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工程测量是研究各种工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。随着人类历史文化的发展和科学技术的进步，工程建设的数量越来越多，规模越来越大，内容越来越复杂，对测量工作的要求越来越高，在测绘科学领域内渐渐形成了“工程测量学”这门学科。
工程测量研究的专题很多，应用领域很广，其内容的划分方式也有多种，其中常用的划分方式是按照工程建设中测量工作进行的顺序以及所用的测量理论、作业方法的性质进行。一般的工程建设可以分为3个阶段，即规划设计阶段、建设施工阶段、运营管理阶段。3个阶段对应的测量工作分别为“工程勘测”“施工测量”“运营监测”，具体工作如下：
（1）工程建设规划设计阶段的测量工作
每项工程建设都必须按照自然条件和预期目的进行规划设计。在这个阶段中的测量工作，主要是提供各种比例尺的地形图，另外，还要为工程地质勘探、水文地质勘探以及水文测验等进行测量。对于重要的工程（如某些大型特种工程）或在地质条件不良地区（如膨胀土地区），还要观测地层的稳定性。
（2）工程建设施工阶段的测量工作
工程建设进入施工阶段后，要将所设计的工程建筑物按照施工的要求在现场标定出来（即放样），作为实地施工的依据。首先，根据场地地形、工程性质以及施工的组织与计划等，建立不同形式的施工控制网，作为定线放样的基础；然后，再按照施工的需要，采用各种不同的放样方法，将图纸上所设计的内容测设到实地。其主要包括施工控制网的建立和定线放样工作两项内容。此外，还要进行施工质量控制，如高层建筑物垂直度测量、地下工程的断面监控等及竣工测量、变形观测以及设备安装测量等工作。
（3）工程建设运营管理阶段的测量工作
建筑物完成竣工测量以后，在工程建筑物运营期间，为监视其安全和稳定的情况，验证设计理论是否正确，需要定期地对其位移、沉陷、倾斜以及摆动等进行观测，这也是工程建筑物的变形观测的主要内容。对于大型的工业设备，还要进行经常性的检测和调校，以保证其按设计安全运行。
按照服务的行业划分，工程测量的内容包括建筑工程测量、铁路公路测量、桥梁工程测量、隧道工程测量、水利工程测量、矿山测量、三维工业测量等。每一种工程都有其特殊性，所以，为各项工程建设服务的测量工作也各有其特点与要求。按照工程建设的阶段划分，不同类型的工程在建设阶段中的测量工作的基本原理和基本方法又有相同之处。
工程测量与其他测量学科的联系非常密切。例如，在规划设计阶段，主要是建立工程控制网、测绘大比例尺地形图，必须掌握测量学、控制测量学、测量平差、摄影测量学等有关方面的理论和方法以及测量所用仪器的构造和使用方法。在工程建设和运营管理阶段，施工控制网的建立、工程点位的放样和变形观测等工作，很多都是建立在测量学和控制测量学基础上的。全球定位系统（GNSS）已经广泛应用到工程测量的各种工作中。现在，利用摄影测量的方法测绘地形图，已经广泛应用于工程建设的规划设计阶段中。利用近景摄影测量的方法进行工程建筑物的变形观测已经趋于成熟。
由于工程测量是直接为工程建设服务的，所以，工程测量人员必须具有一定的相关工程建设方面的知识。例如，在为工程的规划设计进行勘测时，应了解该项工程的作用、总体布置的特点以及它与周围环境的关系等。在工程施工中进行定线放样时，必须了解工程的结构、工程施工的步骤和方法以及施工现场的布置情况，以便确定在现场应该放样的点和线，选择合适的控制点布设位置和控制测量方案，选择合适的放样方法。测量工作者必须善于识图和读图，以便在工作中验证工程图纸的正确性，正确计算所需的有关元素。进行变形监测时，为合理地进行观测点和基准点的布置，确定观测的精度，选择观测的方法，以及合理地进行成果的整理与分析，都需要具有该项工程的构造及其使用情况的知识。
总之，在整个工程建设过程中进行测量工作时，都需要有关工程的知识。工程测量的目的是为工程建设服务，工程测量的程序从属于工程勘察设计和施工的程序，工程测量的方法受施工方法的影响，工程测量的精度取决于工程建筑的限差要求。因此，从事工程测量工作的人员必须掌握相关的工程建设方面的知识，这样才能使测量工作有针对性、避免盲目。
随着测绘科学技术的发展，工程测量的领域不断拓宽。工程测量学科正沿着测量数据采集和处理一体化、实时化方向发展，工程测量仪器正向精密化、自动化、智能化发展，工程测量产品正向多样化和社会化发展。
施工测量的条件复杂，精度要求高，工作量大，因此，施工测量仪器发展的方向是自动化、智能化。具体表现为以下6个方面：
①精密测角仪器已由传统的光学仪器发展到光电仪器。光电测角仪器不但实现了数据的自动获取、改正、传输、显示和存储，而且实现了目标自动照准。测角精度与光学仪器相当甚至更高。例如，T2000、T3000电子经纬仪采用动态测量原理，测角精度可达±0.5″。精密距离测量仪器发展迅速，自动化程度与测距精度也越来越高。
