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【摘要】工程测量学是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中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.为工业建设测量而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称.

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【关键词】工程测量；工程控制网；优化设计

工程测量学是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中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.为工业建设测量而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称.它是工程建设中各项测量工作的基础.在工程规划设计阶段,要建立地形测图控制网,用来控制整个测区,保证最大比例尺测图的需要；在施工阶段,要建立施工控制网,以控制工程的总体布置和各建筑物轴线之间的相对位置,满足施工放样的需要；在经营管理阶段,根据需要建立变形观测控制网,用来控制建筑物的变形观测,以鉴定工程质量,保证安全运营,分析变形规律和进行相应的科学研究.各阶段所要建立的控制网,共同的特点是精度要求高,点位密度大.由于网的作用不同,使得测图网、施工网和变形网又都有各自的布网方式和精度要求,因此多是分别依次建立或者在原有网的基础上改建.

工程控制网优化设计理论和方法

网的优化设计方法有解析法和模拟法两种.

1解析法

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.

在实践中,总结出了下述优化设计策略：先固定观测值的精度,对选取的网点,观测所有可能的边和方向,计算网的质量的指标,若质量偏低,则必须提高观测值的精度.在某一组先验精度下,若网的质量指标偏高了,这时可按观测值的内部可靠性指标ri,删减观测值.ri太大,说明该观测值显得多余,应删去；若ri很小,则该观测值的精度不宜增加.这种根据ri大小来删除观测值的方法称为从“密”到“疏”,从“肥”到“瘦”的优化策略.

2模拟法

从模拟法优化设计的整个过程来看,它是一种试算法,需要有一个好的软件.该软件除具有通用平差软件的功能外,在成果输出的多样性、直观性,在可视化以及人机交互界面设计方面都有更高要求.同时也要求设计者具有坚实的专业知识和丰富的经验.

用模拟法可获得一个相对较优且切实可行的方案,可进一步用模拟观测值作网的平差计算,同时可模拟观测值粗差并计算对结果的影响.这种方法称为数学扭曲法或蒙特卡洛法.对于一个精度、可靠性以及灵敏度要求极高的监测网或精密控制网,作上述优化设计和精细计算是十分必要的.

工程测量参考属性评定
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工程技术的发展不断对测量工作提出新的要求,同时,现代科学技术和测绘新技术的发展,给直接为经济建设服务的工程测量带来了严峻的挑战和极好的机遇.特别是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、摄影测量与遥感(RS)以及数字化测绘和地面测量先进技术的发展,使工程测量的手段、方法和理论产生了深刻的变化.工程测量的领域在进一步扩展,而且正朝着测量数据采集和处理的自动化、实时化和数字化方向发展.平面控制测量的目的是精确测定控制点的平面位置.根据测量工作需要,在测区内选择一系列控制点,在各控制点上建立地面标志和测量觇标,使各控制点构成三角形、大地四边形、矩形、中点多边形、折线形和多边形等,从而形成平面控制网.其中以三角形为主要图形,用经纬仪观测全部角度(至少要有一条起算边长)的网称三角测量网（或称测角网）,以三边形为主要图形,用电磁波测距仪观测全部边长的网称三边测量网（或称测边网）,边、角均测的称边角网；以折线形为基本图形,既测角又测边的网称为导线网；单一折线形则称导线.工程控制网的布设,一般应遵循从整体到局部、分级布网、逐级控制的原则.亦可根据工程需要与现场条件布设全面网或越级布网.它们可以采用三角测量网,三边测量网或导线网的形式来布设,亦可布设为边角网.

高程控制测量的目的是精确测定控制点高程.根据需要在测区内每隔一定距离设高程控制点(称为水准点),两相邻水准点间组成水准路线,由各水准路线构成的控制全测区的网形称为高程控制网.用水准仪观测各水准点间高差的称为水准网；用电磁波测距仪测边和经纬仪测垂直角的称为电磁波测距三角高程控制网.高程控制网的首级网应布设成闭合环线,加密网可布设成附合路线、结点网或闭合环.地形测图控制测量为测绘地形图而建立平面和高程控制网的测量工作,内容分为基本控制（又称等级控制）和图根控制.基本控制是整个测区控制测量的基础.图根控制是直接为地形测图服务的控制网.基本控制网的建立要根据测区面积的大小,以满足当前需要为主,兼顾远景发展.一般先建立控制全局的首级网,然后再根据需要加密,也可一次建立足够密度的全面网.平面控制网可采用测角网、测边网或边角网,建成区多采用导线网.在已建有国家或当地平面控制网点的测区内进行测量时,应与之进行联结.当已建网精度能满足需要时,直接利用加密或进行必要改算后加密；当精度不能满