精密工程测量.docx

精密测量

一、 概述精密工程测量的基础理论与技术及其发展动态
1、概述精密工程测量的基础理论
精密工程测量是工程测量的分支，是测绘科学在大型工程、高新技术规程和特种工程等精密工程建设中的应用。数百米高的特大型水电工程，特大跨距的斜拉桥、悬索桥、大型工业和民用建筑群体的纷纷涌现，对传统的工程测量在内容、精度、技术要求、测控技术等方面提出了众多急需解决的问题。精密工程测量要满足各种复杂大型工程、前沿科学研究中的实验工程、现代工业安装测量、变形监测工程等等应用的需要，确保这些大型工程建设的顺利实施和工程的优质。精密工程测量的突出特点是“高精度”和“高可靠性” 。
I、精密个工程测量是工程测量的现代发展和延伸,它是指绝对测量精度达到毫米或亚毫米级、相对精度达到10-6，以先进的测量方法、仪器和设备，在特殊条件下进行的测量工作。相比于传统的工程测量，精密工程测量具有如下特点：
1、精密工程测量是在测量学的基本理论和方法指导下的测量技术，在信息获取的精度方面有更高的要求；
2、精密工程测量需要研制新仪器和专用设备，提高仪器的自动化程度及精度，深入分析工程测量工作中的各种误差并采取有效措施加以克服，研究新的测量技术、实施方案和数据处理方法，形成一套专门为高精度工程测量所需的理论、方法和技术；
3、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；
4、精密工程测量所用的仪器设备必须具有较高的性能，以保证测量结果的精度、可靠性和有效性。
II、精密工程测量实施方案的基本步骤：
1、对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点进行详细的分析及描述，并分析总结这些条件对测量作业的影响。要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析和评定这些资料的精度和利用价值；
2、工程区基准的确定，在详细进行精度分析和遵循有关“规范”条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提出控制方案和实施方法，以及对精度进行预估等；
3、确定出测量中的关键精度所在，并结合自己的经验以及广泛吸收同类工程成功的实例，提出数个实施方案。实施方案包括采用的仪器、测量的方法、关键技术的解决内容、预期精度的估计，以及不同方案的比较；
4、数据处理的方法；
5、对方案可行性的论证，工作量及经费的概算。
III、精密工程测量的内容与特点
（一）、定义和特点 
精密工程测量是工程测量的现代发展和延伸，它是指绝对测量精度达到毫米或亚毫米量级、相对测量精度达到10-6，以先进的测量方法、仪器和设备，在特殊条件下进行的测量工作。相比于传统的工程测量，精密工程测量具有如下特点： 
(1)精密工程测量是在测量学的基本理论和方法指导下的测量技术，在信息获取的精度方面有更高的要求； 
(2)精密工程测量需要研制新仪器和专用设备提高仪器的自动化程度及精度，深入分析工程测量工作中的各种误差并采取有效措施加以克服，研究新的测量技术、实施方案和数据处理方法，形成一套专门为高精度工程测量所需的理论、方法和技术； 
(3)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，但重要性十分显着，起着关键性的作用； 
(4)精密工程测量所用的仪器设备必须具有较高的性能，以保证测量成果的精度、可靠性和有效性。 
（二）、精密工程测量方案设计 
一项精密工程测量的方案设计一般包括如下内容：收集各种有关的资料、深刻理解对精度要求的含义、找出关键问题及拟定处理方案、成功经验的吸收和考虑以不同方法进行验证。 
精密工程测量方案设计的基本步骤为： 
(1)对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点等进行详细的分析和描述，并分析总结这些条件对测量作业的影响。要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析和评
价这些资料的精度及利用价值。 
