论文部分内容阅读
【摘要】本文主要对地下工程测量进行了定义，指出了近代地下工程测量的重要性，简单阐述了测量仪器的发展；在理论发展方面，重点对控制网优化设计、变形监测与数据处理、平差方法进行了归纳和总结，并展望了近代地下工程测量的若干发展方向。
【关键词】地下工程测量；测量平差
Abstract：In this paper defines the measurement of the underground works, pointed out the importance of measurements of the modern underground engineering, and briefly discusses the development of measuring instruments; in theory development, with emphasis on the control network optimization design, deformation monitoring and data processing, adjustment methodand summarized, and look a certain direction of development of modern underground engineering survey.
Key words underground engineering measurement; measurement adjustment
中圖分类号：[TU198+.2] 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
概述地下工程测量是工程测量学的一个分支，主要是研究地下、水下具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性 学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。众所周知，工程测量的研究应用领域非常广泛，而解决每一个工程问题首先得解决地下问题。地下工程是工 程测量的基础，是工程的首要也是重要问题。目前国内把工程建设有关的地下工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路 (铁路、公路等)地下工程测量、桥隧工程测量、建筑地下工程测量、矿山测量、海洋工程测量等，几乎每一行业和地下工程测量都有密切的联系。
随着经济快速发展、人口高速增长以及人类生态环境的恶化，世界各国为了提高土地利用率与节省土地资源，疏导交通， 减少环境污染等，正积极开发地下空间。1991年在东京召开的城市地下空间利用国际学术会议上通过了《东京宣言》，提出了：二十一世纪是人类地下空间的开 发利用的世纪。1998年在莫斯科召开了以“地下城市”为主题的地下空间国际会议。在工程实践方面，瑞典、娜威、加拿大、日本、美国和芬兰等国在地下空间 利用领域已达到相当的规模和水平，地下空间的开发利用，己成为世界性发展趋势。我国人口众多、土地资源相对稀少、城市人口居住密集，开发利用地下空间也将 成为我国发展的必然趋势。 然而，我国在地下工程实践方面起步稍晚，工程实践理论和技术相对薄弱。
随着地下空间的开发利用，地下工程施工实践越来越多。特别是在地下交通运输工程(如公路隧道、铁路隧道、地下铁道、过河隧道、地下邮政运输道、地下垃圾运 输道等)和地下管沟工程(如给水、排水、雨水、电力、电讯、煤气、热力综合管沟通道)以及矿山测量方面的工程实践较多。近几十年来，地下土程暗挖施工技术 (如盾构和顶管)在地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设中有明显优点，在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道 中，盾构法和顶管法因为它们在特定条件下的经济合理性而得到广泛采用。
由此可见，地下工程测量在测绘学的发展以及实际的工程应用中作用是显著的，开发利用好地下空间、地下工程是搞好工程测量首要的、基本的问题。
2. 地下工程测量目前的发展状况地下工程测量的发展与现实的测量仪器、技术和工程有着密切的关系。有了新型仪器，如何尽快应用到实际工程中；反过来，有了新的 工程，如何开发新的测量仪器、研究新的测量技术与方法，来满足新工程的特殊要求。如此反复，推动着地下工程测量向前发展。因此理论方法和测量仪器的发展总 是相辅相成的。
2.1地下工程测量理论方法的发展。
2.1.1控制网的优化设计。网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。 一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而 言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设计。在工程 测量中，施工控制网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用GPS定位技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除特 别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主 要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进 一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应 包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵， 协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差 坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比 较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形(增加或减少网点)等方法重新作 上述设计计算，直到获取一个较好的结果。
2.1.2变形监测与数据处理。根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法，由过程曲线可作趋势分析。如果将变形观测数据与影响 因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可得到变形与显著性因子间的函数关系，除作物理解释外，也可用于变形预报。多元回归分析需要较长的一致性好的 多组时间序列数据.若仅对变形观测数据，可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，前者可针对小数据量的时间序列，对原始数列采用累加生成法变为生成数列，因此有减弱随机性、增加规律性 的作用。如果对一个变形观测量(如位移)的时间序列，通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项，然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型 ARMA，这种组合建模的方法，可分性好且具有以下显著优点：将非平稳相关时序转化为独立的平衡时序；具有同时进行平滑、滤波和推估的作用；模型参数聚集 了系统输出的特征和状态；这种组合模型是基于输出的等价系统的理想动态模型。
