精密工程測量技術(shù)及其發(fā)展

李廣云, 范百興     

信息工程大學(xué), 河南 鄭州 450001

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41274014；41501491）

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之一作者簡介：李廣云(1965-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為精密工程與工業(yè)測量。E-mail:guangyun_li@163.com

通信作者：范百興, E-mail：fbxhrhr@sin ***

摘要：進入21世紀(jì)以來，隨著我國越來越多的大型精密工程的建設(shè)，尤其是大科學(xué)工程的建設(shè)，精密工程測量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文對精密工程測量在儀器、理論兩個方面的發(fā)展進行了總結(jié)，重點對我國粒子加速器準(zhǔn)直測量、精密工業(yè)測量和高速鐵路測量等典型精密工程測量領(lǐng)域的發(fā)展進行了論述。

關(guān)鍵詞：精密工程測量    大科學(xué)工程    工業(yè)測量    激光測距    粒子加速器準(zhǔn)直測量   

The Development of Precise Engineering Surveying Technology

LI Guangyun, FAN Baixing     

Abstract: With the construction of big science projects in China, the precise engineering surveying technology developed rapidly in the 21th century. Firstly, the paper summarized up the current development situation for the precise engineering surveying instrument and theory. Then the three typical cases of the precise engineering surveying practice such as accelerator alignment, industry measurement and high-speed railway surveying technology are focused.

Key words: precise engineering surveying     big science project     industry measurement     laser distance ranging     particle accelerator alignment    

精密工程測量也被稱為特種精密工程測量、大型特種精密工程測量、精密測量等，是以經(jīng)典的測繪學(xué)理論與 *** 為基礎(chǔ)，運用現(xiàn)代大地測量學(xué)和計量學(xué)等科技新理論、新 *** 與新技術(shù)，針對工程與工業(yè)建設(shè)中的具體問題，使用專門的儀器設(shè)備，以高精度與高科技的特殊 *** 采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理，為獲得所需要的數(shù)據(jù)與圖形資料而進行的測量工作。精密工程測量的絕對測量精度優(yōu)于毫米級或相對測量精度達到1×10^-5以上，具有高精度、高可靠性、自動化程度高等特點，是工程測量學(xué)科中更具有活力的一個研究與實踐方向，引領(lǐng)著工程測量學(xué)科的發(fā)展。

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步和我國綜合國力的不斷提高，我國大型工程項目尤其是大科學(xué)工程得到了蓬勃的發(fā)展，如載人航天、探月工程、FAST(five hundred meter aperture spherical radio telescope)工程、高能粒子加速器等工程，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和精密的測量要求在施工、安裝、檢測、控制和監(jiān)測等領(lǐng)域，都對精密工程測量提出了更高的要求，使得精密工程測量得到了飛速的發(fā)展，精密測量技術(shù)在加速器工程、高鐵工程、大型射電望遠鏡工程和工業(yè)測量等領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用，成為影響工程整體質(zhì)量的重要因素，因此，加強對精密工程測量技術(shù)的研究和應(yīng)用十分重要。

值此《測繪學(xué)報》創(chuàng)刊60周年之際，總結(jié)我國精密工程測量的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢，尤其是近20年來精密工程測量的快速發(fā)展經(jīng)驗，展望精密工程測量發(fā)展的趨勢，建立符合我國國情的精密工程測量體系，對于促進我國經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)具有重要意義。

1 精密工程測量儀器的發(fā)展

精密測量儀器一直是精密工程測量發(fā)展的重要推動力，近年來，精密工程測量儀器在測量精度、測量范圍、測量自動化等方面都得到了顯著的進步，逐步呈現(xiàn)出了多傳感器集成精密測量系統(tǒng)的趨勢。激光跟蹤儀、激光掃描儀、測量機器人、各種高精度GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機、電子全站儀、水準(zhǔn)儀以及各種專用測量儀器的發(fā)展, 為精密測量提供了技術(shù)保障^[3]。最為顯著的發(fā)展體現(xiàn)在精密測距技術(shù)、多傳感器集成測量技術(shù)等方面。

1.1 精密測距技術(shù)

與精密測角技術(shù)相比，精密工程測量儀器在精密測距技術(shù)領(lǐng)域的進步更為顯著。在相當(dāng)長的時間內(nèi)，全站儀的更高測距精度都穩(wěn)定在±(1 mm+1×10^-6×D)左右，其中，D為測量距離，以千米為單位。以TS60、MS05A、S8等為代表的全站儀，其測距精度都提高到了±(0.6 mm+1×10^-6×D)，進一步提高了精密工程控制網(wǎng)測量、變形監(jiān)測等領(lǐng)域的測量精度。

經(jīng)典的ME5000精密測距儀的激光頻率為510 MHz，帶寬20 MHz，配合單棱鏡的測量范圍為20~8000 m，測距精度為±(0.2 mm+0.2×10^-6×D)，一直是更高精度的遠距離精密測距儀。瑞士徠卡公司在對ME5000的測距技術(shù)進行優(yōu)化后，通過大幅度提高測距頻率和帶寬，解決了激光跟蹤儀在測量范圍、測量精度等方面的絕對距離測量(absolute distance meter，ADM)問題，先后研制成功具有絕對測距功能的LTD/AT系列激光跟蹤儀，并于2012年推出了μ-Base型精密激光測距儀，其相關(guān)測距參數(shù)如表 1所示。

