論現(xiàn)代工程測量技術(shù)的發(fā)展與工程測量教學(xué)改革

龔振文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院，云南昆明 650201)

0 引言

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)明，現(xiàn)代化測繪技術(shù)不斷出現(xiàn)新手段、新設(shè)備、新策略，在應(yīng)用范圍上也不斷擴展，社會對測繪專業(yè)人才的需求越來越高，對學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)也提出了更高的要求，這就促使學(xué)校教育要能夠跟得上日新月異的測繪學(xué)發(fā)展步伐，培養(yǎng)出具有技術(shù)型、應(yīng)用型及生產(chǎn)第一線型的符合社會需求的高素質(zhì)復(fù)合型工程測量技術(shù)人才，急需提高我校水利土木工程專業(yè)學(xué)生的測量動手能力和工程創(chuàng)新能力。

現(xiàn)代化測繪技術(shù)更新?lián)Q代較快，現(xiàn)有的測量實驗教學(xué)體系已不適應(yīng)信息社會對工程技術(shù)人員要求，如測量儀器陳舊，實驗教學(xué)內(nèi)容、方法落后，針對此問題從教學(xué)方法、考核方法等多方面進行改革探索，以促使測量實驗實習(xí)教學(xué)適應(yīng)現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展要求，并最終達到提高學(xué)生測量能力的目標(biāo)。

1 當(dāng)前工程測量課程教學(xué)中存在的問題

測量課程內(nèi)容及教材，測量儀器老化，無法適應(yīng)信息社會對工程人才要求，受舊的思維限制，對測繪新技術(shù)，新儀器重視不足，只將理論教學(xué)作為主體，把測量實驗看作附屬，其實測量實驗教學(xué)與理論教學(xué)同等重要，而且測繪技術(shù)發(fā)展迅猛，教學(xué)要不斷加入測繪新技術(shù)，新儀器內(nèi)容，測量教學(xué)才有生機，充滿活力?？臻g技術(shù)，信息技術(shù)，三維測繪技術(shù)，新型測繪儀器出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)測量教學(xué)體系，而學(xué)生還在使用光學(xué)測量儀器，空間技術(shù)和信息技術(shù)內(nèi)容都沒有實驗條件，所講內(nèi)容、方法和手段都與社會脫節(jié)，測量教學(xué)改革勢在必行。

2 現(xiàn)代工程測量技術(shù)的發(fā)展

2.1 三維測繪技術(shù)

1)三維測繪技術(shù)概述。

從前的測量是通過測量角度、距離、高差來計算大地平面坐標(biāo)和高程?？傮w上都是基于2+1維理論建立起來的測量體系，不是一體化得到地面點三維坐標(biāo)，即測量坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)是分開的，但現(xiàn)實中我們看到的都是三維景象。測繪最終是向三維測繪發(fā)展。

三維測繪儀器包括GPS測量系統(tǒng):GPS定位系統(tǒng)所獲得的點位坐標(biāo)是地心直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，是真正意義上的三維坐標(biāo)，其次是全站儀，可以同時獲得點的三維坐標(biāo)。還有三維激光掃描儀，它是三維測量儀器，應(yīng)用廣泛，該儀器不依賴于水準(zhǔn)面，不受大地水準(zhǔn)面精度的影響。

三維測繪技術(shù)也應(yīng)用于工程建設(shè)，在工程規(guī)劃中，城市規(guī)劃，特別是舊城改造規(guī)劃，已經(jīng)開始使用三維規(guī)劃。在工程設(shè)計中，現(xiàn)在三維工程設(shè)計已經(jīng)出現(xiàn)，三維CAD的軟件已經(jīng)普及。工程設(shè)計所需現(xiàn)狀圖也是三維影像地形圖，這也要求我們必須實現(xiàn)三維測繪，同理進行三維設(shè)計，在工程施工中，施工都是立體的吊裝式施工，因此要進行三維施工測量，有了三維測繪的數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)三維GIS了。

攝影測量由于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)普及和應(yīng)用，已能夠提供完全的、實時的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，省時省力，高效，不受地形限制。已應(yīng)用到大比例尺地形測繪、公路、鐵路以及渠道和電力選線、建筑物變形監(jiān)測。

2)三維激光測量技術(shù)。

三維激光掃描測量技術(shù)采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維坐標(biāo)，能應(yīng)用在隧洞斷面三維測繪、水電站工程繪制大比例尺地形圖、大型建筑的變形監(jiān)測等。

