摘要：本文對工程測量學重新進行了定義，指出了該學科的地位和研究應用領域；闡述了工程測量學領域通用和專用儀器的發展；在理論方法發展方面，重點對平差理論、工程網優化設計、變形觀測數據處理方法進行了歸納和總結。扼要地敘述了大型特種精密工程測量在國內外的發展情況。結合科研和開發實踐，簡介了地面控制與施工測量工程內外業數據處理一體化自動化系統——科傻系統。最后展望了21世紀工程測量學若干發展方向。
　　關鍵詞：工程測量 工業測量 精密工程測量 測量機器人 工程網優化設計
　　一、學科地位和研究應用領域
　　1. 學科定義
　　工程測量學是研究地球空間(地面、地下、水下、空中)中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現的理論方法和技術的一門應用性學科。它主要以建筑工程、機器和設備為研究服務對象。
　　2. 學科地位
　　測繪 科學和技術(或稱 測繪 學)是一門具有悠久歷史和現代發展的一級學科。該學科無論怎樣發展，服務領域無論怎樣拓寬，與其他學科的交叉無論怎樣增多或加強，學科無論出現怎樣的綜合和細分，學科名稱無論怎樣改變，學科的本質和特點都不會改變。總的來說，整個學科的二級學科仍應作如下劃分：
　　——大地測量學(包括天文、幾何、物理、衛星和海洋大地測量)；
　　——工程測量學(含近景攝影測量和礦山測量)；
　　——航空攝影測量與遙感學；
　　——地圖制圖學；
　　——不動產地籍與土地整理。
　　3. 研究應用領域
　　目前國內把工程建設有關的工程測量按勘測設計、 施工 建設和運行管理三個階段劃分；也有按行業劃分成：線路(鐵路、公路等)工程測量、 水利 工程測量、橋隧工程測量、建筑工程測量、礦山測量、海洋工程測量、軍事工程測量、3維工業測量等，幾乎每一行業和工程測量都有相應的著書或教材。
　　由Hennecke,Mueller,Werner 3個德國人所編著的工程測量學，主要按下述內容進行劃分和編寫：①測量儀器和方法；②線路、鐵路、公路建設測量；③高層建筑測量；④地下建筑測量；⑤安全監測；⑥機器和設備測量。
　　由于工程測量的研究應用領域非常廣泛，發展變化也很快，因此寫書十分困難。目前國內外沒有一本全面涉及工程測量學理論、技術、方法和實際應用的現代專著或教材。
　　國際測量師聯合會(FIG)的第六委員會稱作工程測量委員會，過去它下設4個工作組：測量方法和限差；土石方計算；變形測量；地下工程測量。此外還設了一個特別組：變形分析與解釋。現在，下設了6個工作組和2個 專題 組。6個工作組是：大型科學設備的高精度測量技術與方法；線路工程測量與優化；變形測量；工程測量信息系統；激光技術在工程測量中的應用；電子科技文獻和網絡。2個 專題 組是：工程和工業中的特殊測量儀器；工程測量標準。
　　德國、瑞士、奧地利3個德語語系國家自50年代發起組織每3～4年舉行一次的“工程測量國際學術討論會”。過去把工程測量劃分為以下幾個 專題 ：測量儀器和數據獲取；數據解釋、處理和應用；高層建筑和設備安裝測量；地下和深層建筑測量；環境和工程建筑物變形監測。
　　1992年第11屆討論會的 專題 是：測量理論與測量方案；測量技術和測量系統；信息系統和 CAD ；在建筑工程和工業中的應用。
　　1996年的第12屆討論會的 專題 是：測量和數據處理系統；監測和控制；在工業和建筑工程中的質量問題；數據模型和信息系統；交叉學科的大型工程項目。
　　從以上可見，工程測量學的研究領域既有相對的固定性，又是不斷發展變化的。筆者認為，工程測量學主要包括以工程建筑為對象的工程測量和以設備與機器安裝為對象的工業測量兩大部分。在學科上可劃分為普通工程測量和精密工程測量。工程測量學的主要任務是為各種工程建設提供 測繪 保障，滿足工程所提出的要求。精密工程測量代表著工程測量學的發展方向，大型特種精密工程建設是促進工程測量學科發展的動力。
　　二、工程測量儀器的發展