(2)确定工程区基准，在详细进行精度分析和遵循有关规范条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提出控制方案和施测方法以及对精度进行预估等。 
(3)确定出测量中的关键技术所在，并结合自己的经验以及广泛吸收同类工程成功的实例，提出数个实施方案。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。 
(4)拟定数据处理方法。 
(5)对方案可行性的论证、工作量和经费的概算等。 
(6)精密工程测量的方法和仪器 
（三）、精密测距 
在几百米内测距，使用铟瓦基线尺较为方便，用特制的铟瓦基线尺配合显微镜读数及专门的机械装置，可使一尺段的测量误差降低到几微米，相对精度高于10-6。精密测量几百米至数千米的距离宜用精密的光电测距仪(或全站仪)。双频激光干涉仪是目前测长仪中精度较高的一种仪器，它能在较差的环境中达到5×10-7左右的测量精度，测程可达几十米，而且自动化程度高，适合于高精度工程测量应用以及测距仪、全站仪的测距精度自动检测。 
（四）、精密测角 
精密角度测量是精密三角测量、精密边角测量、精密导线测量和精密定向测量中的主要环节，通常采用高精度的光学经纬仪、电子经纬仪或全站仪。例如徕卡TPS2000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。  
（五）、精密高程测量 
目前几何水准测量仍是精密高程测量最主要的方法。 液体静力水准测量具有高精度、遥测、自动化、可移动和可持续测量等特点，已成为一种新的工程水准测量的方法。   
（六）、精密准直测量 
准直测量的方法有很多，光学测量方法有小角法、活动标牌法；光电测量方法有激光准直法等；机械法有引张线法等。   
（七）、精密垂准测量 
在数百米高的大厦、电视塔、烟囱等建筑物施工，以及核电站、火箭发射架等一些机械设备的安装中，必须进行高精度垂准测量，垂准精度通常要求达到亚毫米级。垂准测量是以过基准点的铅垂线为垂直基准线，测定沿垂直基准线的目标点相对于铅垂线的水平距离。与准直法一样，铅垂线可以用光学法、光电法或机械法产生。  
（八）、精密工程测量的应用 
 精密控制网的建立：  
（1）、直伸形三角网 
在某些准直性要求较高的工程，如大桥、大坝的横向变形监测、自动化流水线的长轴线或导轨的准直测量等，采用直伸形三角网可以有效地用在各种准直工作中(见图2-9-1)。  
（2）、环形控制网 
 通常在高能粒子加速器工程施工中，需要布设环形施工控制网来精确放样贮能环上的磁块等设备，并在运行期间观测其变形。一般布设成测高、量边环形三角网或量边环形四边形网。  
（3）、三维工程控制网 
在高山地区或很深的河谷地带，地形引起的垂线偏差差别可能相当显着。而水平距离、高差、水平方向和竖直角都与测站上的垂线方向有关。由于垂线偏差不精确或被略去，使得它的影响远远大于测角、测距误差的影响。为此，在这种地区布设高精度的工程控制网时，把实测成果按三维网处理可以有效解决这个问题。   
（九）、工业设备形位检测 
（1）与一般的测量工作相比，工业设备形位检测具有以下点：   
①要求的测量精度高； 
②往往受到现场条件的限制；   
③有时受到工作时间的限制； 
④更多地需要专用的仪器设备。   
（2）、工业设备形位检测方法 
常用的工业设备形位检测方法有如下4类： 
①电子经纬仪(或全站仪)基于前方交会的测量方法； 
②全站仪(或激光跟踪仪)基于极坐标的三维坐标测量法；   
③近景摄影测量方法；   
④激光准直测量方法
2、概述精密工程测量发展动态
现代工程测量已经远远突破为工程建设服务的狭窄概念，向“广义工程测量学”发展。苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：“一切不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量，和不属于法定测量的应用测量都属于工程测量”。工程测量的发展可概括为“四化”和“十六字”，所谓“四化”是：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。“十六字”是：连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。精密工程测量、工程测量仪器、工程度形变监测分析与灾害预报和工程信息系统是现代工程测量的四个主要方向。随着技术的发展，其中精密工程测量又是最具活力的，对工程测量最具影响力的部分，而且精密工程测量代表着工程测量的发展方向，所以研究精密工程测量对于工程测量的发展有着举足轻重点意义
