Jean M.Rüeger
(澳大利亚新南威尔士大学测量与空间信息系统学院)
概述
回顾《（帝国）测量评论》创刊75年的历史，测量仪器和技术发生了相当大的变化，从最初的小型测量仪器发展到今天的卫星测量系统。 由此本文总结了以下领域的测绘技术变革：小型仪器（钢带尺和钢线尺、平板仪、气压计、磁罗盘、三脚架、三脚基座），水准测量仪，经纬仪，光电测距仪（EDM），电子速测仪（全站仪），三维激光扫描仪，指北陀螺仪和卫星测量系统。
小型测量仪器
钢尺的发展追溯到1931年，当时得到了实际应用，但后来主要是大地基准测量仪器的发展，如测量装置“Distinvar”，该仪器初始读取精度达到0.01mm，可以与现在的电子读取装置相媲美，该仪器已经在世界范围内得到应用。但近年来，一些实验室逐渐采用激光跟踪仪和具有自动照准功能的精密全站仪。
平板仪也发展了一段时期，从1959年Kern的RK自归算平板仪，发展到1965年Wild的RK-1型自归算照准仪，1993年Sokkia生产了具有电子测距功能的照准仪，但目前仍然使用平板仪。
气压计最初用于测量气压高度，后来出现了用于特殊测量的无液气压计，自从大地测量引入电子测距装置后，气压计用于测量EDM装置中的大气压力，1985年出现了实用的精确手持式数字气压计。
磁罗盘经纬仪最初由Wild公司生产，1936年至1990年期间生产了12500套各种类型的Wild T0仪器。1994年，Leica的DMC数字磁罗盘仪成为Leica智能双筒望远镜的一部分，其它的现代手持式激光测量装置也包括磁极罗盘形式的电子方位角传感器。
三角架发展到今天，大多符合大地测量装置中有关三角架的国际标准。1925年，Heinrich Wild提出了金属与木支架连接处可调节的重要性，Kern于1960年生产出对中三角架，后来Kern与Wild Leitz Group合并后，Wild生产了一系列与Kern三脚架及Kern柱状对中板匹配的Wild三脚基座。
水准测量仪器
水准测量仪器的发展追溯到1910年前后，1911年，Zeiss精密水准仪III已经具有后来成为标准的楔形交叉瞄准丝；1928年，具有双面水准管的水准仪（Ni II）已经投入市场 ，此后出现了各种符合气泡水准仪、自动安平水准测量仪Zeiss Ni2、不受地球磁场影响的精准水准仪等。
1990年，瑞士的Wild生产了数字水准测量仪器，1992年，推出了最早的精密数字水准仪（Wild NA3000），1994年，Topcon和Zeiss公司推出自己的数字水准仪，1998年Sokkia公司也推出了数字水准仪，每家生产厂商在各自的产品中都使用了一种（或两种）特有的条码，因此不同厂商的产品间不能进行交换。数字水准仪通过电子数据记录的方式而不需要通过望远镜读取水准尺，比传统水准测量简单，在非精密水准测量中可以扩大测量距离，因此，数字水准仪器缩短了水准测量的时间，处理方便。
旋转激光水准仪的发展追溯到1973年，在建筑业，该仪器基本上替代了经典的水准仪，大多数测绘仪器生产厂商生产了大量旋转或其他类型的激光水准仪，虽然它们比常规的水准测量装置价格昂贵，但提供了一种有效的单人水准测量系统，操作方便，高效。
光学经纬仪
光学经纬仪的发展很大程度上归功于瑞士大地测量家Heinrich Wild，1922年，推出第一台光学经纬仪（Th I），1932年，Carl Zeiss推出了“光学测微经纬仪II”，1959年，推出最早的具有竖直度盘补偿器的Carl Zeiss仪器“Theo 020”。
Heinrich Wild与Kern & Co.合作，为Kern设计了两款不具备测微计的双盘经纬仪（DK1,DK2），以及三款具备测微计的双盘经纬仪（DKM1,DKM2,DKM3）。其中DKM3（于1938年发布，直接读取到0.5″）配置了一种新型的具有凹面镜的望远镜，而非常小巧的DKM1（于1939年发布）可以直接读取到10″。1972年，又出现了具有一个液体竖直盘补偿器和一个直接粗读数度盘的Kern DKM2-AE 1″ 级经纬仪。
电子经纬仪
电子经纬仪的历史与电子速测仪的发展密切相关，1982年，POB报道，市场上有46种光学经纬仪和3种电子经纬仪；1992年，POB列举了18种光学经纬仪和16种电子经纬仪；到2005年，主要仪器制造商不再大量生产光学经纬仪。