　　工程測量儀器可分通用儀器和專用儀器。通用儀器中常規的光學經緯儀、光學水準儀和電磁波測距儀將逐漸被電子全測儀、電子水準儀所替代。電腦型全站儀配合豐富的 軟件 ，向全能型和智能化方向發展。帶電動馬達驅動和程序控制的全站儀結合激光、通訊及CCD技術，可實現測量的全自動化，被稱作測量機器人。測量機器人可自動尋找并精確照準目標，在1 s內完成一目標點的觀測，像機器人一樣對成百上千個目標作持續和重復觀測，可廣泛用于變形監測和 施工 測量。GPS接收機已逐漸成為一種通用的定位儀器在工程測量中得到廣泛應用。將GPS接收機與電子全站儀或測量機器人連接在一起，稱超全站儀或超測量機器人。它將GPS的實時動態定位技術與全站儀靈活的3維極坐標測量技術完美結合，可實現無控制網的各種工程測量。
　　專用儀器是工程測量學儀器發展最活躍的，主要應用在精密工程測量領域。其中，包括機械式、光電式及光機電(子)結合式的儀器或測量系統。主要特點是：高精度、自動化、遙測和持續觀測。
　　用于建立水平的或豎直的基準線或基準面，測量目標點相對于基準線(或基準面)的偏距(垂距)，稱為基準線測量或準直測量。這方面的儀器有正、倒錘與垂線觀測儀，金屬絲引張線，各種激光準直儀、鉛直儀(向下、向上)、自準直儀，以及尼龍絲或金屬絲準直測量系統等。
　　在距離測量方面，包括中長距離(數十米至數公里)、短距離(數米至數十米)和微距離(毫米至數米)及其變化量的精密測量。以ME5000為代表的精密激光測距儀和TERRAMETER LDM2雙頻激光測距儀，中長距離測量精度可達亞毫米級；可喜的是，許多短距離、微距離測量都實現了測量數據采集的自動化，其中最典型的代表是銦瓦線尺測距儀DISTINVAR，應變儀DISTERMETER ISETH，石英伸縮儀，各種光學應變計，位移與振動激光快速遙測儀等。采用多譜勒效應的雙頻激光干涉儀，能在數十米范圍內達到0.01μm的計量精度，成為重要的長度檢校和精密測量設備；采用CCD線列傳感器測量微距離可達到百分之幾微米的精度，它們使距離測量精度從毫米、微米級進入到納米級世界。
　　高程測量方面，最顯著的發展應數液體靜力水準測量系統。這種系統通過各種類型的傳感器測量容器的液面高度，可同時獲取數十乃至數百個監測點的高程，具有高精度、遙測、自動化、可移動和持續測量等特點。兩容器間的距離可達數十公里，如用于跨河與跨海峽的水準測量；通過一種壓力傳感器，允許兩容器之間的高差從過去的數厘米達到數米。
　　與高程測量有關的是傾斜測量(又稱撓度曲線測量)，即確定被測對象(如橋、塔)在豎直平面內相對于水平或鉛直基準線的撓度曲線。各種機械式測斜(傾)儀、電子測傾儀都向著數字顯示、自動記錄和靈活移動等方向發展，其精度達微米級。
　　具有多種功能的混合測量系統是工程測量專用儀器發展的顯著特點，采用多傳感器的高速鐵路軌道測量系統，用測量機器人自動跟蹤沿鐵路軌道前進的測量車，測量車上裝有棱鏡、斜傾傳感器、長度傳感器和微機，可用于測量軌道的3維坐標、軌道的寬度和傾角。液體靜力水準測量與金屬絲準直集成的混合測量系統在數百米長的基準線上可精確測量測點的高程和偏距。
　　綜上所述，工程測量專用儀器具有高精度(亞毫米、微米乃至納米)、快速、遙測、無接觸、可移動、連續、自動記錄、微機控制等特點，可作精密定位和準直測量，可測量傾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，還可測振動頻率以及物體的動態行為。
　　三、工程測量理論方法的發展
　　1. 測量平差理論
　　最小二乘法廣泛應用于測量平差。最小二乘配置包括了平差、濾波和推估。附有限制條件的條件平差模型被稱為概括平差模型，它是各種經典的和現代平差模型的統一模型。測量誤差理論主要表現在對模型誤差的研究上，主要包括：平差中函數模型誤差、隨機模型誤差的鑒別或診斷；模型誤差對參數估計的影響，對參數和殘差統計性質的影響；病態方程與控制網及其觀測方案設計的關系。由于變形監測網參考點穩定性檢驗的需要，導致了自由網平差和擬穩平差的出現和發展。觀測值粗差的研究促進了控制網可靠性理論，以及變形監測網變形和觀測值粗差的可區分性理論的研究和發展。針對觀測值存在粗差的客觀實際，出現了穩健估計(或稱抗差估計)；針對法方程系數陣存在病態的可能，發展了有偏估計。與最小二乘估計相區別，穩健估計和有偏估計稱為非最小二乘估計。
