工程测量的现状和趋势

摘要：20世纪80年代以来，随着高新技术的发展和社会的进步，现代工业生产进入了一个新的阶段。许多新的工业生产要求对生产的自动化流程、生产过程控制、产品质量检验与监测等工作进行快速、高精度的测点、定位，并给出运行轨道或复杂形体的数字模型等，这是传统的光学、机械方法所无法完成的。三维工业测量系统是以电子经纬仪或近景摄影仪为传感器，在电子计算机的支持下而形成的三维测量系统，主要应用于以下的工业领域。1）汽车、飞机、造船工业及空间技术等方面设计、试验、制造、组装过程中的测量和定位。2）工业用机器人的检测。3）卫星接收天线安装和维护的精度检测。4）生产自动化过程、生产过程控制、生产质量检验与检测的动态测量。5）负荷试验中变形与应变测定。6）栏水与边坡稳定性的检测等。

关键词：工程测量 、测量技术 、测量技术与仪器 、发展趋势

一、 测量在工程建设中的作用

可以这样说，没有测量工作为工程建设提供数据和图纸，并及时与之配合和进行指挥，任何工程建设都无法进展和完成。那工程测量在建筑工程中承担了什么角色？

在规划设计阶段，要求提供完整可靠的地形资料；在施工阶段,要按规定精度进行定线放样;在经营管理阶段，要进行建筑物的变形观测，判断它们的稳定性，以保证工程质量和安全使用，并借以验证设计理论和施工方法的正确性。

规划设计阶段的测量工作 主要是提供大比例尺地形图。采用的方法主要有地面人工测图和摄影测量成图两类。①地面人工测图。是根据由总体到局部的原则，先在测区内建立平面和高程控制网点，然后根据控制点测绘地物、地貌。近年来，随着电子速测仪和机助制图系统的发展，可以应用多功能整体式或组合式的电子速测系统取得地物和地貌特征点的三维坐标数据，输入制图系统自动成图。②摄影测量成图。是对地面进行摄影，对像片加以判读、量测和处理，以获得所需资料。最先应用的是地面摄影测量，即在地面上用摄影经纬仪摄取测区的像片，据以成图。后来发展为航空摄影测量，它已成为目前测绘地形图的最主要、最有效方法。近年来,随着摄影器材和测图仪器的改进,除了模拟测图方式以外，发展了解析测图方式，即利用立体坐标量测仪对像片量测进行解析处理，获得地形的数据资料。解析测图仪除了与一般模拟立体测图仪一样测图外,还可进行区域网点加密和数字化测图,获得数字地图。地面形态的数字表达称为“数字地面模型”，它可用来解决工程设计中绘制断面图、计算土石方量等问题。

二、测量中的误区

由于工程测量在工程建设勘测、设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作。它是直接为各项建设项目的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以及营运管理等一系列工程工序中扮演着重要的角色，因此在工程测量过程中减少差错就尤为重要，那么工程测量常见的错误有哪些呢？

1、测量人员流动性大，仪器管理混乱

2、测量仪器的操作不当，且日常保修不到位。

3、测量人员素质及能力参差不齐

4、测量人员与设计、技术部分沟通协调不畅。

5、测量的质量监管与控制不到位。

在现代工程项目的建设中，测量是一门实践性、技术性、专业性很强的工作，对于工程项目的整体进度和质量都具有重要的影响。在工程测量中常见的错误主要是由人为和技术原因引起的，因此，加强测量人员的技能训练是提高实践技能的重要环节，在测量中必须明确测量工作的任务和作用，并要养成认真、负责、严格的实事求是的科学态度和工作作风，进而才能更好的服务于工程项目的建设与管理。所以测量技术目前的发展趋势将决定我们在国民经济建设和国防建设的发展方向。