1、精密工程测量的含义 
1.1、精密工程测量的定义 
工程测量是指工程建设和自然资源开发各阶段进行的控制测量、地形测绘、施工放样、变形监测等技术。 精密工程测量是工程测量的现代发展和延伸，它以绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到1×10-5，以先进的测量方法、仪器和设备，在特殊条件下进行的测量工作。 
1.2 精密工程测量的分类 
精密工程测量包括各种大型特种工程测量，变形观测、三维工业测量，大型设备的安装、监测和质量控制测量、在军事领域的应用等。 精密工程测量按工程需要的精度可以分为：普通精密工程测量和特种精密工程测量。 
1.3、精密工程测量的特点 
精密工程测量的主要特点是：作业精度依工程需要而定，并且精度要求非常高；作业环境特殊；仪器设备要求高，在特殊情况下，需要自造仪器；数据处理要求严格等。在控制网布设的时候，不具备象一般工程测量上级网控制下级网的特点，在控制点选取上，精密工程测量仅仅选取一个控制点和一个参考方向，以保证测区点的精度。
2、精密工程测量的理论和方法
因为精密工程测量对数据结果的精度要求和可靠性要求越来越高，所以对精密工程测量的理论也急需完善。
2.1、测量平差理论 
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。 巴尔达的数据探测法对观测值中只存在一个粗差时有效，稳健估计法具有抵抗多个粗差影响的优点。建立改正数向量与观测值真误差向量之间的函数关系，可对多个粗差同时进行定位和定值，这种方法已在通用平差软件包中得到算法实现和应用。 鲍峰等用Px平差方法解决了不锈钢冷轧生产线的滚筒位置检验校正的数据处理问题。
2.2、变形观测 
随着经济的快速发展，中国各大城市的人口日益聚集，住房问题也越来越紧张，因此需要大量建设高层建筑物来满足人们的需求。变形观测是保证建筑物基坑施工顺利进行和保护建筑物周边建筑环境的重要手段，对建筑物工变形观测的研究有助于提高我国的建筑物建设水平。 
（1）变形观测数据处理的几种典型方法 
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。 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。 
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。 
（2)变形监测的流程 
①、踏勘、布点   
监测点布置：
沉降监测采用精密水准测量的方法，测定布设于建筑物上测点的高程，通过监测测点的高程变化来监测建筑物的沉降情况，在周期性的监测过程中，一旦发现下沉量较大或不均匀沉降比较明显时，随时报告施工单位。根据建筑施工规程要求和地基不均匀沉降将引起建筑破坏的机理，一般应在建筑物围墙每个转折点连接处设一个监点。 
控制点布设：
由于控制点是整个沉降监测的基准，所以在远离基坑比较安全的地方布设2个控制点。每次监测时均应检查控制点本身是否受到沉降的影响或人为的破坏，确保监测结果的可靠性。 
②、外业数据采集 
沉降变形监测采用水准测量的方法，多次重复测定埋设在大楼上的沉降监测点相对于基准点的高差随时间的变化量。数据采集包括对基准点和监测点的埋设、保护和观测。 
③、内业数据处理、预测 
变形监测的数据处理和资料分析工作是一项重要的工作内容,建筑物的变形监测数据一般在全部工程完成后进行提交,但每次观测数据成果须进行分析,并递交建设方、监理方。建筑物的沉降量、沉降差、倾斜值应在规范容许范围之内,如有数据异常,应及时报告有关部门,及时采取措施处理质量隐患。若数据正常应在竣工后将观测资料及数据分析判定得出的结论,移交建设方作为结构质量验收的依据之一,为以后建筑物结构变化,荷载变化提供原始依据。
④、监测报告、沉降观测成果表、沉降观测点位分布图、 v-t-s(荷载、时间、沉降量)曲线图、建筑物等沉降曲线图、沉降观测分析报告 
