第1章 动态精密工程测量概述
测绘学是研究地球和其他实体与时空分布有关信息的采集、存储、处理、分析、管理、传输、表达、分发和应用的科学与技术。测绘学具有悠久的历史，包括大地测量、工程测量、摄影测量与遥感、地图制图、不动产测量、海洋测量、地理信息系统等学科。工程测量是在测绘学中从业人员最多、应用性最强的一个分支。
1.1 工程测量
工程测量是研究工程、工业和城市建设及资源开发各个阶段中所进行的地形和有关信息的采集和处理、施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及对测量和工程有关的信息进行管理和使用[1]。工程测量是测绘科学与技术在城市建设、工业制造、交通工程、水利工程、地下工程、管线工程、海洋工程等的直接应用，为其设计、建设、运营提供基础保障，在国民经济和国防建设中具有重要作用。
工程测量是测绘学中历史最为悠久的一个分支。人类发展文明史是改造自然的历史。远古时代，人类不断与自然界斗争，从原始的刀耕火种走向了井田阡陌，改造自然，提高劳动生产率。早在古埃及时代，人类就开始丈量土地，进行土地平整，建造巨大的建筑物。从金字塔到万里长城，从古罗马输水道到都江堰水利工程，从中国黄石铜绿山矿到奥地利哈尔施塔特盐矿，这些大型宗教、建筑、水利、采矿工程通过测量进行选址、轴线定位、定向、施工放样以及维护监测。与此同时，不同的工程建设需求对测量技术不断提出新的挑战，如黄河河道整治、京杭大运河等水利工程对高程测量提出要求，北京故宫、圆明园等工程对施工测量提出要求，促进了工程测量技术的发展和完善，保证工程建设按照设计进行，实现人类对自然的改造。由此可以看出，人类发展文明史也是工程建设的历史，更是工程测量的发展史。
自工业革命以来，科学和技术突飞猛进，人类生产生活方式发生了重大变化，工业和贸易规模迅速扩张，居民聚集程度不断提高，修建了越来越多的人类定居点，大量的现代城市逐渐形成。一方面，城市中的居住区、工厂、道路等工程建筑物密集且规模庞大，对工程测量的精度、效率和作业过程提出了新要求。1689年，法国路易王朝开始修建凡尔赛宫，占地面积111万m2，其中建筑面积为11万m2，共有1300多个房间。另一方面，随着机械和光学技术的进步，现代工程测量手段开始出现。1730年，英国机械师西森研制了经纬仪，利用望远镜、度盘进行角度测量，提高了角度的观测精度，简化了方向测量与计算。经纬仪首先被应用于航海和军事制图，随后角度测量继续发展，并被逐渐应用于工程测量。1887年，法国开始建造高达300m的埃菲尔铁塔，为了保障18038个钢铁构件能够按照设计图纸进行精确组装，精准施工放样必不可少。制造者利用当时先进的经纬仪进行施工测量，保障了埃菲尔铁塔按期建成。随着工程测量技术的不断变革，工程建筑物曰益庞大而复杂。1930年，美国在纽约曼哈顿岛历时410天建成高达381m的帝国大厦。1994年，我国在湖北宜昌开始修建三峡大坝，坝高181m，正常蓄水位175m，总库容393亿m3，安装32台单机容量为70万kW的水电机组，装机容量达到2240万kW。为了保障三峡大坝的建设与运营，共在坝体安装埋设正垂线、倒垂线、引张线、伸缩仪、精密量距、静力水准仪、精密水准仪、多点位移计等工程测量仪器1.2万余支，遍布三峡枢纽。
工程测量贯穿工程建设的规划设计、施工建设和运营管理三个阶段，如图1.1所示，其主要任务是进行地形图测绘、工程控制网布设及其优化设计、施工放样、工程变形监测分析和预报等工作。
图1.1 工程测量
（1）在规划设计阶段，工程测量通过控制测量、摄影测量等技术，利用经纬仪、水准仪进行测量，或者利用高清相机成像，获得工程区域的地形地貌，提供各种比例尺的地形图、正射影像图或者高程模型，为建筑、规划或者土木工程设计人员提供基础数据，支撑项目选址、选线评估。例如，新城区修建时进行地形图测绘，为城市的建筑物、道路、管道等布设提供依据；高速公路和高速铁路在规划阶段利用航空摄影快速获取指定带状区域的髙清影像图，辅助进行线路走向评估。