　　巴爾達的數據探測法對觀測值中只存在一個粗差時有效，穩健估計法具有抵抗多個粗差影響的優點。建立改正數向量與觀測值真誤差向量之間的函數關系，可對多個粗差同時進行定位和定值，這種方法已在通用平差 軟件 包中得到算法實現和應用。
　　方差和協方差分量估計實質上是精化平差的隨機模型，過去一直僅停留在理論的研究上。實際中，要求對多種觀測量進行綜合處理，因此，方差分量估計已成為測量平差的必備內容了。目前，通用平差 軟件 包中已增加了該功能，但還需要在測量規范中明確提出來。
　　需要指出的是：許多測量作業單位喜歡采用附合導線進行逐級加密，主要依據目前規范中有關一、二、三級導線和圖根導線的規定。無疑附合導線具有許多優點，但由于多余觀測少，發現和抵抗粗差的能力較弱，不宜濫用。建立一個區域的控制，首級網點采用GPS測量，下面最好用一個等級的導線網作全面加密。從測量平差理論來看，全面布設的導線網具有更好的圖形強度，精密較均勻，可靠性也較高。
　　2. 工程控制網優化設計理論和方法
　　網的優化設計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于優化設計理論構造目標函數和約束條件，解求目標函數的極大值或極小值。一般將網的質量指標作為目標函數或約束條件。網的質量指標主要有精度、可靠性和建網費用，對于變形監測網還包括網的靈敏度或可區分性。對于網的平差模型而言，按固定參數和待定參數的不同，網的優化設計又分為零類、一類、二類和三類優化設計，涉及到網的基準設計，網形、觀測值精度以及觀測方案的設計。在工程測量中， 施工 控制網、安裝控制網和變形監測網都需要作優化設計。由于采用GPS定位技術和電磁波測距，網的幾何圖形概念與傳統的測角網有很大的區別。除特別的精密控制網可考慮用專門編寫的解析法優化設計程序作網的優化設計外，其他的網都可用模擬法進行設計。模擬法優化設計的 軟件功能和進行優化設計的步驟主要是：根據設計資料和地圖資料在圖上選點布網，獲取網點近似坐標(最好將資料作數字化掃描并在微機上進行)。模擬觀測方案，根據儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網的各種質量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數的協方差陣或部分點坐標的協方差陣，協方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等。可靠性包括每個觀測值的多余觀測分量(內部可靠性)和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性)。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數。將計算出的各質量指標與設計要求的指標比較，使之既滿足設計要求，又不致于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值)或局部改變網形(增加或減少網點)等方法重新作上述設計計算，直到獲取一個較好的結果。
　　在實踐中，總結出了下述優化設計策略：先固定觀測值的精度，對選取的網點，觀測所有可能的邊和方向，計算網的質量的指標，若質量偏低，則必須提高觀測值的精度。在某一組先驗精度下，若網的質量指標偏高了，這時可按觀測值的內部可靠性指標ri，刪減觀測值。ri太大，說明該觀測值顯得多余，應刪去；若ri很小，則該觀測值的精度不宜增加。這種根據ri大小來刪除觀測值的方法稱為從“密”到“疏”，從“肥”到“瘦”的優化策略。
　　從模擬法優化設計的整個過程來看，它是一種試算法，需要有一個好的 軟件 。該 軟件 除具有通用平差 軟件 的功能外，在成果輸出的多樣性、直觀性，在可視化以及人機交互界面設計方面都有更高要求。同時也要求設計者具有堅實的專業知識和豐富的經驗。