表 1 精密ADM測距儀器的參數(shù)Tab. 1 The technical index of ADM distance meter

從表 1中可以看出，隨著測距頻率的增加，μ-Base測距儀的測距精度得到了大幅度提高，最小測程在減小，在160 m的距離上，測距精度優(yōu)于±10 μm，在精密工程測量、工業(yè)測量、野外基線測量等領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。

與ADM測距技術(shù)相比，激光干涉測距(interferometer，IFM)具有測量速度快、測量精度高等優(yōu)點，其更大測距范圍可以達到0~80 m，測距精度可以達到±0.5 μm/m，可以滿足精密動態(tài)測量、工業(yè)測量等領(lǐng)域。德國ETALON公司于2010年研制的激光跟蹤干涉儀(laser tracer)測量系統(tǒng)，該測距儀在精密激光干涉測距的基礎(chǔ)上，配合精密基準(zhǔn)球穩(wěn)定支撐技術(shù)，使空間距離的測量精度提高到±(0.2 μm+0.3 μm/m)，激光干涉測距分辨率為0.001 μm，測距范圍0~15 m，在精密工業(yè)測量、精密機械校準(zhǔn)等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用^[8]。

組合測距(ADM & IFM，AIFM)是最新發(fā)展的精密測距技術(shù)，它融合了IFM和ADM精密測距技術(shù)的優(yōu)點，克服了ADM單頻測距的缺點，采用較寬范圍內(nèi)的光譜進行測量，能消除微米級的偏振誤差，又解決了IFM只能進行相對距離測量的缺點。

1.2 多傳感器集成測量技術(shù)

在精密工程測量領(lǐng)域，常用的精密測量儀器主要包括激光跟蹤儀、激光掃描儀、全站儀、GNSS接收機、陀螺經(jīng)緯儀、數(shù)字攝影測量、靜力水準(zhǔn)儀、電子水準(zhǔn)儀以及各種測量傳感器等。各種測量儀器都具有自己獨特的優(yōu)勢，在精密工程測量的各個領(lǐng)域發(fā)揮了各自重要的作用。但是隨著大型復(fù)雜工程的進一步發(fā)展，迫切地需要多種測量儀器緊密地結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的性能和功能優(yōu)勢，實現(xiàn)多傳感器的集成測量，更好地解決復(fù)雜大型工程的特殊測量、三維測量要求。多傳感器集成測量的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1 超站儀測量技術(shù)集成

國內(nèi)外相關(guān)單位自上世紀(jì)末就開始了多傳感集成測量的相關(guān)研究，到21世紀(jì)初，徠卡等公司相繼推出了以Smart Station為代表的超站儀，之一次將全站儀和GNSS接收機系統(tǒng)的集成起來，實現(xiàn)了全站儀任意設(shè)站即可獲取測站中心三維坐標(biāo)。國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)在此基礎(chǔ)開展了超站儀配合陀螺儀開展精密工程測量的研究，借助于GNSS的全局定位測量、陀螺的定向測量和全站儀的碎步測量功能，在一定程度上實現(xiàn)“無標(biāo)石測量”，突破了精密工程測量的“先控制后碎步，先整體再局部”的傳統(tǒng)測量原則，極大地提高了精密工程測量的作業(yè)效率。

1.2.2 攝影測量技術(shù)與球坐標(biāo)測量系統(tǒng)的集成

近景數(shù)字攝影測量具有測量精度高、便攜性好、自動化程度高、非接觸測量、三維點坐標(biāo)批量測量等優(yōu)點，在大型天線產(chǎn)品安裝與檢測、文物保護、工業(yè)產(chǎn)品測量與檢測等領(lǐng)域有著成功的應(yīng)用。近十年來，數(shù)字攝影測量作為測量系統(tǒng)的“眼睛”，其在測量自動化等方向發(fā)揮的作用越來越顯著，先后和全站儀、激光跟蹤儀、三維激光掃描儀等精密測量技術(shù)實現(xiàn)了緊密的融合。目前，TS60、IS3等智能全站儀均具有CCD(charge-coupled device)圖像測量功能，采用直接將CCD或CMOS(complementary metal oxide semiconductor)傳感器安裝到全站儀內(nèi)部，通過全站儀望遠鏡得到視場內(nèi)圖像，再通過標(biāo)定全站儀測站坐標(biāo)系和CCD坐標(biāo)系的關(guān)系，即可計算出任何一個圖像像素點在全站儀坐標(biāo)系下對應(yīng)的水平角度和垂直角度。在測量中，用戶選中圖像上任何一點，系統(tǒng)都可以將選中點的像素值轉(zhuǎn)換為全站儀的水平角和垂直角，在全站儀馬達的驅(qū)動下，即可實現(xiàn)望遠鏡十字絲中心和選擇點的精密重合，即“圖像照準(zhǔn)”功能。該技術(shù)實現(xiàn)了在無反射棱鏡測量條件下的任意目標(biāo)精密照準(zhǔn)問題，解決了上、下天頂附近人工照準(zhǔn)目標(biāo)困難的難題，為測量的自動化提供了更加先進的技術(shù)基礎(chǔ)。

