對工程測量與三維測繪技術(shù)發(fā)展的探究

孔慶峰 張英民

（遼寧省地礦測繪院，遼寧 沈陽 110121）

工程測量是一門應(yīng)用科學(xué)，是研究各種工程建設(shè)中測量方法和理論的一門學(xué)科，直接為我國現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。它主要研究在工程、工業(yè)和城市建設(shè)以及資源開發(fā)各個(gè)階段進(jìn)行地形和有關(guān)信息采集、處理、施工放樣、變形觀測、分析與預(yù)報(bào)的理論和技術(shù)以及與這些研究對象有關(guān)的信息管理和使用。工程測量有著悠久的歷史，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工程測量的技術(shù)面貌也發(fā)生了嶄新的變化。

1 三維測繪技術(shù)在測量中的應(yīng)用

三維測繪就是測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，確定三維目標(biāo)的幾何形狀、空間位置和空間姿態(tài)，對目標(biāo)進(jìn)行三維重建并盡可能真實(shí)地在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)。目前的測繪都是基于2+1維理論而建立起來的測量體系：二維確定目標(biāo)的平面位置，一維確定目標(biāo)的高程。

1.1 問題的提出

2+1維測繪技術(shù)經(jīng)過幾百年的發(fā)展，已達(dá)到了比較完善的程度;但隨著社會和科技的發(fā)展，2+1維測繪的成果已不能完全滿足社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。下述問題的出現(xiàn)使得三維測繪技術(shù)日益迫切。

1.1.1 2+1維地圖不符合人們的生活環(huán)境

2+1維地圖實(shí)際上是從空中俯瞰地面的情況，而人們絕大多數(shù)時(shí)間都生活在地面，人們在街上行走，看到的都是周圍的三維景象，這些景象在2+1維地圖上無法表達(dá)。例如房屋的立面形狀、房屋室內(nèi)的情況，等等。

1.1.2 城市規(guī)劃

城市規(guī)劃，特別是舊城改造規(guī)劃，已經(jīng)開始三維規(guī)劃。為城市規(guī)劃和工程規(guī)劃服務(wù)是工程測量的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，三維測繪應(yīng)及時(shí)跟上。

1.1.3 工程設(shè)計(jì)

現(xiàn)在三維工程設(shè)計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)，三維CAD的軟件已經(jīng)普及。工程設(shè)計(jì)要在現(xiàn)狀圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以現(xiàn)狀圖也應(yīng)是三維圖，這也要求我們必須實(shí)現(xiàn)三維測繪。

1.1.4 工程施工

現(xiàn)在很多復(fù)雜工程的施工，都不是按照傳統(tǒng)的一層一層從地面向空中進(jìn)行施工，而是進(jìn)行立體的吊裝式施工，例如鳥巢、國家大劇院以及中央電視臺都是如此。這也要求我們的施工測量應(yīng)該是三維測量。

2 三維測繪的現(xiàn)狀

三維測繪的需求是迫切的，但其現(xiàn)狀并不樂觀，發(fā)展很不平衡。下面從三維測量儀器說明三維測量技術(shù)的現(xiàn)狀。三維測量儀器有衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)、全站儀、攝影測量儀器、三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)量測儀。前三種儀器是大家所熟悉的三維測量儀器。三維激光掃描儀是近幾年發(fā)展起來的新型三維測繪儀器。后兩種儀器是工業(yè)測量中常用的儀器。

2.1 衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)所獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)是地心直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，是真正的三維測量系統(tǒng)。其測量精度非常高，雙頻GPS的點(diǎn)差分測量精度可到業(yè)毫米級。目前有一種錯(cuò)誤的做法，將衛(wèi)星定位的結(jié)果轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系，與傳統(tǒng)的2+1維測量結(jié)果進(jìn)行比較，其差值肯定很大。原因是二維測量受大地水準(zhǔn)面不精確的影響，精度較差。

2.2 全站儀

全站儀可以同時(shí)測量角度和距離，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維測量儀器。但在傳統(tǒng)的2+1維測量中，采用水準(zhǔn)面作為基準(zhǔn)面，使其結(jié)果受到大地水準(zhǔn)面精度的影響。

2.3 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是近幾年發(fā)展起來的一種三維測量儀器，由于其掃描速度快、點(diǎn)位精度高、點(diǎn)密度高，應(yīng)用普及速度非常快。該儀器不依賴于水準(zhǔn)面，不受大地水準(zhǔn)面精度的影響。

3 發(fā)展方向

三維測量技術(shù)在儀器方面已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備，但在標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定、理論方面的研究、軟件方面的研制、三維地理信息系統(tǒng)研究、三維測量與2+1維測量的關(guān)系等方面還有很多問題需要研究，是今后的發(fā)展方向。

3.1 三維地理信息系統(tǒng)研究

眾所周知，測繪是GIS的前端系統(tǒng)，有了三維測繪的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三維GIS了。要加強(qiáng)3DGIS的研究，盡快研制出3DGIS軟件系統(tǒng)。