（3）变形的几何分析与物理解释 
传统的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3个步骤。变形监测网的参考网、相对网在周期观测下，参考点的稳定性检验和目标点和位移值计算是建立变形模型的基础。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。此外，前述的时间序列分析，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。
3、精密工程测量的应用 
精密工程测量广泛的应用于各种变形监测及高精度的工程施工中。下面从国内和国外两个方面介绍精密工程测量的应用实例。如国内： 
北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达±0.3mm。设备定位精度优于±0.2mm，200m直线段漂移管直线精度达±0.1mm。大亚湾核电站控制网精度达±2mm，秦山核电站的环型安装测量控制网精度达±0.1mm。 国外的大型特种精密工程更不胜枚举。以大型粒子加速器为例，德国汉堡的粒子加速器研究中心，堪称特种精密工程测量的历史博物馆。 
4、 精密工程测量的新进展 
4.1、应用的新发展
随着社会生产力的不断提高，尤其实国民经济和国防建设的需要，特种精密工程测量的内容也得到了极大的拓展。
（1） 轧钢厂厚板的切割。
（2） 码头集装箱管理。
（3）高层建筑的风振测量：随着GPS技术的深入，在RTK模式下，将一台GPS接收机安装在距待测建筑物不远且相对稳定的地基上作为基准站，而另一台GPS接收机安装在待测建筑物楼顶作为流动站，可以动态监测高层建筑物的顶部位移和振动频率。实例表明，其量测精度为±5mm，可测定0.1～10HZ的振动频率，为设计部门提供了可靠的设计参数。 
（4）科学防讯：1998年长江洪水期间，青江隔河岩大坝GPS大坝变形监测系统发挥了重要作用，确保大武汉。 
（5）减灾防灾的监测。 
（6）特种精密工程测量在军事领域的应用 此外，特种精密工程测量在为病损工程提供能否继续运行或停运检修的信息，大型建构筑物的变形观测，工业设备安装和运行中的检校，工程质量施工监理，考古及文物保护工程，工程与工业建设中的数据库建设及多媒体等国民经济各部门将发挥日益重要的作用。 
4.2、技术的新发展 
（1） 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进一步增强； 
（2） 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、工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题；
（3） 工程测量将从土木工程测量、三维工业测量扩展到人体科学测量，如人体各器官或部位的显微测量和显微图像处理； 
（4）多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用，如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人集成，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； 
（5）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； 
（6）大型和复杂结构建筑、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特点； 
（7）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专业教育的重要内容； 
（8）实时摄影测量系统：它是通过装有电荷耦合器CCD面阵传感器的固态电子摄影机与数字处理技术融为一体的自动化测量系统。由CCD固体摄影机的“立体视角系统”对目标或区域形成立体覆盖，实时获取物点的三维坐标，其相对精度可达1∶50000，因为它可做到无接触、高精度、实时的自动化，不仅广泛运用在航空与航天工业、汽车制造、舰船天线、加速器、核电站及机械等领域，而且在军事部门也有广泛的应用前景； 
