探討近代地下工程測量的發展【摘要】對地下工程測量進行了定義，指出了近代地下工程測量的重要性，簡單闡述了測量儀器的發展；在理論發展方面，重點對控制網優化設計、變形監測與數據處理、平差方法進行了歸納和總結，并展望了近代地下工程測量的若干發展方向。

【關鍵詞】地下工程測量；測量平差

【Abstract】Undergroundprojectisdefinedmeasurementspointedouttheimportanceofmodernundergroundengineeringsurvey,brieflyaddressedthedevelopmentofmeasuringinstruments;intheoreticaldevelopment,theemphasisonthecontrolnetworkoptimizationdesign,deformationmonitoringanddataprocessing,adjustmentmethodaresummarizedandreviewed,andprospectsofmodernundergroundengineeringmeasurementofanumberofdevelopmentdirection.

【Keywords】Undergroundengineeringmeasurement;Surveyadjustment

1.概述地下工程測量是工程測量學的一個分支，主要是研究地下、水下具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現的理論方法和技術的一門應用性學科。它主要以建筑工程、機器和設備為研究服務對象。眾所周知，工程測量的研究應用領域非常廣泛，而解決每一個工程問題首先得解決地下問題。地下工程是工程測量的基礎，是工程的首要也是重要問題。目前國內把工程建設有關的地下工程測量按勘測設計、施工建設和運行管理三個階段劃分；也有按行業劃分成：線路(鐵路、公路等)地下工程測量、橋隧工程測量、建筑地下工程測量、礦山測量、海洋工程測量等，幾乎每一行業和地下工程測量都有密切的聯系。

隨著經濟快速發展、人口高速增長以及人類生態環境的惡化，世界各國為了提高土地利用率與節省土地資源，疏導交通，減少環境污染等，正積極開發地下空間。1991年在東京召開的城市地下空間利用國際學術會議上通過了《東京宣言》，提出了：二十一世紀是人類地下空間的開發利用的世紀。1998年在莫斯科召開了以“地下城市”為主題的地下空間國際會議。在工程實踐方面，瑞典、娜威、加拿大、日本、美國和芬蘭等國在地下空間利用領域已達到相當的規模和水平，地下空間的開發利用，己成為世界性發展趨勢。我國人口眾多、土地資源相對稀少、城市人口居住密集，開發利用地下空間也將成為我國發展的必然趨勢。然而，我國在地下工程實踐方面起步稍晚，工程實踐理論和技術相對薄弱。隨著地下空間的開發利用，地下工程施工實踐越來越多。特別是在地下交通運輸工程(如公路隧道、鐵路隧道、地下鐵道、過河隧道、地下郵政運輸道、地下垃圾運輸道等)和地下管溝工程(如給水、排水、雨水、電力、電訊、煤氣、熱力綜合管溝通道)以及礦山測量方面的工程實踐較多。近幾十年來，地下土程暗挖施工技術(如盾構和頂管)在地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設施等各種隧道建設中有明顯優點，在建造穿越水域、沼澤地和山地的公路和鐵路隧道或水工隧道中，盾構法和頂管法因為它們在特定條件下的經濟合理性而得到廣泛采用。

由此可見，地下工程測量在測繪學的發展以及實際的工程應用中作用是顯著的，開發利用好地下空間、地下工程是搞好工程測量首要的、基本的問題。

2.地下工程測量目前的發展狀況地下工程測量的發展與現實的測量儀器、技術和工程有著密切的關系。有了新型儀器，如何盡快應用到實際工程中；反過來，有了新的工程，如何開發新的測量儀器、研究新的測量技術與方法，來滿足新工程的特殊要求。如此反復，推動著地下工程測量向前發展。因此理論方法和測量儀器的發展總是相輔相成的。

