精密工程测量技术(2014)

广东工业大学彭先进精密工程测量技术序言工程测量，被工程牵着鼻子走–听从工程建设召唤，随叫随到任劳任怨–满足工程建设要求，中规中矩保质保量工程测量，借助其他科学技术进步–对仪器工具的依赖–对科学理论的借鉴工程测量的代表作——精密工程测量–大型特种精密工程＋精密仪器工具＋相关理论与方法工程测量人员因失误而“出名”2精密工程测量的概念精密工程测量（特种精密工程测量、大型特种精密工程测量、精密测量）是以经典的测绘学理论与方法为基础，运用现代大地测量学和计量学等科技新理论、新方法与新技术，针对工程与工业建设中的具体问题，使用专门的仪器设备，以高精度与高科技的特殊方法采集数据、进行数据处理，为获得所需要的数据与图形资料而进行的测量工作。–高精度（毫米级或更高精度。相对精度一般要求优于10-6）–高可靠性–自动测控–工程规模大、投资大、影响大–通常需要常规以外的方法和手段–“精密”是一个相对性概念3精密工程测量的概念精密的工程需要精密的测量–线性粒子加速器的一些部件的安装和校正在600m距离上的高程误差要求小于0.1mm，横向误差小于0.5mm；–大型射电天文望远镜的安装、人造卫星和导弹的发射轨道、高速铁路建设、大型建筑物和设备的形变监测、地壳运动和地震的监测等等，都要求测距精度达到毫米或亚毫米级；–长、大隧道的横向贯通精度虽然在厘米、分米级，但对测量精度要求很高，仍属于精密工程测量；–精密工程测量对测量仪器的鉴定检核、测量标志的稳定、测量方法的严密、测量方案的优选、观测量之间的相互检查控制，以及严密的数据处理和对测量的质量检查控制以及监理等要求也很高。4精密工程测量的概念精密工程测量的研究内容主要包括精密工程测量的理论、技术、方法、专用的仪器设备以及测量软件研发等方面。精密工程测量的理论、技术和方法是以大地测量学为基础的。因为所有测量工作都要涉及参考面和线，如地球椭球体、大地水准面、垂线、经纬线、真北方向等。对于许多精密工程来说，不宜采用单纯的GPS网。GPS网与地面网、特别是与高精度测边相结合乃是最新的发展方向。在精密工程测量仪器方面，多传感器集成测绘系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、水准仪以及各种专用测量仪器，为精密测绘提供了技术保障。精密工程测量的软件的研发与测量仪器设备的研制具有同等重要的意义。5精密工程测量的概念精密工程测量是服务于各种工程中精度要求“特高”、“特难”的那部分工作，服务范围相对较小，但重要性十分显著，起着关键性作用。精密工程测量的发展–工程测量内外业作业的一体化–数据获取及其处理的自动化–测量过程控制和系统行为的智能化–测量成果和产品的数字化–连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便6典型案例北京正负电子对撞机–是世界八大高能加速器中心之一，是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施；由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。–北京正负电子对撞机的精密控制网，点位精度达±0.3mm。设备定位精度优于±0.2mm，200米长的直线段漂移管准直精度达±0.1mm。7典型案例中国科技大学同步辐射加速器–主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，从而推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月，1989年4月26日正式建成。8同步辐射装置储存环大厅典型案例巨型对天射电望远镜1963年美国安装在波多黎各的阿雷西博射电天文台的著名抛物面射电望远镜，直径305米。表面精度为±2.00mm。2013年最后一天，中国在建世界最大射电望远镜主体在贵州合龙，直径500米。主索索长控制精度须达到1毫米以内，主索节点的位置精度须达到5毫米。