第1章　建筑测量的特点及基本要求

1.1　概述

“测绘科学”常常被人们称呼为“测量”，实际上“测量”只是“测绘科学”的一部分内容。测绘科学的起源可追溯到原始社会，是人们最早创造的科学体系之一。测绘科学的发展时刻与人类的文明史同步，随着人类文明的历史进程一直发展到了今天，对人类社会的发展做出了不可磨灭的重大贡献，成为人类各种活动不可或缺的重要依靠和技术手段。

建筑测量是工程测量学的一个分支学科，工程测量学则又是测绘科学的一个分支。工程测量学是利用测绘科学综合理论和技术为各类工程建设提供测绘保障服务的应用科学，也可称之为应用测绘学。按工程测量服务对象的不同，工程测量可分为土木建筑工程测量、铁路工程测量、公路工程测量、地下工程测量、矿山测量、城市测量、地质工程测量、国防工程测量、水利工程测量等。另外，还有一些特种工程测量工作，比如对大型设备、特种设备进行高精度定位和变形监控的精密工程测量；将摄影测量技术应用于工程建设的工程摄影测量；将电子全站仪或地面摄影仪作为传感器在电子计算机支持下对大型机械部件加工过程进行监控的三维工业测量系统等。

建筑测量主要研究工程建设在勘察设计、施工放样、竣工验收和管理阶段所需进行的测量工作的基本理论、技术和方法，其主要工作内容包括为工程规划设计提供必需的地形资料，如规划时提供中、小比例尺地形图及有关信息，建筑物设计时要测绘大比例尺地形图；施工阶段将图上设计好的工程按其位置、大小测设在地面上供施工人员正确施工；在施工过程和工程建成后的运行管理中对工程的稳定性及变化情况进行监测，如安全监测、变形观测等，以确保工程的安全与正常运营。

测绘科学是各类工程建设的“眼睛”和“指南针”，就建筑工程而言，地面的水平性、墙体的铅直度、排水系统的坡度、各种曲线的形状等都要靠测绘技术的保障，总之，任何工程建设都离不开测绘科学，测绘科学是各种工程建设不可或缺的重要技术保障。

工程测量仪器可分为通用仪器和专用仪器。通用仪器中常规的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪已被电子全站仪和电子水准仪替代。电子全站仪的全能型、智能化、自动化水平越来越高，带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、物联网及CCD（电荷藕合器件图像传感器）技术可实现测量的全自动化被称为测量机器人。测量机器人可自动寻找并精确照准目标，在1s内完成一个目标点的自动观测，其像机器人一样可以对成百上千个目标作持续的重复观测，目前已被广泛用于变形监测和施工测量。GPS接收机已成为一种通用型的大众化定位工具并在工程测量领域得到广泛应用，GPS接收机可与电子全站仪或测量机器人连接在一起而形成空基电子全站仪或空基测量机器人，如徕卡的SmartStation。它将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标测量技术完美结合，开创了无控制网的工程测量新时代。

工程测量专用仪器在测量仪器领域发展最活跃，主要应用在精密工程测量领域，机械式、光电式及光机电结合式仪器或测量系统的主要特点是高精度、自动化、遥测和持续观测。测量目标点相对于基准线（或基准面）的偏距（垂距）的工作被称为基准线测量或准直测量，这方面的专用仪器有正、倒垂与垂线观测仪系统；金属丝引张线系统；各种激光准直仪、铅直仪（向下、向上）、自准直仪；以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。在中长距离（数十米至数千米）、短距离（数米至数十米）和微距离（毫米至数米）及其变化量的精密测量领域有以ME5000精密激光测距仪和Terrameter LDM2双频激光测距仪为代表的超高精度测距系统（其中长距离测量精度可达亚毫米级）。许多短距、微距测量已实现数据采集的自动化，其中最典型的代表是因瓦线尺测距仪、应变仪、石英伸缩仪、各种光学应变计、位移与振动激光快速遥测仪等。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0.01μm的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备。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，它们使距离测量精度从毫米、微米进入到纳米级世界。高程测量方面最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面高度可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点，两容器间的距离可达数十千米。倾斜测量（又称挠度曲线测量）用的各种机械式测斜仪、电子测斜仪都向着数字显示、自动记录、无线遥测和灵活移动等方向发展，其精度也已达微米级。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铁路轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用于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数百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。现代工程测量专用仪器具有高精度（亚毫米、微米乃至纳米）、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测量振动频率以及物体的动态行为。