激光跟蹤儀也屬于精密球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，目前，主流的跟蹤儀廠商都推出了基于圖像測量功能的激光跟蹤儀六自由度測量技術(shù)，如T-Cam、T-Probe、B-Probe、T-Scan等產(chǎn)品。六自由度測量靶標(biāo)主要由一個CCR(corner cube reflector)測量靶球和若干個LED發(fā)光標(biāo)志組成，其基本原理是激光跟蹤儀實時跟蹤測量六自由度靶球的三維坐標(biāo)位置值，通過圖像實時測量LED(light emitting diode)發(fā)光標(biāo)志并計算六自由度靶標(biāo)的姿態(tài)值，從而實現(xiàn)六自由度測量并可以實時解算六自由靶標(biāo)探針點的三維坐標(biāo)值，極大地拓展了激光跟蹤儀在工業(yè)測量中的應(yīng)用范圍。

1.2.3 全站式掃描儀測量技術(shù)

以全站儀為基礎(chǔ)的多傳感器集成測量技術(shù)近幾年來得到了迅速發(fā)展，各主要測量儀器制造商都相繼推出了新一代集成型全站儀，典型產(chǎn)品包括MS60、IS301、SX10等型號。集成型全站儀除了具有經(jīng)典全站儀的測量功能外，通常還具有測量機器人的無合作目標(biāo)測距、圖像測量、自動目標(biāo)識別、鎖定跟蹤和馬達驅(qū)動等功能。此外，集成型全站儀的一個顯著特征是具備單點和點云的聯(lián)合測量功能，實現(xiàn)了三維激光掃描儀的全站儀化，使三維掃描儀的測量更接近于經(jīng)典測量模式，如測站數(shù)據(jù)拼接、對中整平、先控制后點云掃描測量等。以徠卡MS60全站式掃描儀為例，其具備智能全站儀、CCD攝影、GNSS、三維激光掃描儀等4項功能，三維點云的更大采樣頻率可以達到1000點/s，采用全新的波形數(shù)字化測距技術(shù)(wave form digitizingtechnology，WFD)，極大地提高了掃描測量的精度，在隧道斷面掃描測量、變形監(jiān)測、大容量計量等領(lǐng)域也有著應(yīng)用前景。

2 精密工程測量理論的發(fā)展

精密工程測量的基礎(chǔ)仍然是經(jīng)典大地測量、工程測量理論，測量數(shù)據(jù)的處理 *** 仍以經(jīng)典測量數(shù)據(jù)處理理論為基礎(chǔ)，但是由于精密工程測量基于實踐、服務(wù)生產(chǎn)的特殊需要，又發(fā)展了針對各種專用測量儀器設(shè)備的測量和數(shù)據(jù)處理 *** ，從而發(fā)展了經(jīng)典測量的理論^[1]。近幾年，國內(nèi)精密工程測量理論的發(fā)展主要集中在以下幾個方面。

2.1 精密距離三維坐標(biāo)交會測量

交會測量是精密工程測量領(lǐng)域的一種重要的位置測量 *** ，但是高精度的交會測量多采用角度交會測量 *** ，這主要是長期以來測距精度低于測角精度，如精密全站儀的測角精度為±0.5″，遠高于±(0.6 mm+1×10^-6×D)的測距精度。此外，傳統(tǒng)的角度和距離交會測量都是以大地水平面為基準(zhǔn)，而隨著精密工程測量的進一步發(fā)展，激光精密測距精度得到了大幅度提高，逐步發(fā)展起空間任意傾斜姿態(tài)的精密距離三維點坐標(biāo)交會測量技術(shù)。

精密距離三維坐標(biāo)交會測量技術(shù)首先采用基于激光干涉測距的任意姿態(tài)測站定向原理，由于只有激光距離觀測值而無角度值，控制網(wǎng)存在數(shù)虧，需要采用加權(quán)秩虧自由網(wǎng)平差模型，通過建立附加約束矩陣解決激光干涉測距網(wǎng)形虧的平差解算問題，解算各個激光干涉測距儀中心的三維坐標(biāo)值，再利用空間距離三維交會原理求解空間點的三維坐標(biāo)值。相關(guān)研究表明^[8]，基于精密距離交會測量的三維坐標(biāo)誤差小于±20 μm，并可建立空間三維點坐標(biāo)PDOP(position dilution of precision)值模型，實現(xiàn)對空間距離交會圖形的優(yōu)化。

2.2 工業(yè)數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)處理理論

工業(yè)數(shù)字攝影測量(industrial photogrammetry)是實施工業(yè)測量的一種重要 *** ，利用相機對被測目標(biāo)拍攝像片，通過圖像處理和攝影測量處理，以獲取目標(biāo)的幾何形狀和運動狀態(tài)，屬于近景攝影測量范疇^[9]。該系統(tǒng)可以瞬間獲取被測目標(biāo)大量物理信息和幾何信息，特別適用于測量點眾多的目標(biāo)，且屬于非接觸性測量，不傷及測量目標(biāo)，適合于動態(tài)目標(biāo)的外形和運動狀態(tài)測量，經(jīng)過近20年的發(fā)展逐步形成了完整的軟硬件系統(tǒng)，在文物保護、天線形面、工業(yè)檢測、動態(tài)測量等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