经纬仪的设计和制造工艺发生了很大变化，现代经纬仪大部分采用铝合金材料，通过数控加工机床和铝铸件制造而成。所有的电子经纬仪和速测仪最初在仪器的两面都装配了两个完整的键盘，现在，相当一部分仪器在它们的标准配置中仅仅装配了一个键盘。
玻璃度盘的生产工艺也发生了变化。早期，玻璃度盘的生产是在每个玻璃盘上涂上一层腊后，用高精度的刻度机在蜡层上进行雕刻，蜡移去后曝露的玻璃部分就被蚀刻加工而成，后来，只有母盘是单独加工，仪器所用盘则是通过平版印刷法复制而成。
单机（远程）测距仪
最早的商用光电测距仪NASM-2是由瑞典的AGA公司制造的，该仪器只有在夜间才能进行较远距离的测量。1954年Bjerhammar引入外差技术后，光电测距仪制造得到了发展，使生产高精度的、方便使用的低频测相装置成为可能。1968年，AGA公司生产的Modal 8型激光测距仪最远测程达到60km，在多普勒技术和GPS技术应用之前，该仪器一直应用在高等级大地网测量中。
红外（二极管）短程测距仪
具有红外二极管发射装置的短程测距仪的原型出现于20世纪60年代中期（1965年的单机Tellurometer MA 100；1967年的半电子速测仪Zeiss SM 11），20世纪60年代后期，该仪器逐渐市场化：如1968年的Wild/Sercel Distomat DI 10，1969年的Tellurometer MA 100，以及1970年的Zeiss SM 11。接下来出现了装配有小型望远镜的测距仪或者直接将测距仪装在经纬仪上的测距仪：如1974年的Kern DM500，1975年AGA Geodimeter 12，1976年的Sokkisha SDM-1C以及1979年的Topcon DM-C2。随后生产出小型半站仪（光学经纬仪与测距仪共轴）：如1976年的Carl Zeiss SM4，1980年的Topcon GTS-1，1980年的Sokkisha SDM-3D，1981年的Carl Zeiss SM41，1981年的Topcon GTS-2以及1982年的Sokkisha SDM-3E。
精密测距仪
1961年英国国家物理实验室制造出了第一台精密电子测距仪——Mekometer。1967年在一次讨论会上报道了NPL-Hilger & Watts Mekometer样机（基于Mekometer II的设计）。1973年，Kern Mekometer ME3000达到商品化程度，在短程测距上可以达到0.2mm的精度。1986年出现了ComRad Geomensor ，1987年出现了Kern Mekometer ME5000，1988年有报导一款双色合成的Mekometer ME5000仪器，但并没有投入生产。
脉冲及无协着目标测距仪（和速测仪）
对被动目标进行测量的电子测距仪（现在也称无协着目标测距仪）发展迅速。最初，在采用脉冲测量原理（而非相位测量原理）的红外测距仪上应用了这种技术。1983年，生产了最早的用于测量应用的单机装置Geo-Fennel FEN 2000，1985年，推出了Wild Distomat DI3000。Zeiss分别于1988年和1993年推出了脉冲测距仪Eldi 10和第一台无协着目标电子速测仪（Rec Elta RL）。随后Leica、Topcon、Trimble等厂商相继推出了各自的无协着目标测量仪器。目前有两类手持无协着目标测距仪，第一类是1993年Leica推出的DISTO，第二类仪器是测量磁方位角、天顶距和斜距（称为“角-角-距离”）的仪器，这些仪器经常与GPS和GIS一起使用。
电子速测仪（全站仪）
最早的电子速测仪（习惯称“全站仪”）是1970年Zeiss的Reg Elta 14，它配备了一个电子读数器，不仅可以读取距离长度而且可以读取竖直和水平度盘；紧接着出现的全站仪是1971年AGA的Geodimeter 700；1977年和1978年，出现了第二代产品如HP3820A、Wild TC1、Zeiss ELTA2、ELTA4；1985年，主要测量仪器生产厂商都制造电子速测仪，因为它具备电子数据存储装置和计算机软件包，能够方便数据处理和出图；1991年，Wild升级了“自动定位系统（APS）”，提供了一种高效的详细变形监测系统；1997年，推出了Tpocon AP-L1自动跟踪全站仪；2000年Leica推出了TCRA“自动目标瞄准”全站仪等。