把变形体视为一个动态系统，将一组观测值作为系统的输出，可以用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态。动态系统由状态方程和观测方程描述，以监测点的位置、速 率和加速率参数为状态向量，可构造一个典型的运动模型。状态方程中要加进系统的动态噪声。卡尔曼滤波的优点是勿需保留用过的观测值序列，按照一套递推算 法，把参数估计和预报有机地结合起来。除观测值的随机模型外，动态噪声向量的协方差阵估计和初始周期状态向量及其协方差阵的确定值得注意。采用自适应卡尔曼滤波可较好地解决动态噪声协方差的实时估计问题。卡尔曼滤波特别适合滑坡监测数据的动态处理；也可用于静态点场、似静态点场在周期的观测中显著性变化点 的检验识别。 对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，可将时域内的信息转变到频域内分析。在某一观测时刻的观测值数字信号可表示为许多个不同 频率的谐波分量之和，通过计算各谐波频率的振幅，最大振幅以及所对应的主频率等，可揭示变形的周期变化规律。若将变形体视为动态系统，变形视为输出，各种 影响因子视为输入，并假设系统是线性的，输入输出信号是平稳的，则通过频谱分析中的相干函数、频响函数和响应谱函数估计，可以分析输入输出信号之间的相干 性，输入对系统的贡献(即影响变形的主要因素及其频谱特性)。
2.1.3测量平差。最小二乘法广泛应用于测量平差。最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型被称为概括平差模型，它是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误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、随机模型误差的鉴别或诊断；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。由于变形监测网参考点稳定性检验的需要，导致了自由网平差和拟稳平差的出现和发展。 观测值粗差的研究促进了控制网可靠性理论，以及变形监测网变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展。针对观测值存在粗差的客观实际，出现了稳健估计 (或称抗差估计)；针对法方程系数阵存在病态的可能，发展了有偏估计。与最小二乘估计相区别，稳健估计和有偏估计称为非最小二乘估计。 2.2三维工业测量技术的發展及其在地下工程测量中的应用。三维工业测量技术，是以电子经纬仪、全站仪、近景摄影仪或激光扫描仪等为传感器，在电子计算机 和软件的支持下形成了三维测量系统。三维工业测量系统分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以近景摄影机为传感器的工业摄影测量 系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。工业大地测量系统发展最早，应用较广，如美国研制的AIMSRT系统三维测量其精度达0.05mm要求； 瑞士和法国联合研制的RMS200系统，在抛物面天线三维测量，抛物面焦距值与设计值之差为1mm，功效提高3～4倍；德国研制的IMS系统，在飞机表面 三维测量，位置和高程精度均达到±0.1 mm；瑞士研制的SPACE全自动工业测量系统，望远镜内装微型CCD摄影机，能进行数字图像处理，每小时可测500点三维坐标，点位精度小于 0.1mm。武汉大学冯文灏教授等研制的“基于测角仪器的联机工业测量系统”，在大型物体表面三维测量，点位和高程精度达到0.5mm以内,解放军信息工 程大学测绘院李广云教授等研制的工业测量系统精度达到0.5mm。工业摄影测量系统，通常以近景摄影的方式实现，其优点是通过像片提供大量信息，施测周期 短，可在瞬间完成测量的全过程，可对动态目标进行测量，可以多重摄影，有多余观测值，精度可靠，最好的相对精度可达百万分之一，这对于复杂多变的地质环境 条件下的地下工程测量是非常有利的，在短时间内获取海量的测量数据，不但大大节省了财力、人力和物力，还能使测量的精度大大提高。激光扫描测量系统，是以 激光扫描仪为传感器的三维工业测量系统。激光扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵可转换成三维模型、 二维平面图、等高线图或断面图等，也可以同时用于CAD及相关应用。因激光扫描仪具有扫描范围大、速度快、分辨率高、建模快、拼接好的特点，这就为矿山开 采沉陷的动态监测、开采损害的评价提供了先进的技术手段，从而更能客观、科学、有效的指导矿山的安全生产。 3. 地下工程测量学的发展展望如前所述，地下工程测量理论与技术的快速发展与现实的测量仪器、技术和工程有着密切的关系。工程测量技术的自动化!智能化!小型 化!无线化和动态测量化是一个总的发展趋势。我国的地下工程测量在各个方面取得了巨大的发展，为国民8建设解决了诸多的关键问题。每年一次的全国性的工程测量学术研讨会就给国内的测量工作者提供了一次不断交流、探讨、总结和 提高的机会。但由于各方面的原因,如测绘市场的不规范、资金和人力的投入不足、追求短期效应等，国内的地下工程测量在先进技术的研究和应用方面比起发达的 国家,还存在一定的差距。因此，地下工程测量理论与技术应该在以下几个方面有更好的发展：(1)针对特殊工程的专用仪器的研制，特别是传感器的研制； (2)各种传感器集成、数据处理及自动化实现，如各种移动测量系统的研制；(3)新型测量仪器的检校设备!理论和方法；(4)多类连续变形监测数据的联合 处理与分析的理论与方法；(5)数据处理中数学物理模型的建立、分析和辨识等。
【关键词】地下工程测量；测量平差
Abstract：In this paper defines the measurement of the underground works, pointed out the importance of measurements of the modern underground engineering, and briefly discusses the development of measuring instruments; in theory development, with emphasis on the control network optimization design, deformation monitoring and data processing, adjustment methodand summarized, and look a certain direction of development of modern underground engineering survey.
