、构筑物的实时形变情况进行监测，快速发现异常现象、锁定危险源。例如，在我国湖北清江隔河岩大坝工程中，采取GPS技术持续对大坝外部结构变形情况进行自动观测，点位定位精度达到亚毫米级，构建变形监测网，弱点精度优于±1.5mm。而在长江三峡水利枢纽工程中，精密工程测量技术主要被用于开展库区地壳形变监测、滑坡体变形失稳监测、水库诱发地震监测等活动，监测项目数量极多。

（6）精密安装测量

精密工程测量技术被广泛用于安装测量项目，可以构建精密控制网，在无接触情况下，对各类设备、建筑构件与设施的安装精度进行准确测量。例如，在我国上海东方明珠塔工程中，采取精密工程测量技术对所安装钢桅杆天线的铅垂准直进行测量，测量误差值在±9mm内。在广东大亚湾核电站工程中，所构建精密控制网的最弱点位精度为±2mm。

4 精密工程测量技术的应用领域

（1）建筑测量

在建筑测量项目中，GPS-RTK技术得到广泛应用，测量技术人员在工程周边区域稳定地基结构中安装GPS接收机、搭设天线，将其作为基准站。随后，在建筑物楼顶、地面等区域中轮流安装GPS接收机、搭设天线，将其作为流动站，通过所接收GPS信号计算结果，获取各类测量数据，如建筑各部位的位移量、建筑振动频率等等。根据实际应用情况来看，其测量精度较高，可以将量测误差控制在±5mm内，满足建筑工程测量需求。

（2）工业测量

在工业领域中，精密工程测量技术往往被用于测量采集现场生产信息。以轧钢厂厚板切割测量项目为例，在现场配置若干数量CCD相机，持续对待加工钢板的图像信息进行拍摄采集，对图像数据进行预处理，依次开展边缘提取、人工标记、自动识别等操作，准确计算钢板规格尺寸，将数据导入控制系统中。随后，测量系统将会自动对钢板切割情况进行持续观测。在厚板切割错误、切割顺序与长宽尺寸与生产方案不符时，将异常数据提交至用户界面。

（3）码头集装箱管理

在码头集装箱管理方向中，可选择运用GPS技术，提前在起重机设备中安装GPS接收机、搭设VHF天线，将GPS接收机与控制中心保持稳定通讯状态。随后，在起重机作业期间，将会持续将集装箱位置、重量、规格尺寸等测量数据导入至向管理控制系统中，帮助工作人员全面掌握码头集装箱实时情况、各箱体具体位置。

（4）减灾防灾

GPS技术等精密工程测量技术具有全天候、高精度的优势，在减灾防灾领域中展露出广阔应用前景。例如，在我国葛洲坝、丹江口等水利枢纽工程中，运用GPS技术、使用精密水准仪等设备，设置若干数量的观测基点，全天候、持续性开展立体监测作业，测量精度达到毫米级，可以实时掌握水位变化量、堤坝状态，准确预测洪患水灾出现时间、出现位置。

5 精密工程测量技术未来发展趋势

（1）多种精密测量方法联合测量

现阶段，由于工程测量环境较为复杂、测量参数不断增多，虽然精密工程测量技术具有高分辨率与高精度特征，但从实际应用情况来看，精密工程测量技术存在应用局限性，在采取单项测量技术时，很难满足工程测量需求。因此，应推动精密工程测量技术的联合测量发展，根据工程情况组合采取多项测量技术。例如，在某测量项目中，需要对某型号航天器开展星载天线面板、星载敏感器测量作业，选择组合采取激光跟踪仪球坐标测量技术、经纬仪准直测量技术，充分发挥两项技术优势，构建三维边角网平差模型、开展定向解算作业，高效、准确完成了测量任务，定位误差优于±0.1mm。

（2）优化精密工程测量仪器制造工艺

近年来，虽然精密工程测量技术体系日益完善、技术水平不断优化。但是配套测量仪器的发展进程较慢，受到设备功能配置、测量精度的限制，很难充分发挥精密工程测量技术优势。因此，应提高对精密工程测量仪器设备的研究力度，不断对仪器设备制造工艺进行创新优化。以三坐标测量机为例，重点对设备的使用功能、测量方式进行补充，切实满足工业生产高精准度测量需求。

6 结语

综上所述，随着测绘科学技术体系的日益完善，工程测量逐渐向着精密化方向发展，涉及的内容也涵盖工程信息系统、工程测量仪器与精密仪器测量等多个方面。精密工程测量技术在工程建设项目、减灾救灾、工业测量等领域中得到广泛应用，发挥着重要作用。测绘技术人员应提高对精密工程测量技术的研究与实践，不断对技术体系进行创新优化，积极拓展精密工程测量技术的应用方向，推动精密测量工程的健康、可持续发展。

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