（9）合成孔径雷达干涉系统（INSAR）：它是一个相当年轻而富有潜力的专业领域。它能以两张SAR象片导出精确的几何信息，利用机载或星载雷达可用于农作物监测、环保测量和数字地面模型（DTM）的制作，根据差分雷达干涉测量具有检测地面微小变化的特性，可获得毫米级的测量精度和地壳形变位移。INSAR无疑又成为特种精密工程测量武库中新的一员4.3 测量仪器的新发展 
现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。三坐标测量机（CMM） 是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/ 纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。
随着科技合社会的发展，精密工程测量将走向自动化、智能化、实时化、系统化，并且其测量精度也将达到纳米级量级。
差分GPS测量技术。实时地计算并显示出用户站的三维坐标。GPS与计算机技术、数据通讯技术及空间分析技术进行集成，实现了从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，以实现远程在线网络实时监控 。在该领域的研究，开始重视建立实用的、低成本的GPS实时在线监测系统以推动其在变形监测领域的应用范围；重视研究有效提取变形体动态变形特征的变形分析方法；重视研究GPS垂直位移监测精度，使之能与水平位移监测精度匹配，发挥其测定三维位移的优越性。
4.3、基于数字摄影测量的变形监测 
摄影测量作为一种遥感式数据采集方法，可用于各种目的的测量，以前，由于存在设备专业化，价格昂贵，所需工作环境的限制、数据处理技术复杂，处理周期长，信息反馈慢等原因难以推广。近年来，随着计算机技术的飞速发展，摄影测量已经进入了数字摄影测量时代。被摄物体的数字影像的获取变得越来越容易。利用数字影像处理技术和数字影像匹配技术获得同名像点的坐标，就可以计算出对应物点的空间坐标。整个处理过程是由计算机完成的，因此也称为“计算机视觉的摄影测量” 。数字近景摄影测量技术应用于变形监测与其他测量手段相比具有显而易见的优点。通过摄影测量的方法，建立变形体的三维立体模型，通过模型的量测，以测定监测点乃至整个变形体的空间位置及其变化。其监测精度已经达到了mm级 。显然，变形监测的摄影测量方法，不仅圆满地解决了观测的同时性、观测点的连续性、动态监测等问题，而且可以对一些无法到达的变形体进行监测。
4.4、基于三维激光扫描技术的变形监测 
激光雷达通过发射红外激光直接测定雷达中心到地面的角度和距离信息以获取监测点的三维坐标数据。激光雷达属于无合作目标主动遥感测量技术，事先不需要布置任何测量标志，直接对变形体扫描，能够快速获取变形体上高密度的三维坐标数据 。根据遥感平台不同，三维激光扫描可分为机载型、车载型、站载型，其中车载型和站载型属于地面遥感系统，是工程建筑物变形监测的主要平台。三维激光扫描技术对变形体监测数据采集采用高密度、高速度的面采集方式，具有很强的数字空间模型信息的获取能力。测程根据仪器种类，从几米到2km以上。单点测量精度在几毫米到数厘米之间，模型的精度要远高于单点精度，可达2—3 13．1nl。三维激光扫描技术已经在桥梁、文物保护、滑坡监测等领域进行应用。激光扫描系统得到的是海量数据，点云具有一定的散乱性、没有实体特征参数，直接利用该数据比较困难。必须建立针对三维激光扫描技术的整体变形监测概念 ，研究三维激光扫描变形监测理论和数据处理方法。研究无监测点的监测对象测量方法；研究监测对象三维表面模型的建立；研究基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法；建立基于 维扫描技术的
监测数据和模型精度的评价体系等。由于三维扫描系统价格昂贵，该方法用于建筑物的变形监测投入较大，目前普及应用还有相当的难度。 
 4.5、光纤传感器 