Key words underground engineering measurement; measurement adjustment
中圖分类号：[TU198+.2] 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
概述地下工程测量是工程测量学的一个分支，主要是研究地下、水下具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性 学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。众所周知，工程测量的研究应用领域非常广泛，而解决每一个工程问题首先得解决地下问题。地下工程是工 程测量的基础，是工程的首要也是重要问题。目前国内把工程建设有关的地下工程测量按勘测设计、施工建设和运行管理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路 (铁路、公路等)地下工程测量、桥隧工程测量、建筑地下工程测量、矿山测量、海洋工程测量等，几乎每一行业和地下工程测量都有密切的联系。
随着经济快速发展、人口高速增长以及人类生态环境的恶化，世界各国为了提高土地利用率与节省土地资源，疏导交通， 减少环境污染等，正积极开发地下空间。1991年在东京召开的城市地下空间利用国际学术会议上通过了《东京宣言》，提出了：二十一世纪是人类地下空间的开 发利用的世纪。1998年在莫斯科召开了以“地下城市”为主题的地下空间国际会议。在工程实践方面，瑞典、娜威、加拿大、日本、美国和芬兰等国在地下空间 利用领域已达到相当的规模和水平，地下空间的开发利用，己成为世界性发展趋势。我国人口众多、土地资源相对稀少、城市人口居住密集，开发利用地下空间也将 成为我国发展的必然趋势。 然而，我国在地下工程实践方面起步稍晚，工程实践理论和技术相对薄弱。
随着地下空间的开发利用，地下工程施工实践越来越多。特别是在地下交通运输工程(如公路隧道、铁路隧道、地下铁道、过河隧道、地下邮政运输道、地下垃圾运 输道等)和地下管沟工程(如给水、排水、雨水、电力、电讯、煤气、热力综合管沟通道)以及矿山测量方面的工程实践较多。近几十年来，地下土程暗挖施工技术 (如盾构和顶管)在地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设中有明显优点，在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道 中，盾构法和顶管法因为它们在特定条件下的经济合理性而得到广泛采用。
由此可见，地下工程测量在测绘学的发展以及实际的工程应用中作用是显著的，开发利用好地下空间、地下工程是搞好工程测量首要的、基本的问题。
2. 地下工程测量目前的发展状况地下工程测量的发展与现实的测量仪器、技术和工程有着密切的关系。有了新型仪器，如何尽快应用到实际工程中；反过来，有了新的 工程，如何开发新的测量仪器、研究新的测量技术与方法，来满足新工程的特殊要求。如此反复，推动着地下工程测量向前发展。因此理论方法和测量仪器的发展总 是相辅相成的。
2.1地下工程测量理论方法的发展。
2.1.1控制网的优化设计。网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。 一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而 言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设计。在工程 测量中，施工控制网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用GPS定位技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除特 别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主 要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进 一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应 包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵， 协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差 坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比 较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形(增加或减少网点)等方法重新作 上述设计计算，直到获取一个较好的结果。
2.1.2变形监测与数据处理。根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法，由过程曲线可作趋势分析。如果将变形观测数据与影响 因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可得到变形与显著性因子间的函数关系，除作物理解释外，也可用于变形预报。多元回归分析需要较长的一致性好的 多组时间序列数据.若仅对变形观测数据，可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，前者可针对小数据量的时间序列，对原始数列采用累加生成法变为生成数列，因此有减弱随机性、增加规律性 的作用。如果对一个变形观测量(如位移)的时间序列，通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项，然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型 ARMA，这种组合建模的方法，可分性好且具有以下显著优点：将非平稳相关时序转化为独立的平衡时序；具有同时进行平滑、滤波和推估的作用；模型参数聚集 了系统输出的特征和状态；这种组合模型是基于输出的等价系统的理想动态模型。
