南水北调中线工程建设经历了选线、方案优化、施工图设计、施工、运营管理等多个环节，测量工作贯穿于工程建设的全过程。由于各阶段涉及的测量内容不同，精度等级各异，采用的仪器设备不一样。为统一工程测量标准、规范作业程序，针对工程实际，对工作中存在的测量关键技术问题进行全面研究，并提出解决方案。设计开发了南水北调工程测量一体化系统，论文研究的主要内容及解决的关键问题如下：

(1) 研究了基于TCA2003全站仪的角度和边长观测自动化和平面控制网平差技术，实现了平面控制测量内外业一体化。针对工程中经常遇到的坐标换算和地形图管理问题，着重研究了二维七参数坐标转换和基于椭球变换的高斯投影换算方法以及地形图分幅与编号方法，建立了一套适用于南水北调工程建设全过程的平面控制、坐标转换和图幅查询管理的解决方案。

(2) 研究了基于光学水准仪观测的PDA数据采集技术和电子水准仪数据处理技术，在不提取测站高差情况下，通过测站观测时间对温度进行内插，实现了观测数据整理与高差温度改正的同步计算。采用同构异源测段数据汇总，实现对大规模水准网测段提取、断点探测和高差两项改正(正常水准面不平行改正及高程异常改正)的自动处理。在讨论水准网平差原理基础上，研究粗差探测和最小闭合环的搜索方法。通过分析水准监测网稳定性检验原理，给出了分块间隙法和t检验法检验模型，实现了两期水准网的稳定性检验。对多种GPS高程拟合的适用性进行研究，采用狄克松和格布拉斯粗差探测探测技术和穷尽法搜索参数值方法，解决了GPS高程拟合中已知点兼容和多面函数拟合光滑因子δ难以确定的问题。

(3) 讨论了基于线路的圆曲线坐标计算原理，研究了“完整非对称型”和“非完整非对称型”的道路中桩坐标计算方法，给出基于直线、圆曲线和缓和曲线三种基本线元的坐标计算模型，解决了南水北调总干渠渠道定线及道路测设中任意复杂线形的坐标计算问题。采用以地块为单元的征地测量数据处理方法，实现地块的自动分离、分类汇总、自由分割、任意两界址点的边长方位量测、报表和宗地图输出。

(4) 系统研究了断面测量及工程量计算一体化流程。提出了基点无关的断面测量技术，给出由坐标格式向距离-高程格式的转换方法，以及断面端点位置判定方法。讨论了纵横断面设计文件生成原理和断面法工程量计算原理，推导出实测断面与设计断面套合的交点坐标计算模型，建立了一套适用于南水北调工程断面测量和工程量计算一体化的解决方案。

(5) 分析了灰色GM建模机理，改进了灰色积分参数c值确定方法，优化了Verhulst模型初始值，推导出自适应GM(1, 1) 灰色模型。针对多次正向累加存在的新旧数据权重分配上的不足，讨论了二次反向累加GOM(1, 1) 建模原理，推导出非齐次指数函数背景值构造模型，并给出积分参数c值的确定方法和沉降预测建模策略，为南水北调工程沉降监测预报提供了一套完整的解决方案。

(6) 分析了扫描点云应用于变形监测的特点，提出了通过格网划分获得同名变形监测点的思路以及两期点云间基于最短距离的中位区取平均值计算变形的方法与步骤，通过室内试验和南水北调实际试验研究，验证了地面三维激光扫描技术在南水北调坡面变形监测的可行性。