光纤陀螺仪是一种基于光学Sagnac干涉效应的新型角速度敏感元件，可测量运动物体的角速度。将光纤陀螺的测量装置沿被测曲线或曲面运动，记录其角速度变化值，可测得该装置行驶的轨迹，继而得到被测对象的表面曲线。由于该测量方法只需要架设测量轨道，基准点容易确定（以起点为基准），能够连续、长时间、反复测量并保证较高的测量精度，所以这是一种具有广泛应用前景的新型测量方法。但实际工程多半是室外作业，被测对象离监控室往往几十、上百公里，而且环境恶劣，尤其是水下工程，无法用电缆来进行数据传输，所以需要将光纤陀螺密封在一个“黑箱”中，要求其能够自给电源并完成自动数据记录和存储任务。而嵌入式PC在恶劣环境下（比如高温、潮湿和震动等）能长期可靠工作，所以利用嵌入式PC/104作为平台，采用模式化设计能得到光纤陀螺变形测量系统的最佳方案。 
4.6、三维激光扫描 
近年来，三维激光扫描测量技术的应用，为人们获取丰富的空间信息提供了一种全新的技术手段。测绘人员从传统的单点数据采集变为连续自动的获取多点信息，从而提高了测量的效率，拓宽了测绘技术的应用领域。激光扫描技术的发展日新月异，相对于其它的测量方法，它在作业速度、灵活性等方面，有着无可比拟的优势。随着硬件水平的提高和应用软件的不断发展，三维激光扫描技术已成为国内外研究的热点。城市高层建筑的变形观测及安全监测是维护建筑物正常使用的必要技术措施。变形监测的技术手段多种多样，目前主要采取的方法有：常规测量、GPS 测量、传感测量等。利用常规测量方式进行变形监测，需要在变形体上布设监测点，由于监测点的数量有限、测量效率低、受雨雾影响大，新技术的研究和引入对于提高变形监测效率有重要的意义。 作为前沿科技，地面三维激光扫描技术在文物古建筑保护、施工检测、地质灾害监测等方面有较为广泛的应用，但在建筑物变形监测方面的应用实例较少，未形成体系。将地面三维激光扫描技术引入到高层建筑变形监测中，具有极大的现实意义。本文通过对地面三维激光扫描技术的测量原理、测量工艺流程和变形监测方法的研究，探索了激光扫描技术在高层建筑变形监测领域的可行性，从而进一步推动三维激光扫描技术在测绘领域的应用。 
4.7、空间角度交会 
用空间角度交会法能够容易地测定高大建筑物的倾角与倾向。计算方法采用确定尺度的最小二乘法进行。交会精度可采用公共法线方程式或计算残差向量范数的方法进行估计。后者效果更好些,更直观些。其计算最终是简单的,只占用少量的存贮器,用廉价的计算器或计算机在现场计算都是可行的。因此,空间角度交会法在建筑物变形监测中有着广泛的用途。 空间角度交会法用于垂直度检核用MatchCad 软件帮助计算,这对于现场判断两个向量之间的最短距离,确定空间交会的精确度存在一些不足之处:需要利用计算机在野外作业,而其存在体积过大,使用电源不方便和在强烈的阳光下液晶显示不明显等问题。目前,在测量工作中使用CASIO fx - 4500P 等袖珍计算器较常见。为此,利用CASIOfx - 4500P 的编程功能,开发出了能够应用于空间交会计算的程序,完全能够完成MathCad 软件用于空间交会的计算功能。而且,由于计算器体积小,易携带,克服了计算机野外作业的上述缺点
一、 以高速铁路工程测量为例论述精密工程测量理论、技术与方法的具体应用情况
根据铁道联盟的定义：高速铁路指允许速度达到２５０ｋｍ／ｈ的客运专线，或允许速度达到２００ｋｍ／ｈ的既有线。高速铁路的突出特点是高平顺性和少维修性。精密工程测量是指绝对测量精度达到
毫米量级，相对测量精度达到１０ｕｍ，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作。精密工程测量的主要内容是建立精密工程控制网。精密工程控制网的作用是在工程施工前、施工中以及施工后的各个不同的阶段对被测量点、线和面提供可靠的测量基准。
精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。
精密工程测量的另一个特点是对测量的可靠性要求很高，包括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等。
1、高速铁路那些测量属于精密工程测量
高速铁路工程变形监测和轨道板铺设、轨道精调属于精密工程测量，就其精度而言，其相对精度可能要求达到毫米至亚毫米级
高速铁路工程控制网从分级布设，最弱边长相对精度从几万分之一到上百万之一，临近点坐标精度一般10毫米左右
长大隧道的横向贯通精度虽然在厘米到分米级，但其对方向测量精度要求很高，也属于精密工程测量
2、高速建精密工程测量体系的必要性