（2）在施工建设阶段，工程测量根据工地的地形、工程性质、施工的组织和计划等，建立平面控制网和高程控制网，将所设计的工程建筑物按照施工要求在现场标定，进行定线放样，测量工程建筑物的几何尺寸并进行施工质量控制。例如，在高层建筑物建设期间，需要布设平面控制网和高程控制网，随着建设进度推移不断进行施工放样，保障建筑物严格按照设计施工至正确的平面位置及髙程；在工程现场周边进行沉降观测，防止发生关联灾害，保障施工安全；建设公路隧道时，进行洞内导线测量，不断校正隧洞掘进方向，保证隧洞顺利贯通。
（3）在运营管理阶段，需要对工程建筑物的水平位移、沉陷、倾斜以及摆动进行定期或持续的监测，监视工程建筑物的安全状态；对大型工业设备进行日常检测和调校，保障其按设计要求安全运行。例如，三峡大坝建设完成后，需要对坝体进行周期性的位移监测和沉降观测，辅助进行大坝的蓄水、发电与防洪决策；摩天大楼使用时需要进行年度沉降监测，防止大楼出现不均匀沉降。
近半个世纪以来，受益于空间科学、信息科学、现代光电技术、传感技术以及精密机械技术的发展，先进的工程测量仪器陆续出现，如光电测距仪、电子经纬仪、数字水准仪等。全站仪集成电子经纬仪、光电测距仪和通信模块，能够同时测量角度和距离，并传输测量数据，功能更加强大，给工程测量带来了巨大变化，改变了传统工程测量的作业方式。工程测量的信息化水平也得到了极大提升。工程测量的应用范围越来越广，不仅研究传统工程测设理论、技术和方法，而且还要延伸到国防工业、特种工业精密安装、环境和文物保护等领域，其服务范围涉及地面、地下、水下、太空、民用和军用等，其服务的行业包括市政、交通、水利、矿山、电力、航空航天与房地产等各类工业（厂），以及医疗、公共安全、国防等。与此同时，工程测量的精度、效率和可靠性也正在逐步提高[2]。
随着工程建设的持续发展，大型、特大型工程数量不断增多，其复杂程度进一步提高，安全运维的风险也逐渐增长，这对工程建筑物的运营管理也提出了更高要求，其服役状态的监测周期不断缩短。规划设计与施工建设的测量问题已基本解决，工程测量的主要应用场景转变为以服务于运营管理测量为主，测量精度逐渐提高，测量速度和效率不断提升[3]。随着动态精密工程测量理论和技术的不断完善，工程测量正在发生深刻的变革。
1.2 动态精密工程测量
1.2.1 精密工程测量及其特点
随着现代科学和工程技术的不断进步，科学研究和工程应用不断向宏观的深空、深地、深海和微观的粒子、微纳方向拓展，重大工程项目和大科学工程得到了蓬勃的发展，如港珠澳大桥[4]、中国高速铁路[5，6]、载人航天工程等重大工程[7]。这些工程规模大、结构复杂、构件多样，为了保证它们的正常运营和高度稳定，不仅要求以髙精度定位安装，而且要在运营维护期间监测其微小变形，并将其校准到正确位置。大型工程的施工、安装、检测、控制和监测对工程测量提出了更高的要求[8]。例如，安装500m口径球面射电望远镜的抛物面反射镜（图1.2（a））时，其相对精度要求髙达0.1mm；散裂中子源粒子加速器包括200m直线加速器和400m同步环形加速器，其准直测量的平面位置精度为0.3mm。我国建设了数万千米的髙速铁路网（图1.2（b）），服务高铁建设的CPIII控制点精度要求在毫米级，保障高铁安全运行的轨道检测精度也需要达到亚毫米级。大型工程建筑物，如广州新电视塔“小蛮腰”、深圳平安国际金融中心、上海中心大厦、北京大兴机场等，其设计和施工均要求高精度工程测量保障，其测量精度通常在毫米级。这些工程测量工作形成了工程测量的前沿方向，即精密工程测量。
图1.2 精密工程测量
和普通工程测量不同，精密工程测量在精度要求、测量对象、仪器设备、测量方法的等方面都存在一定的差别。
1.测量精度高