全站仪的发展方便了数据记录和外业计算。电子数据记录器代替了传统的基于纸张的外业工作记录簿，它采用电子形式存储测量得到的数据。同时记录媒质也发生了变化，从纸质电传打孔带（Reg Elta 14）到盒带（Geodimeter 700,Wild TC1），到内存卡，最后到符合工业标准的PC卡（PCMCIA卡）和CF卡。电子速测仪通过RS232接口与个人计算机进行内部数据交换，或者在某些时候作为外部计算机进行操作控制的接口，目前还不清楚PC机的制造商还会支持RS232接口多长时间，希望在不久的将来，测量仪器接口能够像数码相机通过USB接口或者像数字摄像机通过FireWire（IEEE 1394）接口与计算机连接那样容易，而且所有的仪器采用同样的数据格式。
激光扫描仪和跟踪仪
激光扫描仪是另一种测量被动目标距离的仪器，一些仪器能够全方位（360°）扫描，另外一些只能在一个局部的扇形内扫描，激光扫描的典型结果是大量具有x，y，z坐标的点，把扫描结果转换成平面图或者CAD文件是非常艰难和耗时的。激光扫描仪比无协着目标的机动化电子速测仪的速度快，但精度低，因为它们不能对目标应用多种测量方法，不能返回稳定的信号强度，不能更多地采用内部参考测量法。
单光束激光跟踪干涉仪最早是在1988年出现的，1991年Kern推出了SMART 310，从1997年开始，单光束激光跟踪仪的两个主要供应商提供了一种特殊型号的仪器，它除了装配通常的激光干涉仪（相对测距）外，还装配了一个“绝对测距”（ADM）仪器。
指北陀螺仪
目前在测量和矿业中使用的指北陀螺仪起源于海军陀螺罗盘，这种罗盘是德国的Anschǖtz公司1908年获得的专利产品，它是依据Schuler教授的理论研制而成的，1948年，克劳斯塔尔矿业学院研制出了改进型Anschǖtz装置，它能在地上和地下工作，后来生产了更小的Fennel KT1陀螺经纬仪，德国的Fennel TK3，匈牙利的MOM Gi-C1，Gi-C2以及Gi-D1，瑞士的Wild GAK1。
德国煤矿公司的矿业测量研究院开始了陀螺经纬仪研究计划。1955年生产出了最早的实用型WBK陀螺经纬仪（MW3），该仪器重量为405kg，精度为±23"；1977年生产出了手工操作型MW77（±7"，31kg）；1978年生产出自动化的Gyromat仪器（±3"，41kg）；1991年生产出全自动化的Gyromat 2000（±2"，23kg）。很多商用电子经纬仪或速测仪都能与Gyromat 2000相匹配。1994年10月日本的Sokkia开始出售Sokkia AGP1 型自动陀螺仪，目前，Gyromat 2000已经成为精密陀螺方位测量的工业标准。
卫星测量系统
从1978年发射了最早的GPS卫星开始，到2005年5月25日，GPS卫星群由29颗Block II/IIA/IIR构成，GPS技术很快在大地测量中得到应用。最早用于大地测量的L1接收机是1982年的Macrometer V-1000，它使用了L1的载波相位和两台接收机的差分定位技术，但忽略了卫星传输码，以后使用了Macrometer II（无码，L1和L2），大多数接收机的生产都采用了标准定位服务（SPS）提供的粗码（C/A）L1频率和导航信息。
在过去的20多年中，接收机和天线趋于小型化和轻型化，数据的处理趋于简单化。一些现代接收机还能同时接收和处理俄罗斯的GLONASS卫星系统。在测量方法上，早期的GPS通常是静态（差分）模式。现在，有相当数量的测量理论（诸如“准动态”，“动态”，“半动态”，“伪动态”，“快速静态”）得到发展从而使GPS测量更加有效，但这些方法也需要进行数据后处理。实时动态（RTK）装置能够提供高精度的点位，但需要在基站和移动站之间有一个无线电联接。一个典型的RTK（载波相位和双频）装置是2001年Leica的SR530“RTK接收机”。如果能够与电子速测仪在同等价格、同等方便、同等速度的条件下达到毫米级精度的话，GPS接收机将有很大的市场。
结语
回顾《测量评论》发展的历程，虽然测量仪器和技术发生了相当大的变化，但也带来了负面影响：如测量仪器寿命周期显著缩短；难以根据竞争标准设计测量仪器；将消费电子产品（电池、数据存储设备）安装到测量工具上并不合适等。由此，测量界应该密切关注测量事业，使其走向快速发展的道路。
沈涛译自Surrey Review,2006,38(300);杨俊志，顾海燕编校 |