三、测量技术与仪器发展趋势

1.测量技术与仪器涉及所有物理量的测量，对于材料、工程科学、能源科学关系密切。目前的发展趋势有以下几点： (1)以自然基准溯源和传递，同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。 (2)高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm，并正向0.18μm过渡，2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3，那么就要求10nm量级的精度，而且晶片尺寸还在增大，达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方，相应的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。 (3)高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上，上世纪80年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国Renishaw所占领，其原因是后者的速度达到了1m/sec。 (4)高灵敏，高分辨，小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。(5标准化。通讯接口过去常用GPIB，RS232，目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。现在，技术领先者设法控制技术标准，参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。

2.我国仪器科技的发展现状

(1)由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要。(2)我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果，许多成果处于国际领先水平，有待筛选、提高和转化，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。

3.未来发展趋势

(1)配合数控设备的技术创新(如主轴速度，精度创成)数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此，需要高速多通道激光干涉仪：其测量速度达60m/min以上，采样速度达5000次/sec以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10的-7次方水平，其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。 (2)运行和制造过程的监控和在线检测技术综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。(3)配合信息产业和生产科学的技术创新为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。

2）优先领域

在基础研究的初期，对于能否有突破性进展是很难预测的。但是，当已经取得突破性进展时，则需要有一个转化机制以进入市场。 (1)纳米溯源技术和系统。 (2)介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。关键理论和技术：超半球反射器(n=2或在机构上创新)，快速、多路干涉仪(频差3～5兆)，二维精密跟踪测角系统(0.2″～0.5″)，通用信号处理系统(工作频率5兆)，无导轨半导体激光测量系统(分辨率1μm)，热变形仿真，力变形仿真。、这些内容不局限于一种技术方案，而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪，对跟踪系统的要求可以降低；采用二维精密跟踪测角系统在1M3测量范围内可以得到高精度；有了超半球反射镜可以提高4路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间，力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快，现在的技术还有相当大的差距，所以这些进展是关键性的。

应用范围：新型并行机构机床的鉴定，飞机装配型架的鉴定，大型设备安装，用于生物芯片精密机器人校准等。

(3)非接触测头以及各种扫描探针显微镜

航空航天行业对此已经提出迫切要求，这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断，非接触测头还没有发展成熟，我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制，难以有突破性进展，但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1～0.5μm分辨率。

(4)计算机辅助测量理论

信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如，目前多数采用ISA总线、IEEE488口，今后计算机可能取消ISA总线，用于笔记本电脑的USB接口将广泛应用。过去，我国生产的仪器满足于数字显示，没有数据交换接口，难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备IEEE488(GPIB)口。RS232：目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级，对于干涉信号处理显得太低，可以采取联合互补的方法形成模块系列，同时降低成本，从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础，发展特长，有利于克服重复研究。

(5)新器件，新材料

过去，科研评价体系存在偏重于整机和系统，忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有10的9次方，而光频高达10的14次方，目前干涉仪实际上是起着混频器的作用，适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频，干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高，对于通讯也是很大的突破。

(6)半导体激光器计量特性的研究和创新

半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。但如果解决了诸多问题以后，半导体激光系统比气体激光系统更复杂，就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频，无疑是一种十分重要的特性，如果既能扫频又有两个相近的频率扫描，就会成为一种新的无导轨测量工具。

四．工程测量的趋势

工程测量学在以下方面将得到显著发展：

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、3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3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 。

结论

综上所述，我国工程测量的水平目前还不能满足高科技的发展需求，目前最大的任务就是提高测量技术水平和测量设施设备,促进工程测量的发展，主要表现在从1维、2维到3维、4维，从点信息到面信息获取，从静态到动态，从后处理到实时处理，从人眼观测操作到机器人自动寻标观测，从大型特种工程到人体测量工程，从高空到地面、地下以及水下，从人工量测到无接触遥测，从周期观测到持续测量。测量精度从毫米级到微米乃至纳米级。最终直接对改善人们的生活环境，提高人们的生活质量。