根据《精密工程测量规范KGB/T15314—94）[9]的要求，精密工程测量的绝对测量精度应达到毫米量级，甚至亚毫米。例如，一级精密距离测量的中误差应小于0.05mm；在修建速度为350km/h的高速铁路时，为了达到高速行驶条件下旅客列车的安全性和舒适性，《城市轨道交通无砟轨道技术条件》（GB/T38695—2020）？要求采用髙精度双频全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）接收机，建设高精度平面控制网；上海同步辐射光源大科学装置包括长为20m的直线加速器、长为180m的增强器和长为432m的储存环，在安装时要求垂直于电子流方向的测量误差小于0.05mm。
2.服务对象复杂
工程测量大都针对简单建筑物进行，占地面积小，空间范围有限，测量作业相对容易。精密工程测量对象通常是摩天大楼、跨江/跨海大桥、超长隧道、高速铁路、粒子加速器等重大工程，这些工程建筑物构件多、结构复杂、空间范围广泛，测量困难多、要求高且难度大[8]。武广高速铁路长度超过1000km，其CPIII控制网包含3万多个控制测量点。港珠澳大桥海底沉管隧道长5664m，由33节巨型沉管和1个合龙段接头组成，最大安装水深超过40m，数万吨沉管在海平面以下13～44m的水深处进行对接，需要水下精密施工测量，将对接误差控制在2cm以内[4]。
3.测量仪器专用
测量仪器是精密工程测量发展的重要推动力。精密工程测量通常使用精度更高的测量仪器，如测角精度为0.5"的高精度经纬仪、高精度激光测距传感器、高精度激光准直系统等，这些仪器性能好，精度高，稳定性强。近年来，精密工程测量仪器在测量精度、测量范围、测量自动化等方面都有了显著的进步，激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、高精度GNSS接收机等为精密工程测量提供了技术保障。许多工程场景环境特殊，测量要求高，需要研制专用的精密测量设备。例如，高速公路路面检测要求尽量不干扰路面交通，必须研制专用的车载道路路面检测系统，利用高精度结构光三维测量传感器、高分辨率相机、惯性测量传感器以及GNSS接收机，获取路面精细三维点云和纹理，快速高效地实现路面车辙、平整度、裂缝、破损等病害的连续检测，从而实现道路路面病害普査[11]。
4.多学科交叉
精密工程测量集成了工程技术、计算机技术、电子信息技术和自动控制技术，涉及建筑学、地质学、海洋学、材料学、工程学等，具有典型的前沿交叉性质，始终是工程测量的发展热点和前沿方向。在应用方面，精密工程测量也具有非常典型的前沿交叉特征，服务于大型建筑、交通工程、水利枢纽、大科学装置、探月工程，并逐渐向地下、水下、太空等更深、更远地方延伸，同时和土木工程、水利工程、航空航天等学科深度交叉融合。
1.2.2 动态精密工程测量及其特点
改革开放以来，随着经济的快速发展，我国工程建设突飞猛进，工程建筑物，特别是民用建筑物（如高速公路、高速铁路、城市地铁、水利枢纽、大型机场、输电线路、大型管道）等规模迅速扩大。图1.3展示了我国髙速公路与髙速铁路通车里程的发展历程。1988年，我国第一条高速公路一沪嘉髙速公路建成通车，截至2020年底，我国高速公路通车里程已达到16.10万km。2008年，我国第一条设计速度为350km/h的高速铁路——京津城际铁路开通，截至2020年底，我国高速铁路通车里程已达到3.8万km，对百万人口以上城市覆盖率超过95%。与此同时，摩天大楼、公路/铁路隧道、跨江/跨海大桥等规模巨大的工程建筑物数量与日倶增，这对工程测量在工程建设、运营和维护过程中的应用提出了更高的要求。
图1.3 我国重要道路基础设施发展历程
（1）重大工程如高速公路、高速铁路、地铁是国民经济建设的动脉，水利枢纽、核电站是动力源泉，摩天大楼组成的中央商务区是国民经济建设的“加油站”，其服役状态不断发生变化，超过一
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