②电子全站仪发展非常迅速，它实现了自动测角、测距、自动记录、计算及存储功能。全站仪能够利用其高精度的测角、测距功能提供三维坐标测量系统（STS）。例如，Leica公司推出的TS13混动全站仪的测距精度为1mm+1.5×10 -6 ·D。
③陀螺经纬仪可直接测定方位角，主要用于为地下工程测量提供方位角。陀螺全站仪逐渐发展和普及，相对于传统的陀螺经纬仪，它具有定位精度高、一次定位时间短、功能更加强大等优点。
④数字摄影测量系统。数字摄影测量系统是利用近景摄影测量原理，通过两台高分辨率数码相机对待测物同时拍摄，从而获得物体的数字影像，再经过对图像的处理和计算后得到精确的 X 、 Y 、 Z 坐标。最新的数字摄影测量系统可采用高分辨率的数码相机提高测量精度，同时可利用条码标志来实现控制点编号的自动识别，采用专用纹理投影可取代物体表面的标志设置，从而使数字摄影测量技术向着完全自动化的方向发展。
⑤在全球定位系统GNSS仪器方面，实时动态GNSS技术的不断发展，使得GNSS技术的应用领域不断拓宽。用GNSS进行工程测量具有精度高、速度快，不受时间、气候条件和通视条件的限制，并可提供统一坐标系中的三维坐标信息等优点。例如，在城市控制网、工程控制网的建立与改造中，北斗定位技术得到普遍应用；在地形测量、地籍测量、石油勘探、高速公路及铁路建设、通信线路、隧道贯通、变形测量、滑坡监测、地壳形变监测及地震监测中也广泛使用北斗定位技术。
⑥超站仪将GNSS的实时动态定位技术与全站仪的三维坐标测量技术完美结合。CCD传感器与电子全站仪结合，构成摄像全站仪，可实现面状数据的快速获取。例如，南方测绘的NTS-582超站仪精度为2mm+2×10 -6 · D 。
专用仪器是工程测量学仪器发展的活跃领域，主要应用在精密工程测量领域，包括机械式、光电式及光机电（子）多传感器集成式仪器或测量系统。
①用于建立水平或竖直的基准线或基准面，确定待测点相对于基准线（或基准面）的偏距（或垂距）的测量，称为基准线测量或准直测量。这方面的仪器有正锤仪、倒锤仪、引张线仪、各种激光准直仪、铅直仪（向下、向上）、尼龙丝或金属丝准直测量系统等。
②在距离测量方面，出现了含中长距离（数百米至数十千米）、短距离（数米至数十米）和微距离（毫米至数厘米）的精密测量仪器。ME5000精密测距仪和TERRA-METER-LDM2双频激光测距仪，能在中长距离测量中达到亚毫米级精度。采用多普勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.1pim的计量精度。采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度。
③在高程测量方面，显著的发展是液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液体高度，可同时获取数十乃至数百个测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。
④倾斜测量可用于确定被测对象（如桥、塔）相对于水平或垂直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜仪、电子测斜仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达到微米级。
⑤三维激光扫描仪可对被测对象在不同位置进行扫描，快速获取物体在给定坐标系下的三维坐标，通过坐标转换和建模，可输出被测对象的各种图形和数字模型。车载、机载激光扫描仪将成为未来地面数据采集的主要手段。
⑥具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器发展的显著特点。采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，用测量机器人自动跟踪沿轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、倾斜传感器、长度传感器和微机，可同时测量轨道的三维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。
综上所述，工程测量仪器具有高精度、快速、遥测、无接触、可移动、连续自动记录、微机控制等特点，可进行精密定位测量、准直测量等，可测量坐标、偏距、倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可以测量振动频度以及物体的动态变化等。
（1）工程测量中的地形图测绘