高速铁路行车速度快，列车运行安全和舒适度对轨道的高平顺性和高稳定性要求高；高速铁路建设需要大量铺设无砟轨道，轨道板的铺设和轨道（道岔）精调都需要高精度、高可靠性的测量技术做保证；
高速铁路勘察设计、施工和运营检测过程中的测量很多都属于精密工程测量的范畴，“三网合一”建设的需要；高速铁路建设工程测量成套技术标准体系的建设需要。
3、高速铁路精密工程测量的特点
从控制网网形上看属于带状，CPI直接闭合到国家高等级GPS点（A/B级）困难，所以有时需要做CP0；
高速铁路精密工程测量最大的特点是精度要求高。轨道基准点和轨道（道岔）精调需要达到亚毫米级测量精度；轨道板的铺设需达到亚毫米～毫米级的测量精度；轨道控制网CPIII测量要求1毫米测量精度；
高速铁路精密工程测量层次多，领域广，工作量繁重，是铁路建设成败的关键技术之一。
4、高速精密工程测量的内容及方法
①主要技术支持性文件或规范②平面控制测量的内容和作业方法
③高程控制测量的内容和作业方法④控制网复测及加密作业方法
⑤线下施工阶段的测量作业方法⑥无砟轨道铺设阶段的测量作业方法⑦构筑物变形测量作业方法⑧线路整理及竣工测量作业方法
运营及养护维修测量
二、京沪高速铁路精密工程测量
1.任务概况
2.作业依据
3.基本技术要求
平面坐标系采用30分带宽的投影，采用WGS-84椭球参数，保证投影长度变形值不大于10mm/km。中央子午线见表：

起点里程
终点里程
中央子午线
DK665+100
DK713+999.744
117°30′00″
DK714+000
DK759+000
117°00′00″
DK759+000
DK885+710.37(断链前)
117°30′00″
DK885+710.37(断链前)
DK953+000
118°00′00″
DK953+000
DK1013+435.51(断链前)
118°30′00″
DK1013+000(断链后)
DK1067+300
119°00′00″
DK1067+300
DK1122+500
119°30′00″
DK1122+500
DK1169+000
120°00′00″
DK1169+000
DK1238+500
120°30′00″
DK1238+500
DK1287+999.17
121°00′00″
DK1287+999.17
终点
121°30′00″
为了满足《客运专线铁路无碴轨道工程测量技术暂行规定》对投影变形控制值不大于10mm/km的要求，投影面大地高的取值提高，高程抵偿面按下表分段。
起点里程
终点里程
中央子午线
投影面大地高(m)
最大投影变形值(mm/km)
DK665+100
DK714+000
117º 30ˊ00〞
40
9.4
DK714+000
DK759+000
117º 00ˊ00〞
30
8.5
DK759+000
DK858+500
117º 30ˊ00〞
30
8.4
DK858+500
DK885+710
117º 30ˊ00〞
70
8.3
DK885+710
DK940+400
118º 00ˊ00〞
70
7.9
DK940+400
DK953+000
118º 00ˊ00〞
40
10.0
DK953+000
DK1013+435
118º 30ˊ00〞
25
8.1
DK1013+435
DK1067+300
119º 00ˊ00〞
30
8.7
DK1067+300
DK1122+500
119º 30ˊ00〞
15
9.4
DK1122+500
DK1169+000
120º 00ˊ00〞
15
9.8
DK1169+000
DK1238+500
120º 30ˊ00〞
10
7.7
DK1238+500
DK1287+999
121º 00ˊ00〞
10
8.3
DK1287+999
DK1305+121
121º 30ˊ00〞
20
7.7
高程系采用85高程基准。此外，为与北京至徐州段衔接，要联测铁三院CPI平面点四个、二等水准点一个。
GPS B级点（CPI）最弱边相对中误差小于1/170000，基线边方向中误差不大于1.3″，相邻点的相对点位中误差小于5+D＊10-6mm，采用全站仪测量CPII时，CPI以点间距为4Km设一点对，点对间间距不小于1Km且必须通视。当采用GPS测量CPII时，CPI点间距为４Km，不做点对；C级GPS 点（CPII）最弱边相对中误差小于1/100000，基线边方向中误差不大于1.7″； C级GPS 点间距为1000-800m，要求前后点通视，至少有一个点与之通视。