3)全景真三維影像技術(shù)。

航空攝影測量與遙感技術(shù)能在大范圍內(nèi)獲得三維坐標(biāo)。全景真三維技術(shù)是通過機載方式獲取的多角度傾斜影像數(shù)據(jù)、機載激光掃描系統(tǒng)獲取的地面高程數(shù)據(jù)進行解算合成處理，高度自動化的直接生成全景真三維立體影像。真三維實景影像技術(shù)具有“真實、快速、完整、高精度”等特點，突破了迄今為止虛擬三維技術(shù)在實際應(yīng)用中的一個瓶頸，提供了可以顯示高清晰度、真實三維圖像的方法，使每個像元都有真三維的坐標(biāo)，從而使得表現(xiàn)出的三維物體既有心理景深又有物理景深，為理解三維圖像和其中物體之間的空間關(guān)系提供了獨特的手段，是一種全新、開創(chuàng)性的三維景觀建設(shè)手段，將用戶引入了完全符合人眼視覺的真實的、高精度、完整性和一致性的直觀世界，因而具有極高的科學(xué)、社會和商業(yè)價值。全景真三維影像數(shù)據(jù)可以將地形、景觀、水文、地質(zhì)等要素的空間信息和屬性信息生成三維數(shù)據(jù)，為規(guī)劃管理、數(shù)字城市、城市建設(shè)等提供各種專業(yè)數(shù)據(jù)，例如北京奧運會就用到全景真三維影像技術(shù)，為各國運動員展示各比賽場館情況。

4)三維地圖。

三維影像地圖以可視化的數(shù)字地圖為背景，用文本、圖片、圖表、聲音、動畫、視頻等多種媒體為表現(xiàn)手段綜合展示地區(qū)、城市、旅游景點等區(qū)域綜合面貌的現(xiàn)代信息產(chǎn)品，城區(qū)三維地圖面世，整個城市一目了然，能實時、動態(tài)的提供定位導(dǎo)航等功能。三維數(shù)字地圖，將地貌信息立體化，非常直觀、真實準(zhǔn)確地反映地貌狀況，并可查尋任意點的平面坐標(biāo)、經(jīng)緯度和高程值。導(dǎo)航三維影像地圖是將三維影像地圖與導(dǎo)航技術(shù)及GPS綜合運用，用電子導(dǎo)航地圖可以為交通運輸工具導(dǎo)航。三維動態(tài)地圖展示玉樹地震，［視頻］甘肅舟曲三維地圖，災(zāi)區(qū)的立體三維地圖。昆明三維立體地圖可以在電腦上看到一個完整仿真昆明城市全貌。四川省地震災(zāi)區(qū)的立體三維地圖指導(dǎo)搶險救災(zāi)，三維地圖全面了解汶川搶險救災(zāi)最新進展。三維可視化地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到城市規(guī)劃，公安，交通指揮，國圖方面。

大眾版“天地圖”應(yīng)用到社會各行各業(yè)。E都市三維地圖已應(yīng)用到我國各省城市中，E都市三維城市導(dǎo)航系統(tǒng)全面應(yīng)用到交通運輸業(yè)，在滇池流域制作3D數(shù)字地圖，進行滇池生態(tài)環(huán)境保護，再現(xiàn)云南高原明珠風(fēng)采。重慶市在主城公交站試點三維地圖，方便市民出行。云南旅游大省，用三維地圖開展麗江古城網(wǎng)上三維游，欣賞實景三維模擬之萬古樓。昆明居民投訴可查“電子地圖”。三維地圖也將推廣到云南省農(nóng)村。

5)水底地形圖測繪。

在過去測量水底地形圖受到了很大的限制，以當(dāng)時的生產(chǎn)力只能使用測深錘和測深桿進行測量，這種測量不僅受到河流的限制，測量數(shù)據(jù)也有很大偏差，現(xiàn)在已經(jīng)利用聲納、電磁波發(fā)明設(shè)計出一起進行精確測量的方法，在國家大的海底項目已經(jīng)開始使用深海潛水器進行精確海底地形測量。

6)立體測圖衛(wèi)星。

衛(wèi)星定位及測圖是三維測繪技術(shù)集中代表，我國計劃建立測繪遙感衛(wèi)星體系，可以從全球任何位置收到衛(wèi)星影像，資源3號遙感衛(wèi)星是高分辨率光學(xué)立體測圖衛(wèi)星，是第一顆民用立體測繪衛(wèi)星，是千里眼，既能看清楚，又能看到很廣的范圍，能分辨汽車形狀，我國高分辨率測繪衛(wèi)星投入使用后精度可達1∶50 000。衛(wèi)星攝影測量能進行全球測繪，可繪制所需高清晰影像地圖。

2.2 工程測量教學(xué)內(nèi)容改革

以三維測繪技術(shù)為前提，進行課程內(nèi)容體系設(shè)計:

把三維測繪技術(shù)及儀器與測，繪，算三大基本有機功能結(jié)合講解，三維測繪技術(shù)及儀器與6個教學(xué)方面即:

1)測繪工作的基本理論與方法;

2)測繪儀器的工作原理與使用;

3)地球上點位，方位的測定方法與思路;

4)地圖基本知識與地形圖測繪原理與方法;

5)測量誤差基本知識與應(yīng)用;

6)工程施工測量。

將上述幾方面串聯(lián)一起講，把傳統(tǒng)與現(xiàn)代有機結(jié)合。課程體系主線是地球形狀和大小，地圖基本知識，小區(qū)域控制測量，測繪儀器原理與使用，點位和方位的測定，大比例尺地形圖測繪，各種施工測量，使學(xué)生有需要的測繪基本技能，測繪理論與技術(shù)，一般施工測量必備的基本理論和技術(shù)。

總之地球是三維，測量儀器是三維，測出坐標(biāo)是三維，測的地圖是三維，看地圖也是三維，工程規(guī)劃，設(shè)計，放樣，變形觀測也是三維的。

2.3 工程測量技術(shù)的發(fā)展展望

1)測量機器人可實現(xiàn)對目標(biāo)的快速判別、鎖定、跟蹤、自動照準(zhǔn)和高精度測量，可以在大范圍內(nèi)實施高效的遙控測量。第二炮兵地質(zhì)監(jiān)測機器人首次亮相救災(zāi)戰(zhàn)場，發(fā)現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。拓普康IS影像型三維掃描全站儀全面應(yīng)用，測量機器人可進行三維測量控制網(wǎng)自動觀測，也可對水電站工程高邊坡進行三維變形觀測。

2)激光跟蹤儀是一種精密三維坐標(biāo)測量儀器，適合于航空航天、汽車制造、電子、高能粒子加速器工程的設(shè)備檢測與安裝，以及大尺寸工件配裝測量等。對空間運動目標(biāo)進行跟蹤并實時測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。

3)超站儀。

超站儀把全站儀和GPS融為一體，能夠?qū)y站進行精確的定位。這種方法可以測量任意的地點，不必后視。在測量的過程中沒有必要設(shè)置控制點，簡捷，準(zhǔn)確。

4)車載式三維空間移動測量系統(tǒng)。

能完成建筑物立面、街道街景、路面狀況、市政元素等空間綜合信息的快速獲取，為城市和眾多工程建設(shè)提供高速度、高精度測繪產(chǎn)品。

5)影像城市。

用移動測量技術(shù)將現(xiàn)實世界的城市影像信息元素在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布出來，公眾可通過網(wǎng)站進行旅游規(guī)劃、生活咨詢等，也可為政府部門如城市建設(shè)和管理部門提供地理信息支持平臺，如對房地產(chǎn)、交通燈、環(huán)衛(wèi)設(shè)施等的管理，可量測實景影像DMI的空間信息服務(wù);可與空間信息網(wǎng)格服務(wù)、空間信息自動化、智能化、實時化服務(wù)有機結(jié)合，實現(xiàn)空間信息大眾化，為全社會、全體公民提供直接服務(wù)。

2.4 信息化測繪時代工程測量的發(fā)展

由于城市的發(fā)展和廠礦改造需要，城市地下管線的防腐、防漏的探測已迫在眉睫，這就要求工程測量服務(wù)向更加廣泛的領(lǐng)域發(fā)展，在傳統(tǒng)工程測量的基礎(chǔ)上，還應(yīng)向控制測量、地形測量、放樣定位、工程檢測與監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)管理以及地下管線探測等方向發(fā)展。

1)工程控制測量。

傳統(tǒng)的平面及高程控制測量已將成為歷史，GPS三維空間控制網(wǎng)已普及。GPS與高精度全站儀，高精密的數(shù)字水準(zhǔn)儀相配合，在各級工程控制測量，地形測圖，工程放樣，工程建筑物變形觀測的廣泛應(yīng)用，使三維工程測量向智能化和自動化方向發(fā)展，使工程測量更加準(zhǔn)確、方便、快捷。

2)工程地形圖測繪。

工程建設(shè)中，小面積區(qū)域用全站儀野外數(shù)字化成圖。大面積區(qū)域也可利用遙感影像數(shù)據(jù)制作數(shù)字正射影像圖。由全站儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、數(shù)碼相機等多種傳感器組成的內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)采集與制圖系統(tǒng)應(yīng)用到大型工程項目。數(shù)字?jǐn)z影測量遙感圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用到大型水利樞紐、港口、機場、公路、鐵路高壓輸送電線路選線等。隨著高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z影測量遙感圖像處理系統(tǒng)在城市城鎮(zhèn)空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新和信息數(shù)據(jù)的獲取中，極具發(fā)展前景。機載激光掃描測繪系統(tǒng)，利用激光掃描測繪系統(tǒng)可以方便地獲取城鎮(zhèn)、工程場域的地面模型或數(shù)字表面模型。