工業(yè)數(shù)字攝影測量的基本平差解算模型是共線方程，雖然該模型來源于經(jīng)典攝影測量，但在工業(yè)數(shù)字攝影測量在發(fā)展和完善過程中，先后在以下幾個理論研究方面取得了突破。

(1) 建立了編碼標(biāo)志的若干編碼規(guī)則，實現(xiàn)了環(huán)狀和點狀等不同類型編碼標(biāo)志的自動匹配和識別。

(2) 優(yōu)化點狀編碼標(biāo)志的邊緣檢測模型，采用灰度加權(quán)質(zhì)心法、灰度平方加權(quán)質(zhì)心法等模型，提高了標(biāo)志中心的提取精度。

(3) 建立基于定向棒和編碼標(biāo)志的多片自動化概略定向模型，實現(xiàn)了大量相片的快速自動定向和同名點匹配。

正是隨著上述數(shù)據(jù)理論模型的優(yōu)化和相機硬件設(shè)備性能的提高，工業(yè)數(shù)字攝影測量精度得到了極大的提高，目前三維點坐標(biāo)測量精度已經(jīng)優(yōu)于±(4 μm+4 μm/m)。

2.3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理一直是精密工程測量數(shù)據(jù)處理的一個重要研究方向。由于變形體的結(jié)構(gòu)、組成物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)、外力作用的復(fù)雜性和不確定性等因素, 建立合適變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模型比較困難，因此用數(shù)學(xué)模型來逼近、模擬和揭示變形體的變形和動態(tài)特性成為新的研究方向。其中比較有代表性的模型有：確定函數(shù)模型、回歸分析模型、時間序列分析模型、灰色系統(tǒng)模型、卡爾曼濾波模型、神經(jīng) *** 模型、馬爾柯夫模型和尖頂突變模型。作為人工智能的重要組成部分，專家系統(tǒng)近年來在變形監(jiān)測領(lǐng)域也得到了較好的應(yīng)用^[17-19]。

需要指出的是，為了提高變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的精度，前述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模型逐步出現(xiàn)了融合的趨勢，如神經(jīng) *** 模型和灰色系統(tǒng)模型的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理；另一方面，以神經(jīng) *** 為代表的智能數(shù)據(jù)處理 *** 在變形監(jiān)測領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，如基于EEMD去噪和果蠅算法等。此外，在變形監(jiān)測預(yù)報方面也取得了良好的應(yīng)用。

精密工程測量的理論在多傳感器組合系統(tǒng)建立(同時確定位置、姿態(tài))、地基SAR形變測量等方面亦有一些進展，限于篇幅，不再贅述。

3 精密工程測量技術(shù)典型應(yīng)用3.1 粒子加速器準(zhǔn)直測量

粒子加速器是進行物理基礎(chǔ)實驗的大型科學(xué)裝置，西方發(fā)達國家在該領(lǐng)域的起步較早，大型加速器較多，其中典型的是歐洲核子研究中心(CERN)建設(shè)的世界上更大的正負電子對撞機LEP(large electron-positron collider)。LEP建立于地下百米深、直徑為8.6 km、周長27 km的環(huán)形隧道里，整個加速器軌道上布設(shè)了5000塊四級聚焦磁鐵和兩級彎轉(zhuǎn)磁鐵，并于2007年升級改造為大型強子對撞機LHC(large hadron collider)。我國從20世紀(jì)80年代開始建設(shè)大型粒子加速器，目前已建成BEPC、CSR、SSRF和CSNS等粒子加速器。

粒子加速器準(zhǔn)直測量是實現(xiàn)粒子加速器精密安裝和運營階段的重要工作，主要包括兩個方面：一是在加速器建造階段的控制測量和安裝測量，目的是將各類復(fù)雜的設(shè)備元件安裝定位于設(shè)計位置，并實現(xiàn)粒子束流軌道的高度平滑性；二是在加速器運行階段的變形監(jiān)測，包括控制網(wǎng)的變形監(jiān)測和設(shè)備元件的變形監(jiān)測，根據(jù)變形情況調(diào)整設(shè)備的相對位置，以保證加速器的正常運行。

加速器準(zhǔn)直測量工作屬于大型精密工程測量范疇，涵蓋了大地測量學(xué)、精密工程測量學(xué)、幾何量計量等諸多學(xué)科內(nèi)容。與常規(guī)精密工程測量相比，加速器準(zhǔn)直測量具有范圍大(幾十米到幾十千米)、測量環(huán)境狹窄、測量檢核條件少等特點，但隨著加速器規(guī)模的不斷增大以及設(shè)計需求的不斷提高，準(zhǔn)直測量的各項精度指標(biāo)也在不斷提高，關(guān)鍵元件的定位精度從過去的0.5 mm提高到了0.1 mm，直線段(202 m)飄移管直線精度優(yōu)于0.1 mm，儲存環(huán)關(guān)鍵磁鐵元件定位精度達到0.07 mm等。以中國最新建設(shè)的散裂中子源(CSNS)粒子加速器為例，在200 m直線加速器和400 m同步環(huán)形加速器準(zhǔn)直測量中，其關(guān)鍵磁鐵的安裝測量精度指標(biāo)如表 2所示，其中，ΔX、ΔY、ΔZ、Δθ_X、Δθ_Y、Δθ_Z分別是坐標(biāo)軸的平移分量和旋轉(zhuǎn)分量。