把变形体视为一个动态系统，将一组观测值作为系统的输出，可以用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态。动态系统由状态方程和观测方程描述，以监测点的位置、速 率和加速率参数为状态向量，可构造一个典型的运动模型。状态方程中要加进系统的动态噪声。卡尔曼滤波的优点是勿需保留用过的观测值序列，按照一套递推算 法，把参数估计和预报有机地结合起来。除观测值的随机模型外，动态噪声向量的协方差阵估计和初始周期状态向量及其协方差阵的确定值得注意。采用自适应卡尔曼滤波可较好地解决动态噪声协方差的实时估计问题。卡尔曼滤波特别适合滑坡监测数据的动态处理；也可用于静态点场、似静态点场在周期的观测中显著性变化点 的检验识别。 对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，可将时域内的信息转变到频域内分析。在某一观测时刻的观测值数字信号可表示为许多个不同 频率的谐波分量之和，通过计算各谐波频率的振幅，最大振幅以及所对应的主频率等，可揭示变形的周期变化规律。若将变形体视为动态系统，变形视为输出，各种 影响因子视为输入，并假设系统是线性的，输入输出信号是平稳的，则通过频谱分析中的相干函数、频响函数和响应谱函数估计，可以分析输入输出信号之间的相干 性，输入对系统的贡献(即影响变形的主要因素及其频谱特性)。
2.1.3测量平差。最小二乘法广泛应用于测量平差。最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型被称为概括平差模型，它是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误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、随机模型误差的鉴别或诊断；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。由于变形监测网参考点稳定性检验的需要，导致了自由网平差和拟稳平差的出现和发展。 观测值粗差的研究促进了控制网可靠性理论，以及变形监测网变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展。针对观测值存在粗差的客观实际，出现了稳健估计 (或称抗差估计)；针对法方程系数阵存在病态的可能，发展了有偏估计。与最小二乘估计相区别，稳健估计和有偏估计称为非最小二乘估计。 2.2三维工业测量技术的發展及其在地下工程测量中的应用。三维工业测量技术，是以电子经纬仪、全站仪、近景摄影仪或激光扫描仪等为传感器，在电子计算机 和软件的支持下形成了三维测量系统。三维工业测量系统分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以近景摄影机为传感器的工业摄影测量 系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。工业大地测量系统发展最早，应用较广，如美国研制的AIMSRT系统三维测量其精度达0.05mm要求； 瑞士和法国联合研制的RMS200系统，在抛物面天线三维测量，抛物面焦距值与设计值之差为1mm，功效提高3～4倍；德国研制的IMS系统，在飞机表面 三维测量，位置和高程精度均达到±0.1 mm；瑞士研制的SPACE全自动工业测量系统，望远镜内装微型CCD摄影机，能进行数字图像处理，每小时可测500点三维坐标，点位精度小于 0.1mm。武汉大学冯文灏教授等研制的“基于测角仪器的联机工业测量系统”，在大型物体表面三维测量，点位和高程精度达到0.5mm以内,解放军信息工 程大学测绘院李广云教授等研制的工业测量系统精度达到0.5mm。工业摄影测量系统，通常以近景摄影的方式实现，其优点是通过像片提供大量信息，施测周期 短，可在瞬间完成测量的全过程，可对动态目标进行测量，可以多重摄影，有多余观测值，精度可靠，最好的相对精度可达百万分之一，这对于复杂多变的地质环境 条件下的地下工程测量是非常有利的，在短时间内获取海量的测量数据，不但大大节省了财力、人力和物力，还能使测量的精度大大提高。激光扫描测量系统，是以 激光扫描仪为传感器的三维工业测量系统。激光扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵可转换成三维模型、 二维平面图、等高线图或断面图等，也可以同时用于CAD及相关应用。因激光扫描仪具有扫描范围大、速度快、分辨率高、建模快、拼接好的特点，这就为矿山开 采沉陷的动态监测、开采损害的评价提供了先进的技术手段，从而更能客观、科学、有效的指导矿山的安全生产。 3. 地下工程测量学的发展展望如前所述，地下工程测量理论与技术的快速发展与现实的测量仪器、技术和工程有着密切的关系。工程测量技术的自动化!智能化!小型 化!无线化和动态测量化是一个总的发展趋势。我国的地下工程测量在各个方面取得了巨大的发展，为国民8建设解决了诸多的关键问题。每年一次的全国性的工程测量学术研讨会就给国内的测量工作者提供了一次不断交流、探讨、总结和 提高的机会。但由于各方面的原因,如测绘市场的不规范、资金和人力的投入不足、追求短期效应等，国内的地下工程测量在先进技术的研究和应用方面比起发达的 国家,还存在一定的差距。因此，地下工程测量理论与技术应该在以下几个方面有更好的发展：(1)针对特殊工程的专用仪器的研制，特别是传感器的研制； (2)各种传感器集成、数据处理及自动化实现，如各种移动测量系统的研制；(3)新型测量仪器的检校设备!理论和方法；(4)多类连续变形监测数据的联合 处理与分析的理论与方法；(5)数据处理中数学物理模型的建立、分析和辨识等。