二等水准测量每公里偶然中误差不超过1mm，全中误差不超过2mm。测段、区段、路线往返测高差不符值不超过4 √K，符合路线闭合差不超过
4 √L，检测已测测段高差之差不超过6√R。二等水准点按每2km设置一个，并位于离开线路中线50-150m范围内。重点工程地段根据实际情况增设。二等水准按附合路线或闭合路线观测，不能按支水准路线观测。
二等水准点在满足CPI、CPII对点位的要求时，可与CPI、CPII共用。
4.GPS点测量
⑴控制点布设要求
沿铁路设计中线两侧50m至1000m范围布设GPS B级网点，按“基本技术要求”中规定的点间距布设。在沿线大型桥梁、隧道处考虑加布点。为兼顾GPS网形，在实地条件允许时，CPI可在铁路中心线两侧错开布点。为保证通视，CPII在距离线路中心线50-150m范围内沿线路一侧布设。CPII如要跨线路布设，则必须考虑路基对通视的影响。
⑵GPS观测及内业数据处理
①坐标基准
WGS 84坐标系，参考历元 2000.0；
②时间
GPS观测和记录采用UTC协调世界时（UTC=北京时间-8h）；
③GPS B级网技术、精度指标
在观测CPI、CPII同时，每隔10-20Km观测一个既有GPS D级点，其观测技术指标同CPII。

CPI
CPII
观测模式
静态观测
静态观测
卫星高度角
15°
≥15
有效卫星总数
≥6颗
≥4
平均重复设站数
≥2（边联接）
≥1

观测时段数
２
1～2
时段长度
≥90分钟
≥60
采样间隔
15秒
15～60
PDOP值
≤6
≤8
GPS B级网最弱边边长相对中误差应小于1/170000。
GPS C级网最弱边边长相对中误差应小于1/100000。
④设站
(1) 作业前，光学(激光)对点器与基座必须严格检查校准，在作业过程中应经常检查保持正常状态。对中误差小于1mm。
(2) 天线安置应严格对中、整平并指北，正确量取至厂商指定的天线参考点高度，并须获得厂商提供的参考点至天线相位中心改正常数，以便于在随后的数据处理中精确计算天线高。
(3) 天线高每时段测前（必须在开机之前）和测后（必须在关机之后）各量取一次，每次应在相同的位置，从天线三个不同方向（间隔120°）量取，或用接收机天线专用量高器量取，两次量取误差不大于±2mm时，取平均值记入观测手簿。
(4) 测站上所有规定作业项目经认真检查均符合要求，记录资料完整无缺，将点位恢复原状后方可迁站。
(5) 在有效观测时段内，如中途断电，则该时段必须重测。因观测环境及卫星信号等原因造成数据记录中断累计时间超过25分钟，则该时段重测。同步环内，如同步观测时间小于80分钟，则该时段重则。
(6) 每一同步环观测两个时段，前后时段仪器尽量保持一致，严格对中整平，尽量避免因多次安置仪器对重复基线较差带来的影响。
(7) 同一时段观测时间不允许跨UTC时间 0时，即北京时间早上8时。
(8) 以“点号+年积日+时段号”构成数据文件名。
⑤大地点联测
在网段的起点、中间、终点附近各联测一个国家一等三角点，至少要有两个点。在起、终点的一等三角点必须与邻网保持一致。
⑥内业数据处理
(1) 原则上GPS网基线解算采用仪器商提供的随机软件，网平差采用鉴定合格的专门软件。
(2) 每天要对观测数据进行同步环和异步环、重复基线进行计算检核。及时进行观测数据的处理和质量分析，检查其是否符合规范和技术设计要求。单基线解算不合格时，要分析原因。
解算出每一时段的基线向量边后，并计算出该观测时段同步环坐标分量闭合差。当各基线的同步观测时间超过观测时段的80%时，其闭合差应符合下式要求。

Wx £(Ön /5)*s
　　　　　 Wy £ (Ön /5)*s
Wz £ (Ön /5)*s
W= Ö Wx2+Wy2+Wz2 £ (Ö3n /5)*s
由独立观测边组成的异步环的坐标分量闭合差应符合下式：
Vx £ 3Ön * s
Vy £ 3Ön * s
Vz £ 3Ön * s
V £ 3Ö3n * s
已知点也应按上式计算附合闭合差。同一边任意两个时段成果互差应小于GPS接收机标准差的2Ö2 倍。当检查发现，观测数据不能满足要