表 2 CSNS儲存環(huán)磁鐵的安裝精度Tab. 2 The installation accuracy of CSNS storage ring magnet

精密工程測量技術(shù)在粒子加速器準(zhǔn)直測量中的作用主要如下。

3.1.1 建立高精度三維控制網(wǎng)

在加速器覆蓋區(qū)域內(nèi)布設(shè)足夠密度的控制點，經(jīng)過多次測量和平差后得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值。

粒子加速器控制網(wǎng)包括永久控制點和加密控制點，地面控制點均為強制對中裝置且基坑深挖到基巖，對中裝置采用弧形結(jié)構(gòu)以滿足激光跟蹤儀測量時角隅反射器的放置，其表面刻畫十字線作為對中標(biāo)志，以滿足全站儀和經(jīng)緯儀的測量對中需要。

粒子加速器控制測量主要采用精密全站儀、投點儀、水準(zhǔn)儀和GNSS接收機等測量設(shè)備，通過邊角網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)、和GNSS網(wǎng)的聯(lián)合平差，完成平面網(wǎng)和高程網(wǎng)測量，并將地面控制網(wǎng)傳遞到地下，全網(wǎng)三維坐標(biāo)平差精度一般要求優(yōu)于±3 mm。以CSNS粒子加速器為例，其控制網(wǎng)如圖 1所示。

圖 1 CSNS地面控制網(wǎng)Fig. 1 The ground control network of CSNS
 

3.1.2 建立高精度隧道控制網(wǎng)

建立高精度粒子加速器隧道控制網(wǎng)，作為安裝測量的基準(zhǔn)。加速器隧道是直伸狹長的整體結(jié)構(gòu)，在環(huán)形區(qū)有較大的弧度，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差，通視條件有限。早期的粒子加速器隧道控制網(wǎng)多采用邊角網(wǎng)和水準(zhǔn)網(wǎng)相結(jié)合的方式，包括光學(xué)經(jīng)緯儀(T3) 測角、DISTINVAR精密測距、偏距儀測弦?{和光學(xué)水準(zhǔn)測高程等。近20年來，粒子加速器主要采用激光跟蹤儀進行隧道準(zhǔn)直測量，固定角隅反射器靶座作為控制點，加強控制點在空間內(nèi)分布的均勻性(見圖 2)，通過激光跟蹤儀多次設(shè)站和重復(fù)測量控制點，由多段多區(qū)域的控制點交叉增強隧道控制網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)，整體布局呈直伸重疊邊角鎖網(wǎng)的形式，如圖 3所示。

圖 2 隧道控制點的布設(shè)Fig. 2 The distribution chart of tunnel control point

圖 3 隧道環(huán)形三維控制網(wǎng)Fig. 3 The tunnel ring control network

以CSNS粒子加速器為例，其直線隧道按31段布設(shè)控制點，每段5個點，分別位于地面、墻壁和天花板，測量過程采用激光跟蹤儀自由建站與搬站測量相結(jié)合的方式，在每兩個測段控制點的中間位置建站，從隧道一端往另一端依次測量通視范圍內(nèi)所有控制點坐標(biāo)(不少于3個)，如圖 4所示。

圖 4 激光跟蹤儀布設(shè)隧道控制網(wǎng)Fig. 4 The tunnel ring control network with Laser Tracker

表 3 隧道平面網(wǎng)的平差結(jié)果Tab. 3 The adjustment products of tunnel horizontal control network

粒子加速器隧道控制網(wǎng)的高程測量采用一等幾何水準(zhǔn)測量，其高差測量值平差結(jié)果與激光跟蹤儀高差平差結(jié)果如表 4所示。

表 4 激光跟蹤儀與水準(zhǔn)高差測量結(jié)果Tab. 4 The differential value of LTM and geometric leveling

3.1.3 磁鐵精密安裝測量

隧道控制網(wǎng)布設(shè)后，即建立了磁鐵元件安裝的全局坐標(biāo)系。在磁鐵元件的頂部或側(cè)面布設(shè)3個以上的靶座作為特征點，激光跟蹤儀任意位置自由設(shè)站后，測量不少于3個的隧道控制點，將激光跟蹤儀測站坐標(biāo)系恢復(fù)到全局坐標(biāo)系，測量磁鐵元件的特征點，根據(jù)特征點三維坐標(biāo)值計算磁鐵元件的位置和姿態(tài)參數(shù)，指導(dǎo)磁鐵元件安裝到理論位置。

綜上所述，CSNS測量屬于典型的精密工程測量，綜合采用了GNSS、全站儀、激光跟蹤儀和精密水準(zhǔn)儀等多種測量技術(shù)，充分發(fā)揮了各種測量技術(shù)的優(yōu)勢，完成了地面控制網(wǎng)測量、隧道控制網(wǎng)測量、地上地下控制網(wǎng)聯(lián)測、加速器準(zhǔn)直測量等內(nèi)容，保證了加速器安裝要求，在加速器大型精密科學(xué)工程建設(shè)和運營中發(fā)揮了精密工程測量不可替代的作用。