3)工程測量。

a.地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng):地下管線探測是工程測量最重要內(nèi)容之一。地下管線探測主要包括三部分:地下管線探測;地下管線測繪;地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)的建立。應(yīng)用GIS技術(shù)建立地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，是城鎮(zhèn)及大型廠礦建立空間信息管理系統(tǒng)的重要部分。b.建立工程測繪數(shù)據(jù)庫及工程信息管理系統(tǒng):把工程信息輸入到工程測繪數(shù)據(jù)庫及工程信息管理系統(tǒng)，以便適應(yīng)信息化測繪要求。

2.5 用現(xiàn)代信息技術(shù)及測繪工程實例進行最新測繪技術(shù)傳授

用現(xiàn)代化，綜合化，個性化，信息化等高效最優(yōu)化的教學(xué)方法講授最新工程測量技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)課堂，虛擬測量儀器，遠程教學(xué)建設(shè)立體化，全球化，全方位，動態(tài)交互式信息教學(xué)方式，展示現(xiàn)代測繪技術(shù)，打破傳統(tǒng)課堂時空限定。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進信息化手段和工具，把現(xiàn)代工程測量課程建設(shè)成以面向校園，面向社會的超越時間、超越空間的虛擬大講堂，教學(xué)中時時處處把最新工程測量技術(shù)與傳統(tǒng)測量教學(xué)內(nèi)容融為一體，把最新中國應(yīng)用測繪技術(shù)實例融合于教學(xué)中，如上海天文臺成功完成對嫦娥方位角測量，3艘遠望號赴太平洋負(fù)責(zé)嫦娥2號發(fā)射測控，嫦蛾3號登月工程38萬km的太空導(dǎo)航，月球登陸點定位，月球大地坐標(biāo)系建立，登月車在月球漫步，五星紅旗插入月球，都顯示出三維測繪技術(shù)的應(yīng)用價值。成都軍區(qū)衛(wèi)星定位空中偵察叢林提升打擊精度，無人機航拍獲取立體測繪影像，青海機載雷達影像評估玉樹災(zāi)情，嫦娥3號將首次探測月球地下結(jié)構(gòu)，數(shù)字三維國土資源輔助決策系統(tǒng)，衛(wèi)星攝影測量全球測繪，繪制高清晰影像地圖，三維地圖:帶人們逛遍昆明市?？茖W(xué)家首次繪制南極洲三維海冰地圖。上海三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，北京三維立體地圖透視地下景觀，“千里眼”高分系統(tǒng)—高分辨率對地觀測系統(tǒng)，海南首次采用雷達衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)制作完成暴雨災(zāi)情專題地圖。三維數(shù)字地理信息系統(tǒng)在遼寧電網(wǎng)中的應(yīng)用，測繪無人機將在全國范圍推廣，三維地理信息服務(wù)引領(lǐng)時代未來，衛(wèi)星監(jiān)控高原農(nóng)情，指導(dǎo)云南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展高原特色農(nóng)業(yè)(茶，三七，煙草種植)。教學(xué)中強調(diào)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對經(jīng)濟社會發(fā)展意義重大，增加學(xué)生時代使命感，激勵學(xué)生用心描繪山川大地，測繪家鄉(xiāng)，富民興滇。勇挑重?fù)?dān)，愿作云南工程建設(shè)的探路先鋒，教育學(xué)生量天測地，學(xué)好測量報效祖國。

3 結(jié)語

在工程建設(shè)當(dāng)中，工程測量必不可少，工程測量對于精度和速度的要求較高，測量精度影響工程的質(zhì)量。用先進的測量技術(shù)和儀器，從而保證測量數(shù)據(jù)的精度和速度，使工程順利進行，保證工程質(zhì)量和安全。測繪工作就是提供決策參考，服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展。要構(gòu)建三維地理信息平臺，提速數(shù)字云南建設(shè)，測量教學(xué)應(yīng)跟上時代，全面?zhèn)魇谧钚聹y繪技術(shù)，提高學(xué)生的現(xiàn)代工程測量崗位素質(zhì)和最新測量技術(shù)能力，才能為云南工程建設(shè)輸送現(xiàn)代新型測繪人才。

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［2］王 丹.工程測量的發(fā)展與需求［J］.測繪通報，2003(9):3-5.

［3］張遠智.用激光掃描獲取城市空間精細三維數(shù)據(jù)［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2004(2):61-63.