在工程规划设计阶段所用的地形图中，可以根据工程的需要直接使用1∶1万~1∶10万的国家基本地形图，有时还需要测绘1∶2000~1∶500的区域性或带状地形图。大型工程的大比例尺地形图测绘一般采用无人机摄影测量或全数字化法测图。一般工程的地形图测绘大多采用地面数字成图法测绘。水利工程开发建设中，需要进行水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各种纵横断面图测绘。
（2）工程控制网的布设及优化设计
工程控制网分为测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网。它们不同于国家和城市控制网，在选点、埋石、观测方案设计、质量控制、平差计算、精度分析等方面都具有自身的特点。目前，除特高精度的工程专用网和设备安装控制网以外，绝大多数工程首级控制网都采用GNSS方法建立。对于各种精密工程中的施工控制网、变形监测网以及安装控制网，都应该进行控制网的优化设计。优化设计涉及坐标系的确定、基准的选择、仪器与方法的选取、网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用等问题。
（3）施工放样技术方法
对建筑物的施工放样（包含机器和设备的安装放样）可归纳为点、线、面、体的放样。点放样是基础，放样点必须满足特定的条件，如在一条给定的直线或曲线上、在已知曲面上且空间形状符合设计要求。点位放样一般采用方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、极坐标法、偏角法、投点法等。除常规的光学及电子经纬仪、水准仪、全站仪以外，GNSS技术经常用于工程的施工放样、导航定位和建筑物构件的安装定位。相关仪器设备的安装需要达到计量级精度，因此，往往需要专用的测量仪器、工具和专门的测量方法，施工放样的工作量很大。目前，施工放样朝着一体化、自动化的方向发展。
（4）工程建筑物的变形监测分析和预报
工程建筑物的变形监测、相关的灾害监测分析和预报是工程测量学的重要研究内容。变形监测网的布设和优化设计较其他工程控制网更加复杂：网的精度越高越好，需要具有更高的可靠性和灵敏度；应针对精度、可靠性以及灵敏度进行网的优化设计计算；还要确定所使用的仪器、网的等级、观测周期和观测时间等。变形监测方法几乎包括了全部的工程测量技术，除常规的仪器和方法外，还要大量使用各种传感器和专用仪器。
随着计算机科学技术的不断发展，工程测量的数据处理正在逐步趋于自动化。主要体现在对各种工程控制网的整体平差、控制网的优化设计、变形监测数据的处理和结果分析等方面。
（1）工程测量学中的测量平差理论
测量平差理论主要表现在对模型误差的研究上，主要包括：平差中函数模型误差和随机模型误差诊断；模型误差对参数估计的影响，对参数和残差统计性质的影响；病态方程与控制网及其观测方案设计的关系。方差和协方差分量估计是通过对观测值的权迭代计算精化平差的随机模型。实际中，要求对多种观测量进行综合处理，其已成为测量平差的必备内容。
（2）变形观测数据处理
变形观测数据处理，首先是对监测网周期观测值的处理。其中，参考点稳定性分析、目标点位移量计算、变形模型的建立和检验以及参数估计是几何变形分析的重要内容。其次是对目标点上的时间序列进行数据处理，包括多元线性回归分析、时间序列分析等方法。对周期性变形还可采用时间序列频谱分析法，对变形体的动态变化可采用状态方程与观测方程描述和递推的卡尔曼滤波法。
大型特种精密工程建设对测绘提出越来越高的要求是工程测量学发展的动力。例如，长江三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其监测规模庞大、项目非常多，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统、拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等，都涉及精密工程测量；武汉长江二桥全桥的贯通精度（跨距和墩中心偏差）达到毫米级；长达30多千米的杭州湾大桥的GNSS首级控制网最弱点点位精度高达±1.4mm；高454m的上海东方明珠电视塔对长114m、质量达300t的钢桅杆天线，安装的铅垂准直误差仅±9mm；长18.4km的秦岭隧道洞外GNSS网的平均点位精度高于±3mm，一等精密水准线路长120多千米，已贯通的辅助隧道在仅有一个贯通面的情况下，贯通后实测的横向贯通误差为12mm，高程方向的贯通误差只有3mm。
在工程建设的规划设计阶段，测绘工作主要是地形图的测绘。工程建设的规划设计通常可分为选址、初步设计和施工设计3个阶段。各阶段所需地形图的比例尺的大小不同。在选址和初步设计阶段一般使用1∶5000~1∶10万的地形图，我国大部分地区已测制了比例尺为1∶1万~1∶5万的地形图，在选址和初步设计阶段应尽量利用已有的地形图。在施工设计阶段需要详细设计各建筑物的细部，要求更大比例尺的地形图，如比例尺为1∶500~1∶2000的地形图。这些地形图通常是按照设计需要的范围实地进行测绘。