3.2 工業(yè)測量

工業(yè)測量是在工業(yè)生產(chǎn)和科研各環(huán)節(jié)中，為產(chǎn)品的設(shè)計、模擬、測量、放樣、仿制、仿真、質(zhì)量控制和運動狀態(tài)，提供測量技術(shù)支撐的一門學(xué)科^[9]，主要解決工業(yè)部件設(shè)計、制造、安裝、放樣、檢測、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)測等過程中的形狀、位置、尺寸等參數(shù)測量與解算等問題。工業(yè)測量理論和 *** 主要來源于精密工程測量和幾何量計量，隨著工業(yè)產(chǎn)品的測量尺寸和復(fù)雜性的提高，工業(yè)測量得到了蓬勃的發(fā)展，極大地拓展了精密工程測量的應(yīng)用范圍。

大尺寸工業(yè)測量(large-scale coordinates measurement system, LCMS)是指測量范圍在幾米到幾十米范圍內(nèi)的工業(yè)測量，英國著名學(xué)者D. W. BERRY將其定義為“是一種關(guān)于幾何量的測量，它將大地測量技術(shù)與工程測量技術(shù)結(jié)合起來，以解決工程中大型裝備的測量問題”，澳大利亞國家測量實驗室的M. J. PUTTOCK認為“大尺寸工業(yè)測量是指大型工程結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、安裝、檢測等環(huán)節(jié)的所進行的測量工作，其測量范圍一般超過幾米且測量工作是在非實驗室環(huán)境下進行，是介于實驗室的工程測量和大地測量之間的特殊情況下的工程測量”，美國學(xué)者W.T.ESTLER認為“大尺寸計量的特點是通過光線在空氣中的傳播將測量儀器與測量物體之間的信息進行了轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移可以是被動的，如攝影測量；也可以是主動的，如激光跟蹤儀，目標(biāo)點的位置是通過一束光經(jīng)過發(fā)射、反射、接收等發(fā)訊過程實現(xiàn)的轉(zhuǎn)移”^[8]。從國內(nèi)外著名研究機構(gòu)和學(xué)者對大尺寸工業(yè)測量的定義可以看出，大尺寸工業(yè)測量和精密工程測量具有密不可分的關(guān)系，是特殊條件下精密工程測量的應(yīng)用。

與精密工程測量相比，工業(yè)測量的范圍雖然相對較小，但是測量對象更加復(fù)雜，測量精度也要求更高，因此，工業(yè)測量的手段也更加多樣化。經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)逐步形成了經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂、數(shù)字攝影測量、iGPS(infrared/indoor global positioning system)、激光雷達等多種測量系統(tǒng)，使工業(yè)測量成為精密工程測量學(xué)科中發(fā)展速度最快、涉及領(lǐng)域最廣的研究方向之一。各種工業(yè)測量技術(shù)分別有自己獨特的優(yōu)勢和局限性，其主要參數(shù)的比較和分析如表 5所示^[6]。

表 5 各種工業(yè)測量技術(shù)參數(shù)及特點
Tab. 5 The technical index and characteristic of sundry industry measurement technology

從表中可以看出，各種工業(yè)測量系統(tǒng)有各自的獨特優(yōu)勢和適用環(huán)境，激光跟蹤儀在測距范圍(160 m)和測距精度(0.5 μm/m)具有明顯優(yōu)勢，而經(jīng)緯儀的測角精度更高(±0.5″)，基本可以滿足工業(yè)產(chǎn)品在設(shè)計、加工、安裝、檢測等各個環(huán)節(jié)的測量需求，在航空航天、重工產(chǎn)品制造與安裝、大型天線安裝與檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為工業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的重要環(huán)節(jié)，具有“可測量才可制造，可測量才可安裝”的支撐地位。

近幾年來，隨著我國載人航天、探月工程、FAST等重大科學(xué)工程的實施，工業(yè)測量的應(yīng)用逐步呈現(xiàn)出以下特點：

3.2.1 測量范圍越來越大

以某型航天器為例，其總裝后在豎直狀態(tài)下，高度達到10.4 m，更大直徑3.35 m，極大地突破了航天器經(jīng)典測量范圍的要求；在水利工程中，三峽升船機螺母柱比現(xiàn)有同類工業(yè)產(chǎn)品的尺寸也大的多；而FAST工程中，天線的更大口徑達到500 m，遠遠大于現(xiàn)有更大口徑50 m和65 m的射電望遠鏡天線。測量范圍的大幅度增加，對測量 *** 、測量技術(shù)等都提出了新的要求。

3.2.2 測量精度要求越來越高

工業(yè)測量精度要求的提高在航天器測量領(lǐng)域和精密加工領(lǐng)域表現(xiàn)得最為突出，航天器的單向姿態(tài)微變形測量誤差小于±0.5″，核心部件的位置安裝誤差小于±0.1 mm，而精密機械加工領(lǐng)域的平面度要求達到了微米級。