地下工程測量理論方法的發展。

控制網的優化設計。網的優化設計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優化設計理論構造目標函數和約束條件，解求目標函數的極大值或極小值。一般將網的質量指標作為目標函數或約束條件。網的質量指標主要有精度、可靠性和建網費用，對于變形監測網還包括網的靈敏度或可區分性。對于網的平差模型而言，按固定參數和待定參數的不同，網的優化設計又分為零類、一類、二類和三類優化設計，涉及到網的基準設計，網形、觀測值精度以及觀測方案的設計。在工程測量中，施工控制網、安裝控制網和變形監測網都需要作優化設計。由于采用GPS定位技術和電磁波測距，網的幾何圖形概念與傳統的測角網有很大的區別。除特別的精密控制網可考慮用專門編寫的解析法優化設計程序作網的優化設計外，其他的網都可用模擬法進行設計。模擬法優化設計的軟件功能和進行優化設計的步驟主要是：根據設計資料和地圖資料在圖上選點布網，獲取網點近似坐標(最好將資料作數字化掃描并在微機上進行)。模擬觀測方案，根據儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網的各種質量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數的協方差陣或部分點坐標的協方差陣，協方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等。可靠性包括每個觀測值的多余觀測分量(內部可靠性)和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性)。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數。將計算出的各質量指標與設計要求的指標比較，使之既滿足設計要求，又不致于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值)或局部改變網形(增加或減少網點)等方法重新作上述設計計算，直到獲取一個較好的結果。

變形監測與數據處理。根據變形觀測數據繪制變形過程曲線是一種最簡單而有效的數據處理方法，由過程曲線可作趨勢分析。如果將變形觀測數據與影響因子進行多元回歸分析和逐步回歸計算，可得到變形與顯著性因子間的函數關系，除作物理解釋外，也可用于變形預報［6］。多元回歸分析需要較長的一致性好的多組時間序列數據。

若僅對變形觀測數據，可采用灰色系統理論或時間序列分析理論建模，前者可針對小數據量的時間序列，對原始數列采用累加生成法變為生成數列，因此有減弱隨機性、增加規律性的作用。如果對一個變形觀測量(如位移)的時間序列，通過建立一階或二階灰微分方程提取變形的趨勢項，然后再采用時序分析中的自回歸滑動平均模型ARMA，這種組合建模的方法，可分性好且具有以下顯著優點：將非平穩相關時序轉化為獨立的平衡時序；具有同時進行平滑、濾波和推估的作用；模型參數聚集了系統輸出的特征和狀態；這種組合模型是基于輸出的等價系統的理想動態模型。

把變形體視為一個動態系統，將一組觀測值作為系統的輸出，可以用卡爾曼濾波模型來描述系統的狀態。動態系統由狀態方程和觀測方程描述，以監測點的位置、速率和加速率參數為狀態向量，可構造一個典型的運動模型。狀態方程中要加進系統的動態噪聲。卡爾曼濾波的優點是勿需保留用過的觀測值序列，按照一套遞推算法，把參數估計和預報有機地結合起來。除觀測值的隨機模型外，動態噪聲向量的協方差陣估計和初始周期狀態向量及其協方差陣的確定值得注意。采用自適應卡爾曼濾波可較好地解決動態噪聲協方差的實時估計問題。卡爾曼濾波特別適合滑坡監測數據的動態處理；也可用于靜態點場、似靜態點場在周期的觀測中顯著性變化點的檢驗識別。對于具有周期性變化的變形觀測時間序列，通過Fourier變換，可將時域內的信息轉變到頻域內分析。在某一觀測時刻的觀測值數字信號可表示為許多個不同頻率的諧波分量之和，通過計算各諧波頻率的振幅，最大振幅以及所對應的主頻率等，可揭示變形的周期變化規律。若將變形體視為動態系統，變形視為輸出，各種影響因子視為輸入，并假設系統是線性的，輸入輸出信號是平穩的，則通過頻譜分析中的相干函數、頻響函數和響應譜函數估計，可以分析輸入輸出信號之間的相干性，輸入對系統的貢獻(即影響變形的主要因素及其頻譜特性)。