9典型案例10射电望远镜建设过程图典型案例11世界最长跨海大桥——青岛胶州湾大桥上海磁悬浮列车三峡工程典型案例12高速铁路超高层建筑隧道工程大型设备安装延伸：工程测量的质量与精度工程控制网质量准则–精度准则——相对精度（比例误差&相邻点误差）；绝对精度（真误差&相对于基准的误差）–可靠性准则——内部可靠性指控制网发现（或探测）观测值粗差的能力；外部可靠性指网抵抗观测数据中残存粗差对平差成果的影响的能力–灵敏度准则–费用准则关于测量精度–“测不准原理”。粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。通俗地说就是：位置测量越准确动量测量就越不准确，反之亦然。——一切都可以测量，一切测量都有误差。–坚持科学质量观。不是越精确越好，而是够用就行；被过高精度要求的测绘（伪精密工程测量）比比皆是。——精度与成本成正比，应珍惜测绘人员劳动，好钢用在刀刃上。–精度责任。不仅是测量人员的义务。目前“限差分配”不尽合理。13精密工程测量实施方案要求–广泛收集各种有关资料及深刻理解对精度要求的涵义–找出关键问题及拟定处理方案–借鉴已有案例，吸收成功经验–能以不同方法进行验证方案设计的基本步骤–对环境条件、工程及水文地质、气候特点等进行详细调查，分析其对测量作业的影响。–基准的选择，在进行精密分析和遵循有关规范的基础上，兼顾整个工程建设的需要，提出控制方案和施测方法，对精度进行预估。–确定出测量中的关键精度所在，并提出数个备选方案。实施方案应包括采用的仪器、测量方法、关键技术、预期精度以及不同方案的比较。–数据处理的方法。–对方案可行性的论证，工作量及经费的概算等。–精密工程测量的方法和仪器。14GPS测量技术施工专用GPS网误差来源–与卫星有关的误差：主要包括卫星钟差、卫星星历误差、地球自传的影响、相对论效应影响–信号传播误差：电离层和对流层折射的影响、多路径效应的影响–仪器误差和观测误差：主要包括各种不同类型接收机本身的精度、观测过程中的操作等误差15GPS测量技术GPS控制网提高精度的措施–基准点的选择：地质稳固、保存完好、兼容性好。–网的点位布设：根据GPS网模拟优化的结果，GPS网应由三角形、大地四边形、中心多边形构成。–基线的选择：为了提高基线的精度，减弱电离层和对流层折射的影响，基线长度控制在20km以内。根据模拟优化结果，选择最佳的重复观测基线和地面测距基线。–改进观测条件：采用双频GPS接收机；严格鉴定以消除仪器误差：设置强制对中观测墩；每个时段的观测时间控制在2h以上。GPS数据处理中提高精度的措施–采用精密星历，例如，上海磁悬浮工程GPS网采用由WUHA（武汉）、BJFS（北京）、SHAD（上海）GPS跟踪站通过跟踪GPS卫星信号解算的精密星历减弱卫星星历误差的影响，以提高基线解算的精度。–基线解算方法：采用双差固定解、双差浮点解和三差解解算各条基线，并采用多种不同的软件进行解算、比较，以保证基线成果的可靠性、精密性。–网平差方法：网平差中舍弃大于20km的基线。16精密定线作用：给出基准线（基准面）。方法–精密经纬仪；–准直望远镜；–引张线；–真空管激光准直。17精密定线激光准直–波带板激光准直。利用激光衍射原理进行准直。在待测点C安置特定波带板，B点探测到∆i并计算C点的偏距δi，偏距精度可达到测线AB长度的10−6。–CCD感应激光准直测量系统：该测量系统发射一束激光作为基准直线，在需要准直的位置安装CCD摄像头，通过摄取激光束的像，经过图像处理即可得到竖向和横向的垂直偏离值。18精密定线•激光准直–真空管激光准直：将高精度激光准直系统安装于真空管道内，准直精度可达到10－7~10－8。19精密定线准直望远镜测微精度：30米距离时为0.05mm20测微准直望远镜精密定线21精密定线引张线–电场式引张线直线准直测量系统：在两点引张一条细钢丝，给钢丝引入强电流，钢丝周围就会产生柱状空间电场，在需要准直的位置安装上电场感应传感器，通过测量传感器感应到的电场强度的变化量即可得到垂直偏离值，由于引张线不受气流的影响，其测量精度优于0.1mm。