3.2.3 多種傳感器聯(lián)合測量

單類型單臺單站工業(yè)測量系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足工業(yè)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、測量環(huán)境日益特殊、測量參數(shù)日益增多的測量需求，迫切地需要多類型、多站工業(yè)測量系統(tǒng)聯(lián)合測量共同完成復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的測量需求。

如圖 5所示，某型航天器需要同時測量星載天線面板和星載敏感器立方鏡之間的姿態(tài)關(guān)系，并需要將其歸算到航天器結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系。傳統(tǒng)的單類型單臺單站工業(yè)測量技術(shù)都很難滿足要求。相關(guān)單位采用經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測量和激光跟蹤儀球坐標(biāo)測量技術(shù)組成聯(lián)合測量系統(tǒng)，充分發(fā)揮經(jīng)緯儀高精度準(zhǔn)直測量和激光跟蹤儀高精度三維坐標(biāo)測量的優(yōu)點，通過定向點整體三維邊角網(wǎng)平差模型進行多站儀器的定向解算，定位誤差優(yōu)于±0.1 mm，成功實現(xiàn)了天線面板和立方鏡及航天器結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的高精度測量^[8]。

圖 5 多類型測量儀器聯(lián)合測量Fig. 5 The integrated measuring with multi-surveying instruments
 

3.2.4 精密位姿動態(tài)測量技術(shù)

隨著航天器交會對接、工業(yè)產(chǎn)品振動測試、武器裝備動態(tài)測試、天線饋源動態(tài)運動等領(lǐng)域的測量需求，工業(yè)測量逐步從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，并且對動態(tài)測量的采樣頻率、測量精度等方面都有了較高的要求。

目前，精密位姿動態(tài)測量主要有3種 *** 。

第1種 *** 是基于球坐標(biāo)測量系統(tǒng)(如激光跟蹤儀)和數(shù)字攝影測量相結(jié)合，形成六自由度測量技術(shù)，實時測量六自由度靶標(biāo)的位置(X，Y，Z)和姿態(tài)(R_x，R_y，R_z)。典型產(chǎn)品如T-MAC六自由度測量靶標(biāo)，在30 m測量范圍內(nèi)，以1000 Hz的采樣頻率實時測量六自由度參數(shù)，位置測量誤差為±(15 μm+6 μm/m)，姿態(tài)測量誤差小于±0.01°。

第2種 *** 是基于3臺以上的球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，通過定向點定向解算建立全局測量坐標(biāo)系，每個定向后的測站實時跟蹤測量空間運動物體的特征點，根據(jù)特征點的坐標(biāo)值實時解算運動物體的位置和姿態(tài)。該 *** 的核心技術(shù)主要包括多臺儀器系統(tǒng)定向和時間精確同步技術(shù)。相關(guān)文獻^[8-10]表明，基于多臺全站儀和激光跟蹤儀的動態(tài)位姿測量系統(tǒng)在FAST饋源測量等工程中都得到了成功應(yīng)用。

第3種 *** 是實時動態(tài)攝影測量技術(shù)，但測量范圍有限。

3.2.5 極端環(huán)境測量

由于工業(yè)產(chǎn)品的多樣性和復(fù)雜性，工業(yè)測量的環(huán)境極為特殊，最典型案例包括高溫鍛件測量和航天器真空測量。

3.3 高鐵精密測量技術(shù)

允許速度至少達到250 km/h的專線鐵路或允許速度達到200 km/h的既有線鐵路稱為高速鐵路^[11]。隨著中國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，高速鐵路以其速度快、運量大等特點，成為人們出行的主要公共交通工具之一，極大地提高了人們的出行效率。高速鐵路要建設(shè)成為百年工程，精密工程測量技術(shù)和結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測工作是高速鐵路建設(shè)成套技術(shù)的一個重要組成部分，起著舉足輕重的作用，其工作質(zhì)量的好壞將直接影響到工程質(zhì)量和其運營安全^[10]。

按照工程建設(shè)階段可以將高速鐵路的精密工程測量分為以下內(nèi)容：

3.3.1 勘察設(shè)計階段

勘察設(shè)計階段的精密工程測量主要包括框架控制網(wǎng)(control points)CP0、CPⅠ測量，線路水準(zhǔn)高程控制測量。

3.3.2 施工階段

施工階段的精密工程測量主要利用CPⅠ、CPⅡ和線路水準(zhǔn)基點加密控制網(wǎng)測量、建立并定期復(fù)測軌道控制網(wǎng)CPⅢ和全線二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)、加密基標(biāo)測量、線下工程結(jié)構(gòu)變形測量等。

3.3.3 竣工階段

竣工階段的精密工程測量主要包括軌道竣工測量和線下工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。

3.3.4 運營階段

運營階段的精密工程測量主要包括變形監(jiān)測及相關(guān)的復(fù)測。

軌道的平順性是制約列車行車安全和行車速度的重要因素之一，高速鐵路的最突出特點是軌道的高平順性^[12]。因此，高速鐵路對精密工程測量技術(shù)提出了更高要求，高速鐵路各級平面控制網(wǎng)測量技術(shù)要求如表 6所示^[13]。

表 6 高速鐵路平面控制網(wǎng)測量參數(shù)Tab. 6 The technical index of high-speed railway horizontal control network