測量平差。最小二乘法廣泛應用于測量平差。最小二乘配置包括了平差、濾波和推估。附有限制條件的條件平差模型被稱為概括平差模型，它是各種經典的和現代平差模型的統一模型。測量誤差理論主要表現在對模型誤差的研究上，主要包括：平差中函數模型誤差、隨機模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數估計的影響，對參數和殘差統計性質的影響；病態方程與控制網及其觀測方案設計的關系。由于變形監測網參考點穩定性檢驗的需要，導致了自由網平差和擬穩平差的出現和發展。觀測值粗差的研究促進了控制網可靠性理論，以及變形監測網變形和觀測值粗差的可區分性理論的研究和發展。針對觀測值存在粗差的客觀實際，出現了穩健估計(或稱抗差估計)；針對法方程系數陣存在病態的可能，發展了有偏估計。與最小二乘估計相區別，穩健估計和有偏估計稱為非最小二乘估計。

三維工業測量技術的發展及其在地下工程測量中的應用。三維工業測量技術，是以電子經緯儀、全站儀、近景攝影儀或激光掃描儀等為傳感器，在電子計算機和軟件的支持下形成了三維測量系統。三維工業測量系統分為三大類，以電子經緯儀或全站儀為傳感器的工業大地測量系統；以近景攝影機為傳感器的工業攝影測量系統；以激光掃描儀為傳感器的激光掃描測量系統。工業大地測量系統發展最早，應用較廣，如美國研制的AIMSRT系統三維測量其精度達要求；瑞士和法國聯合研制的RMS200系統，在拋物面天線三維測量，拋物面焦距值與設計值之差為1mm，功效提高3～4倍；德國研制的IMS系統，在飛機表面三維測量，位置和高程精度均達到±mm；瑞士研制的SPACE全自動工業測量系統，望遠鏡內裝微型CCD攝影機，能進行數字圖像處理，每小時可測500點三維坐標，點位精度小于。武漢大學馮文灝教授等研制的“基于測角儀器的聯機工業測量系統”，在大型物體表面三維測量，點位和高程精度達到以內,解放軍信息工程大學測繪院李廣云教授等研制的工業測量系統精度達到。工業攝影測量系統，通常以近景攝影的方式實現，其優點是通過像片提供大量信息，施測周期短，可在瞬間完成測量的全過程，可對動態目標進行測量，可以多重攝影，有多余觀測值，精度可靠，最好的相對精度可達百萬分之一，這對于復雜多變的地質環境條件下的地下工程測量是非常有利的，在短時間內獲取海量的測量數據，不但大大節省了財力、人力和物力，還能使測量的精度大大提高。激光掃描測量系統，是以激光掃描儀為傳感器的三維工業測量系統。激光掃描“點陣”可再現所測物體的三維立體景觀，可直接用于點對點的量測，利用擬合軟件，點陣可轉換成三維模型、二維平面圖、等高線圖或斷面圖等，也可以同時用于CAD及相關應用。因激光掃描儀具有掃描范圍大、速度快、分辨率高、建模快、拼接好的特點，這就為礦山開采沉陷的動態監測、開采損害的評價提供了先進的技術手段，從而更能客觀、科學、有效的指導礦山的安全生產。

3.地下工程測量學的發展展望如前所述，地下工程測量理論與技術的快速發展與現實的測量儀器、技術和工程有著密切的關系。工程測量技術的自動化!智能化!小型化!無線化和動態測量化是一個總的發展趨勢。我國的地下工程測量在各個方面取得了巨大的發展，為國民經濟建設解決了諸多的關鍵問題。每年一次的全國性的工程測量學術研討會就給國內的測量工作者提供了一次不斷交流、探討、總結和提高的機會。但由于各方面的原因,如測繪市場的不規范、資金和人力的投入不足、追求短期效應等，國內的地下工程測量在先進技術的研究和應用方面比起發達的國家,還存在一定的差距。因此，地下工程測量理論與技術應該在以下幾個方面有更好的發展：(1)針對特殊工程的專用儀器的研制，特別是傳感器的研制；(2)各種傳感器集成、數據處理及自動化實現，如各種移動測量系統的研制；(3)新型測量儀器的檢校設備!理論和方法；(4)多類連續變形監測數據的聯合處理與分析的理論與方法；(5)數據處理中數學物理模型的建立、分析和辨識等。

參考文獻

［1］張正祿、黃全義等.全站式地面測量工程一體化自動化系統研究［