论文部分内容阅读
摘要：本文介绍了遥感对地观测的基本概念，然后通过以无人机为例，说明了遥感对地观测技术的一个应用，并对无人机遥感影像的处理系统进行了简要分析。
关键词：精密工程测量；相对精度；绝对精度；测量机器人；形变监测
中图分类号：TU1982文献标识码：A
1引言
在测绘界把工程建设中的所有测绘工作统称为工程测量（engineering surveying）。实际上它包括在工程建设勘测、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服务的。工程测量分为普通工程测量和精密工程测量。工程测量包括了土木工程（高层建筑、交通设施等）的测量技术，也包括了工业测量领域设备的测量技术（大型天线、飞机机身、高能物理离子加速器等）。不同工程对象的测量精度要求不尽相同，一般情况下在厘米和毫米间。由于科学技术日新月异，要使仪器的测量精度更高、速度更快，自动化程度更完善、数据处理更先进，就需要不断完善工程测量自身的理论与方法；新型工程施工和检校的超高要求对测量技术提出了新的挑战。精密工程测量代表了工程测量学的一个发展方向，本文将对其新的理论技术方法进行阐述。
2精密工程测量的特点
21精密工程测量的定义
所谓精密工程测量，主要是指结合现代测绘科技的新进展，研究和解决大型或特种工程对测量的高精度、可靠性、自动测控等各个方面要求的测绘科学。精密工程测量代表了工程测量学的一个发展方向，它主要是研究地球空间中具体几何实体的精密测量描绘和抽象几何实体的精密测设实现的理论、方法和技术。凡是采用一般的、通用的测量仪器和方法不能满足工程对测量或测设精度要求的测量，统称精密工程测量。
22精密工程测量的特点
221精度高
精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。精度这一概念包含的意义很广，分相对精度和绝对精度。
大型特种工程中一定包括一些或许多精密工程测量。三维工业测量、工程变形监测中的许多测量也属于精密工程测量。就精度而言，在工业测量中，在设备的安装、检测和质量控制测量中，精度可能在计量级，如微米乃至纳米；在工程变形监测中，精度可能在亚毫米级；在工程控制网建立中，精度可能在毫米级。长、大隧道的横向贯通精度虽然在厘米、分米级，但对测量精度要求很高，仍属于精密工程测量。
222可靠性强
精密工程测量对测量的可靠性要求也很高，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。
3精密工程测量的理论基础
31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；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。
32工程控制网优化设计理论与方法
网的优化设计方法有解析法和模拟法2种。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。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：
321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。
322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。
323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。
324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。又不至于有太大的富余。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。
33变形观测数据处理
变形观测数据处理的典型方法主要有：根据变形观测数据绘制变形过程曲线，由变形过程曲线作变形趋势分析；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；采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，或者2者组合建模的方法；把变形体视为一个动态系统，将一组观測值作为系统的输出，用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态，把参数估计和预报有机地结合起来；对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，将时域内的信息转变到频域内分析。
4精密工程测量仪器
41马达驱动全站仪 近几十年来全站仪仪器制造的突出表现是可以自动识别和自动照准目标自动测量的全站仪， 也称为智能型全站仪或者测量机器人。（如图1所示）
通过仪器自动精确照准后测量的水平角、天顶距和距离，就可以快速获得目标点相对于仪器中心的三维空间坐标。照准的目标可以是反射棱镜，可以是反射膜片，也可以无合作目标（漫反射测量，一般200m左右）。但最精确的距离测量还是需要使用反射棱镜。而目前最精密的全站仪的距离测量可达到亚毫米，如LEICA公司的TPS5000系列，测距精度为012mm。
图1测量机器人
42激光跟踪仪
激光跟踪仪可以自动跟踪并测量特殊反射镜（也称为猫眼棱镜）的空间位置。激光跟踪仪中的自控系统可以驱动马达来控制平面镜旋转，旋转的平面镜可以将从激光干涉测量仪发出的激光经引导到反射镜上，并自动跟踪和测量猫眼棱镜的位置。干涉距离测量的精度视大气条件和距离的长短可达到几个微米。最有名的激光跟踪仪系统有美国SMX公司的Tracker 4000、Tracker 4500W/ADM和瑞士LEICA公司的LT500、LTD500。（如图2所示）
图2激光跟踪仪
43数字水准仪
数字水准仪的出现，大大提高了几何水准测量的工作效率，也拓展了几何水准测量的应用领域。如将数字水准仪安置在一个用计算机控制的旋转部上，就可以在小范围内实现高程变化的长期自动监测。数据通过调制解调器传送，测量精度可以好于01mm。（如图3所示）
图3数字水准仪
44其他精密工程测量仪器