高速鐵路高程控制測量主要是建立全線統(tǒng)一的高程控制基準(zhǔn)，分成兩級布設(shè)：

第1級線路水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)，為高速鐵路工程勘測設(shè)計、施工提供高程基準(zhǔn)，又可作為CPⅢ高程測量的起算基準(zhǔn)，按國家二等水準(zhǔn)測量精度要求施測。

第2級是在線路水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，建立永久性軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)，為軌道施工、維護提供高程控制。CPⅢ的相鄰點間高差中誤差小于±0.5 mm。

綜上所述，高速鐵路工程精密測量可以分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)等3個控制網(wǎng)，原有的3個控制網(wǎng)由于施測單位不一、使用單位不一，基本上是各自獨立布設(shè)測量。隨著中國高鐵的進一步發(fā)展，逐步提出了“三網(wǎng)合一”的概念^[14]，即為構(gòu)建和保持高速鐵路軌道空間幾何形位，必須建立基于同一基準(zhǔn)的勘測、施工、運營維護的精密工程測量體系，3個階段的平面、高程控制測量采用同一測量基準(zhǔn)，主要包括以下內(nèi)容：

(1) 勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一。

在高速鐵路的勘測設(shè)計、施工及運營維護的各階段均采用坐標(biāo)和高程定位控制，因此必須保證三網(wǎng)的坐標(biāo)高程系統(tǒng)的統(tǒng)一，才能使軌道的勘測設(shè)計、施工及運營維護工作順利進行。

(2) 勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)起算基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

高速鐵路的勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)平面測量應(yīng)以基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ為平面控制基準(zhǔn)，高程測量應(yīng)以二等水準(zhǔn)基點為控制測量基準(zhǔn)。

此外，無碴軌道在生產(chǎn)、檢測、鋪設(shè)等階段的測量也屬于高速鐵路精密工程測量的重要內(nèi)容之一。由于高速鐵路的運行速度快，常采用無碴軌道來替代傳統(tǒng)散體道砟顆粒道床的軌道結(jié)構(gòu)形式，可以提高軌道平順性，減小運營期間軌道的變形。

目前，我國采用的無碴軌道板主要有CRTS Ⅰ型板式無碴軌道、CRTS Ⅱ型板式無碴軌道、CRTS Ⅲ型板式無碴軌道等幾種形式，以CRTS Ⅰ型軌道板為例，其縱向安裝限差≤±3 mm，橫向安裝限差≤±2 mm，高程定位限差≤±1 mm，相鄰?fù)剐螕跖_中心間距限差≤±3 mm，橫向≤±2 mm，高程定位限差≤±2 mm。軌道板的精調(diào)主要采用全站儀配合傾斜傳感器的方式進行^[15]，測量效率較低，近年來，國內(nèi)外相關(guān)單位開展了基于數(shù)字攝影測量等工業(yè)測量技術(shù)進行軌道板精調(diào)的研究，在測量效率和測量精度方面都取得了良好的效果^[16]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，我國大型工程建設(shè)以及大科學(xué)工程極大地促進了精密工程測量在測量技術(shù)、測量理論等方面的發(fā)展，今后，隨著我國航天強國、海洋強國、共建“一帶一路”倡儀的實施，精密工程測量在以下幾個方面會得到進一步的發(fā)展。

(1) 由靜態(tài)測量發(fā)展為動態(tài)測量。隨著測量數(shù)據(jù)獲取的實時性要求進一步提高，隨著激光干涉測距和傳感器等新技術(shù)的發(fā)展，在50 m的測量距離上，三維點坐標(biāo)動態(tài)測量精度可以優(yōu)于±0.5 mm，動態(tài)測量的采樣頻率高于500 Hz。

(2) 由三維坐標(biāo)測量發(fā)展為多自自由度測量。傳統(tǒng)的精密工程測量和工業(yè)測量以三維坐標(biāo)測量為主，隨著各類光電傳感器的發(fā)展及其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用，可以更高的精度測量得到被測物體的位置和姿態(tài)，動態(tài)姿態(tài)測量精度可以優(yōu)于±0.01°，準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)測量精度可以優(yōu)于±0.005°，最終在動態(tài)條件下形成(X，Y，Z，R_X，R_Y，R_Z，t)的多維測量結(jié)果。

(3) 測量精度會進一步提高。隨著精密激光測距技術(shù)的快速發(fā)展，測距精度已經(jīng)遠遠高于測角精度，測角精度也有待進一步提高，基于高精密測距技術(shù)，精密測量精度可以到達微米的量級。

(4) 精密工程測量理論會得到進一步發(fā)展。在工業(yè)測量領(lǐng)域，隨著新技術(shù)和新 *** 的應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)一直在不斷地發(fā)展；而以變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析預(yù)報為代表的精密工程測量數(shù)據(jù)解算模型會越來越多地采用系統(tǒng)工程、生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)等領(lǐng)域的信息處理模型，使變形監(jiān)測的分析預(yù)報進一步朝智能化和自動化方向發(fā)展。
 

【引文格式】李廣云，范百興。精密工程測量技術(shù)及其發(fā)展[J]. 測繪學(xué)報，2017，46(10)：1742-1751. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170313