22精密测角传统的光学经纬仪与现代电子经纬仪在精密工程测量中出现了并用的局面，但是电子经纬仪更具优势。观测时要用适当的方法减少或避免望远镜调焦误差及其他仪器误差的影响，要选择或创造良好的观测条件以削弱外界因素的不良影响，要尽量减少仪器和目标偏心差的影响，必要时可在观测成果上加入仪器竖轴倾斜改正数及测微器读数的行差改正数。带伺服马达的、可以自动识别和自动照准目标自动测量的全站仪，也称为智能型全站仪或者测量机器人，通过仪器自动精确照准后测量水平角、天顶距和距离，可以快速获得目标点相对于仪器中心的三维空间坐标。用LEICATCA1800在15m距离所做的自动照准测量试验表明，水平方向的测量精度可达到0.3″。23精密测角从光学经纬仪到电子经纬仪徕卡PS2000系列全站仪、TM5100A电子经纬仪等仪器的一测回方向标准偏差达到±0．5″，具有动态角度扫描系统及三轴自动补偿、目标自动识别和动态频率校正等功能。在精密工程测量中，要获得高精度的角值，除了应使用相应精度的仪器外，还必须注意减弱仪器对中误差、目标偏心误差、照准误差、竖轴倾斜误差及环境条件的影响。24精密测距精密测距仪器1.因瓦合金制成的线尺或带尺，配备特制的对中设备和读数显微镜，适用于几百米内测距；2.双频激光干涉测长仪，精度可达0.01mm，测量长至50米左右的距离，其反光镜要沿导轨移动，可用以精确测定其他尺子的长度；3.较长的距离宜用精密的光电测距仪测量，测距达2.5公里，测距的相对精度可达10-6。如KernME5000等。4.激光扫描仪，通过提高测距调制信号的频率（达到100GHz），在无合作目标的情况下测量精度可以达到几十微米量级。25精密测距ME5000精密激光测距仪：瑞士Kern厂产品测程单棱镜约4km三棱镜约8km精度±（0.2mm+0.2×10-6D）内分辨力为0.01mm光源He-Ne激光器，波长0.6328μm调制频率约500MHz作业温度-10～+40t26精密测距以ME5000为代表的精密激光测距仪和TERRAMETERLDM2双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，其中最典型的代表是铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETERISETH，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。采用多谱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、微米级进入到纳米级世界。27精密测高–精密水准；当视线短至5～10米时，测量高差的精度可以达到0.05毫米左右。目前已经出现了精度为0.m4m/Km的电子水准仪。–用带有机械测微装置的精密水准器安装设备时，测量相距不到1.5米的两点高差精度，可以达到0.01毫米左右。用精密的静力水准仪测量高差的误差可减少至几个微米。28WILDN3水准仪及DNA03数字水准仪静力水准仪精密测高静力水准仪主要由传感器、连通管、数据采集系统组成。–传感器。用来精密测定液面高度，不同静力水准仪的区别在于测定和读取液面位置的方法不同。如CCDS、电容式、非接触光电式、超声波式静力水准传感器等。更传统的静力水准仪采用目视法，精度不高。–连通管。连接各传感器钵体，在精密工程测量中，通常会包括气管和水管两部分。–数据采集系统。用来采集传感器记录下的读数，供后期处理使用。29精密投点精密投点仪–激光自动安平垂准仪30激光测量仪器激光测量仪器激光经纬仪（测角、准直）激光水准仪（测高、准直）激光铅直仪（轴线垂直控制）旋转激光水准仪（场地整平）31激光跟踪仪激光跟踪仪是一台以激光为测距手段，配以反射标靶的仪器，同时配有绕两个轴转动的测角机构，形成一个完整球坐标测量系统。可以用它来测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。对目标连续跟踪，每秒读数可达1000次，特别适合于动态目标的检测，