除了上述精密工程测量仪器，多传感器集成测绘系统、激光扫描仪、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、以及各种专用测量仪器，为精密测绘提供了技术保障。其中，激光扫描仪可对被测对象在不同位置扫描、建模并转换到CAD成图，在土木工程、建筑监测、路桥设计、三维建模、工业设计制造以及GIS数据采集等方面有广阔的应用前景。车载、机载激光扫描测量将成为地面数据采集的主要手段。
5精密工程测量新发展
近年来，电子计算机技术、激光技术和空间技术的发展，又极大地推动了精密工程测量的发展。比如诸多的科学工作者将现代大地测量学和计量学等多科学最新成就结合起来，运用现代测绘技术新理论、新方法和新技术，使用专用的仪器和设备，以高精度与高科技的特殊方法采集数据，进行数据处理，以高质量的数据和图像资料而进行有效的质量控制。
51实时摄影测量技术
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、汽车制造等领域，而且在军事部门也有广泛的应用前景。
52全球卫星定位技术（GPS）
由于GPS的迅速发展，人们可以在地球上任何地点任何时间很快地确定测站点的地心坐标，其作业时间短，不受时间、气候条件限制，不需要两点之间通视即可获得很高的相对定位精度的特点。GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法，不但掀起了大地測量的革命，而且在精密工程测量中得到了成功的应用。
53工业自动测量系统的兴起和应用
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。工业自动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。
54多传感器集成的移动式测绘系统
将激光扫描仪、全站仪、CCD、GPS乃至惯导仪以及计算机等集成在一起，可进行快速数据采集、定位和导航。瑞士GEODEV公司生产的移动式远程监测系统包括GPS接收机、测量机器人、激光测距仪、通讯天线、调制解调器、太阳能电池板、模拟量与数字接口等，该系统具有以下优点：能进行三维位移监测并自动、连续与独立运行，可达毫米级精度，灵活的远程组合，安装迅速，不受气候影响，可外接多种传感器等，已在许多工程应用。
参考文献
[1]周建郑.工程测量（测绘类）（第2版）[M].郑州：黄河水利出版社，2010.
[2]北京建工培训中心组织.测绘工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3]潘庆林，等.当代测绘新仪器、新技术在测绘工程中的应用[J].北京：工程勘察，2004（09）.
[4]李仕东.工程测量（全国交通土建高职高专规划教材）[M].北京：人民交通出版社，2009.6.
[5]殷青英.工程测量（高职高专路桥类专业规划教材）[M].北京：中国电力出版社，2009.8.
[6]许加东.控制测量[M].北京：中国电力出版社，2012.1.
[7]黄成辉，等.精密工程测量仪器及数据处理[J].现代测绘，2009，32（06）.
作者简介：云凯峰（1960-），男，汉族，吉林长春，高级工程师，吉林省国土资源勘测规划研究院，主要从事土地利用与规划、土地调查登记和地籍管理等相关的土地技术管理工作。袁宗福（1977-），男，汉族，吉林长春，副高级工程师，吉林省地理信息院，主要从事大地测量，工程测量和数据采集。
关键词：精密工程测量；相对精度；绝对精度；测量机器人；形变监测
中图分类号：TU1982文献标识码：A
1引言
在测绘界把工程建设中的所有测绘工作统称为工程测量（engineering surveying）。实际上它包括在工程建设勘测、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服务的。工程测量分为普通工程测量和精密工程测量。工程测量包括了土木工程（高层建筑、交通设施等）的测量技术，也包括了工业测量领域设备的测量技术（大型天线、飞机机身、高能物理离子加速器等）。不同工程对象的测量精度要求不尽相同，一般情况下在厘米和毫米间。由于科学技术日新月异，要使仪器的测量精度更高、速度更快，自动化程度更完善、数据处理更先进，就需要不断完善工程测量自身的理论与方法；新型工程施工和检校的超高要求对测量技术提出了新的挑战。精密工程测量代表了工程测量学的一个发展方向，本文将对其新的理论技术方法进行阐述。
2精密工程测量的特点
21精密工程测量的定义
所谓精密工程测量，主要是指结合现代测绘科技的新进展，研究和解决大型或特种工程对测量的高精度、可靠性、自动测控等各个方面要求的测绘科学。精密工程测量代表了工程测量学的一个发展方向，它主要是研究地球空间中具体几何实体的精密测量描绘和抽象几何实体的精密测设实现的理论、方法和技术。凡是采用一般的、通用的测量仪器和方法不能满足工程对测量或测设精度要求的测量，统称精密工程测量。
22精密工程测量的特点
221精度高
精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。精度这一概念包含的意义很广，分相对精度和绝对精度。
大型特种工程中一定包括一些或许多精密工程测量。三维工业测量、工程变形监测中的许多测量也属于精密工程测量。就精度而言，在工业测量中，在设备的安装、检测和质量控制测量中，精度可能在计量级，如微米乃至纳米；在工程变形监测中，精度可能在亚毫米级；在工程控制网建立中，精度可能在毫米级。长、大隧道的横向贯通精度虽然在厘米、分米级，但对测量精度要求很高，仍属于精密工程测量。
222可靠性强
精密工程测量对测量的可靠性要求也很高，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。
3精密工程测量的理论基础
31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；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。
32工程控制网优化设计理论与方法
网的优化设计方法有解析法和模拟法2种。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。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：
321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。