工程建筑物及与工程有关的变形监测、分析及预报是工程测量学的重要研究内容之一。其中的变形分析和预报涉及变形观测数据处理。但变形分析和预报的范畴更广、属于多学科交叉。传统变形观测数据处理方法将变形观测数据处理分为变形的几何分析和物理解释。几何分析在于描述变形的空间及时间特性，主要包括模型初步鉴别、模型参数估计和模拟统计检验及最佳模型选取三个步骤。变形模型既可根据变形体的物理力学性质和地质信息选取，也可根据点场的位移矢量和变形过程曲线选取，另外，时间序列分析、灰色理论建模、卡尔曼滤波以及时间序列频域法分析中的主频率和振幅计算等也可看作变形的几何分析。变形的物理解释在于确定变形与引起变形的原因之间的关系，通常采用统计分析法和确定函数法。

用现代系统论为指导进行变形分析与预报是目前研究的一个方向。变形体是一个复杂的系统，它具有多层次高维的灰箱或黑箱式结构，是非线性的、开放性（耗散）的，它还具有随机性，这种随机性除包括外界干扰的不确定性外，还表现在对初始状态的敏感性和系统长期行为的混沌性。此外，还具有自相似性、突变性、自组织性和动态性等特征。按系统论方法，对变形体系统一般采用输入-输出模型和动力学方程两种建模方法进行研究，前者是针对黑箱或灰箱系统建模，时序分析、卡尔曼滤波、灰色系统建模、神经网络模型乃至多元回归分析法都可以视为输入-输出建模法。采用动力学方程建模与变形物理解释中的确定函数法相似，是根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动演化。但对动力学方程不是通过有限元法求解，而是在对系统受力和变形认识的基础上，用低阶的简化的在数学上可解和可分析的模型来模拟变形过程，模型解算的结果基本符合客观事实。系统论方法涉及许多非线性科学知识，比如系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、分形、混沌理论、耗散结构等。

大型特种精密工程建设和对测绘的要求是工程测量学发展的动力。将科研成果转化为生产力是科研的最终目的，工程测量作为一门应用性学科，这种转化尤为重要。它主要表现在软硬件的开发研制上。

测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展，其应用范围将进一步扩大，影像、图形和数据处理方面的能力将进一步增强。在变形观测数据处理和大型工程建设中，将发展基于知识的信息系统，并进一步与大地测量、地球物理、工程地质、水文地质、土木工程等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治、环境保护等各种问题。工程测量将从土木工程测量、三维工业测量扩展到显微测量和显微图像处理。多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用，比如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人的集成，可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作。GPS、GIS技术将紧密结合工程项目，在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。大型和复杂土木工程结构或设备的三维测量、几何重构以及质量控制将是工程测量学发展的一个亮点。数据处理中数学物理模型的建立、分析和辨识将成为工程测量学需要解决的重要问题。综上所述，工程测量学的发展，主要表现在从一维、二维到三维、四维，从点信息到面信息，从静态到动态，从后处理到实时处理，从人眼观测操作到机器人自动寻标观测，从大型特种工程到微观工程，从高空到地面、地下以及水下，从人工量测到无接触遥测，从周期观测到持续测量，从毫米级精度到微米乃至纳米级。工程测量学的这些发展将对相关学科的发展起到一个重要的助推作用。