3.2 三維測量的理論研究

從2+1維系統(tǒng)進(jìn)入到三維系統(tǒng)，雖然坐標(biāo)維數(shù)沒有增加，但復(fù)雜性卻大大增加。2+1維空間實(shí)際上是一個(gè)鳥瞰空間，只描述了從上往下看地球表面的情況。而真正的三維空間不僅從上往下看，還要從下往上看，從里往外看，從外往里看，從左往右看，從右往左看，從前往后看，從后往前看，也就是要全方位地表達(dá)目標(biāo)。要研究這種系統(tǒng)下對空間目標(biāo)的測量、存儲、管理、查詢、傳輸和表達(dá)方法。

3.3 三維測量軟件研制

現(xiàn)在不論是大地(控制)測量軟件還是數(shù)字化測圖軟什，都是基于2+1維系統(tǒng)的軟件。必須在三維測量理論的基礎(chǔ)上研制三維測量軟件系統(tǒng)。

4 攝影測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

攝影測量技術(shù)已越來越廣泛地在城市和工程測繪領(lǐng)域中得以應(yīng)用。攝影測量由于高質(zhì)量、高精度的攝影測量儀器的研制生產(chǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用，使得其能夠提供完全的、實(shí)時(shí)的三維空間信息，不僅不需要接觸物體，而且減少了外業(yè)工作量，提高了測量精度，提高了效率，并能提供品種繁多的成果。在城市和工程大比例尺地形測繪、地籍測繪、公路、鐵路以及長距離通訊和電力選線、描述被測物體狀態(tài)、建筑物變形監(jiān)測、文物保護(hù)和醫(yī)學(xué)上異物定位中都起到了一般測量難以起到的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。由于全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站的出現(xiàn)，為攝影測量技術(shù)應(yīng)用提供了新的技術(shù)手段和方法，該技術(shù)已在一些大中城市和大型工程勘察單位得以引進(jìn)和應(yīng)用。由于技術(shù)在攝影中的應(yīng)用，大量減少并加快了野外控制點(diǎn)聯(lián)測工作，大大提高了航測成圖的效率與效益，使得工程攝影測量向自動化、數(shù)字化方向邁進(jìn)。

5 測繪傳感器的研究

GPS接收機(jī)、馬達(dá)驅(qū)動的全站儀、CCD數(shù)碼相機(jī)以及工程巖土位移伸縮計(jì)等都屬于傳感器。當(dāng)今，高精度和實(shí)時(shí)性是保證結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型工程安全施工和運(yùn)營的重要保障。這就要求不同知識和專業(yè)領(lǐng)域的科技人員共同合作，較全面地了解和掌握工程的安全狀態(tài)，以綜合分析建筑物的實(shí)時(shí)狀態(tài)。因此，也就需要充分利用傳感器的自動化和高精度的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、處理和表達(dá)。

6 大型和精密工程測量與工業(yè)測量得到迅速發(fā)展

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，大型工程建設(shè)以及工業(yè)自動化生產(chǎn)線和超高精度的設(shè)備安裝及大型工程建造與運(yùn)營過程的安全監(jiān)測等不斷增加，都對工程測量工作提出了新的更高的特殊要求。為了保證這些規(guī)模巨大、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備精尖和生產(chǎn)過程高度自動化的建設(shè)工程和工業(yè)生產(chǎn)，按設(shè)計(jì)要求順利施工、安裝和正常生產(chǎn)運(yùn)營，并保證質(zhì)量和安全，需要采用高精度的特殊方法進(jìn)行測量保障，便形成了特種精密工程測量和工業(yè)測量。特種精密工程測量是將現(xiàn)代大地測量學(xué)和計(jì)量學(xué)等學(xué)科最新成就結(jié)合起來，運(yùn)用現(xiàn)代測繪技術(shù)新理論、新方法和新技術(shù)，使用專用的儀器和設(shè)備，以高精度與高科技的特殊方法和技術(shù)，應(yīng)用于特種工程和工業(yè)生產(chǎn)的測量工作。

7 結(jié)語

三維測繪技術(shù)、地下管線智能化探測與管理技術(shù)、數(shù)字城市地理空間框架是工程測量技術(shù)今后幾年的重要發(fā)展方向。由于工程測量技術(shù)領(lǐng)域涉及的范圍廣，還有可能出現(xiàn)新的重要發(fā)展領(lǐng)域，我們要隨時(shí)關(guān)注工程測量新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，努力推動和促進(jìn)我國的工程測量技術(shù)趕上和超過世界先進(jìn)水平，使工程測量技術(shù)向電子化、自動化、數(shù)字化、信息化方向邁進(jìn)。這是工程測量技術(shù)發(fā)展的基本目標(biāo)。

[1]葉飛.淺談工程測量與三維測繪技術(shù)的發(fā)展[J].沿海企業(yè)與科技，2010-02-20.