322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。
323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。
324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。又不至于有太大的富余。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。
33变形观测数据处理
变形观测数据处理的典型方法主要有：根据变形观测数据绘制变形过程曲线，由变形过程曲线作变形趋势分析；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；采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，或者2者组合建模的方法；把变形体视为一个动态系统，将一组观測值作为系统的输出，用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态，把参数估计和预报有机地结合起来；对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，将时域内的信息转变到频域内分析。
4精密工程测量仪器
41马达驱动全站仪 近几十年来全站仪仪器制造的突出表现是可以自动识别和自动照准目标自动测量的全站仪， 也称为智能型全站仪或者测量机器人。（如图1所示）
通过仪器自动精确照准后测量的水平角、天顶距和距离，就可以快速获得目标点相对于仪器中心的三维空间坐标。照准的目标可以是反射棱镜，可以是反射膜片，也可以无合作目标（漫反射测量，一般200m左右）。但最精确的距离测量还是需要使用反射棱镜。而目前最精密的全站仪的距离测量可达到亚毫米，如LEICA公司的TPS5000系列，测距精度为012mm。
图1测量机器人
42激光跟踪仪
激光跟踪仪可以自动跟踪并测量特殊反射镜（也称为猫眼棱镜）的空间位置。激光跟踪仪中的自控系统可以驱动马达来控制平面镜旋转，旋转的平面镜可以将从激光干涉测量仪发出的激光经引导到反射镜上，并自动跟踪和测量猫眼棱镜的位置。干涉距离测量的精度视大气条件和距离的长短可达到几个微米。最有名的激光跟踪仪系统有美国SMX公司的Tracker 4000、Tracker 4500W/ADM和瑞士LEICA公司的LT500、LTD500。（如图2所示）
图2激光跟踪仪
43数字水准仪
数字水准仪的出现，大大提高了几何水准测量的工作效率，也拓展了几何水准测量的应用领域。如将数字水准仪安置在一个用计算机控制的旋转部上，就可以在小范围内实现高程变化的长期自动监测。数据通过调制解调器传送，测量精度可以好于01mm。（如图3所示）
图3数字水准仪
44其他精密工程测量仪器
除了上述精密工程测量仪器，多传感器集成测绘系统、激光扫描仪、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、以及各种专用测量仪器，为精密测绘提供了技术保障。其中，激光扫描仪可对被测对象在不同位置扫描、建模并转换到CAD成图，在土木工程、建筑监测、路桥设计、三维建模、工业设计制造以及GIS数据采集等方面有广阔的应用前景。车载、机载激光扫描测量将成为地面数据采集的主要手段。
5精密工程测量新发展
近年来，电子计算机技术、激光技术和空间技术的发展，又极大地推动了精密工程测量的发展。比如诸多的科学工作者将现代大地测量学和计量学等多科学最新成就结合起来，运用现代测绘技术新理论、新方法和新技术，使用专用的仪器和设备，以高精度与高科技的特殊方法采集数据，进行数据处理，以高质量的数据和图像资料而进行有效的质量控制。
51实时摄影测量技术
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、汽车制造等领域，而且在军事部门也有广泛的应用前景。
52全球卫星定位技术（GPS）
由于GPS的迅速发展，人们可以在地球上任何地点任何时间很快地确定测站点的地心坐标，其作业时间短，不受时间、气候条件限制，不需要两点之间通视即可获得很高的相对定位精度的特点。GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法，不但掀起了大地測量的革命，而且在精密工程测量中得到了成功的应用。
53工业自动测量系统的兴起和应用
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。工业自动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。
54多传感器集成的移动式测绘系统
将激光扫描仪、全站仪、CCD、GPS乃至惯导仪以及计算机等集成在一起，可进行快速数据采集、定位和导航。瑞士GEODEV公司生产的移动式远程监测系统包括GPS接收机、测量机器人、激光测距仪、通讯天线、调制解调器、太阳能电池板、模拟量与数字接口等，该系统具有以下优点：能进行三维位移监测并自动、连续与独立运行，可达毫米级精度，灵活的远程组合，安装迅速，不受气候影响，可外接多种传感器等，已在许多工程应用。
参考文献
[1]周建郑.工程测量（测绘类）（第2版）[M].郑州：黄河水利出版社，2010.
[2]北京建工培训中心组织.测绘工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3]潘庆林，等.当代测绘新仪器、新技术在测绘工程中的应用[J].北京：工程勘察，2004（09）.
[4]李仕东.工程测量（全国交通土建高职高专规划教材）[M].北京：人民交通出版社，2009.6.
[5]殷青英.工程测量（高职高专路桥类专业规划教材）[M].北京：中国电力出版社，2009.8.
[6]许加东.控制测量[M].北京：中国电力出版社，2012.1.
[7]黄成辉，等.精密工程测量仪器及数据处理[J].现代测绘，2009，32（06）.
作者简介：云凯峰（1960-），男，汉族，吉林长春，高级工程师，吉林省国土资源勘测规划研究院，主要从事土地利用与规划、土地调查登记和地籍管理等相关的土地技术管理工作。袁宗福（1977-），男，汉族，吉林长春，副高级工程师，吉林省地理信息院，主要从事大地测量，工程测量和数据采集。