测绘资料要满足工程建设规划设计的需要，其主要质量标准有地形图的精度、比例尺、测绘内容的取舍适度等。要合理解决这些问题，使得既能充分地满足规划设计的要求，又能使测绘工作经济合理，这就要根据设计工作对地形资料的需求情况进行分析，制订测绘计划。
在水工建筑物（如拦河坝、水闸、船闸、港口码头等）的规划设计之初，应有全流域的比例尺为1∶1万~1∶10万的地形图，以及水面和河底的纵断面图，以便研究河谷地貌的特点，探讨各个梯级中水利枢纽的水头高低、发电量大小、回水分布情况以及流域的面积与水库的库容等，并确定各主要建筑物的形式和建造的先后次序。
在水利枢纽工程的初步设计阶段，在可能布设枢纽工程的全部地区，也应有比例尺为1∶1万的地形图，以便正确地选择坝轴线的位置。坝轴线选定以后，就应在这个划定的枢纽布设区域提供比例尺为1∶2000~1∶5000的地形图，以研究枢纽工程主要建筑物的布置方案。在施工设计阶段，在坝区、厂房地区、船闸闸室、引水渠道以及引水隧洞的进口等处应测绘比例尺为1∶1000（有时需1∶500）的地形图，以便详细设计该工程各部分的位置与尺寸。
工业企业规划设计需要满足要求的地形图。地形图主要用于总平面运输（简称总图运输），就是根据地形图等各种基础资料和工业企业生产的特点，综合设计解决主要车间、辅助车间、动力设施、运输设施、仓库、工程管网以及行政福利设施等在厂区内的平面与竖向布置。
总平面运输图的设计，需要按照生产的工艺要求，将主要建筑物的轮廓位置绘制在地形图上，以便结合地形情况，考虑建筑物布置的合理性。为满足这一步设计的要求，地形图上的点位误差应不大于图上1mm。一般来说，要求地形图上的点位误差应不大于图上1mm。
工业场地竖向布置就是将厂区的自然地形加以平整改造。首先确定场地平整和设计高程，然后进行建筑物的地坪高程、铁道轨顶高程、道路中心线高程以及工程管网高程的设计。这些高程的设计原则仍然是要使其尽量与自然地形相适应，考虑到排水条件，室内地坪要高出室外地面0.15~0.5m。地下管道埋设深度最浅为0.6m。一般要求平坦地区地形图的高程误差为±0.15m，最大误差应在±0.3m以内。
一般来说，工业企业规划设计中，1∶5000比例尺地形图可用于厂址选择、总体规划、方案比较等；1∶2000比例尺地形图可用于初步设计；1∶1000比例尺地形图可用于施工设计；对于新建厂或比较简单的扩建厂、改建厂，可与初步设计共用同一比例尺的地形图；1∶500比例尺地形图可用于地形复杂、建筑物密集、精度要求较高的工业企业施工设计。在改建、扩建现有工业企业时，还需提供一些已有建筑物轮廓点的解析坐标和高程。
铁路、公路建设的最初阶段是收集有关设计线路方案的资料，需要比例尺为1∶1万~1∶5万的地形图进行方案研究，确定可能的几个线路方案。方案确定后，即进行线路勘测设计工作，其中测量分为初测和定测。初测通常采用摄影测量方法测绘比例尺为1∶2000的地形图。定测中，要进行中线测量和线路的纵横断面图测绘。
隧道和桥梁一般是铁路、公路线上的关键性工程。对于中小型桥隧工程，往往先确定线路方向和位置，再考虑地形、地质条件，然后确定隧道与桥梁的位置。而对于大型桥隧工程，首先要考虑地形、地质及水文等条件来确定它们的位置，然后再确定与它们连接路线的走向及位置。对于大型桥梁，首先在比例尺为1∶1万~1∶5万的地形图上研究，然后结合实地踏勘，提出桥址的几个可能的比较方案。在初步设计阶段，要对几个可能的比较方案进一步加以比较，以确定一个最优的设计方案。因此，需要提供更为详细的地形、水文及其他资料，作为方案比较的依据，同时也供设计桥梁及其附属结构物之用。为设计桥梁需要提供的地形资料包括桥渡线跨河长度、桥址纵断面图、比例尺为1∶2000~1∶1万的桥渡位置图、比例尺为1∶500~1∶2000的桥址地形图及水下地形图。
在城市地下铁道工程建设的初步设计阶段，采用比例尺为1∶2000或1∶5000的城市地形图，以选定线路的位置。对于地铁车站、竖井以及用明挖法施工地区，还需要该地区的比例尺为1∶500的地形图。为进行施工设计，需要沿着设计线路施测比例尺为1∶500的带状地形图和地下管线图。
在矿山建设中，地形图是地质填图的底图，将地质要素及工程位置用相应的符号展绘在地形图上，按地质点圈绘地质界线，形成地形地质图。在地形地质图上做剖面，进行储量计算，同时将地下资源的质量、储量、范围弄清楚，绘制成矿图，作为采矿设计的依据。通常，用比例尺为1∶1000~1∶5000的图做储量计算和提交地质报告，用比例尺为1∶500或1∶1000的图做工业场地布置，用比例尺为1∶500的图做井口设计和地下巷道布置。