GIS技術(shù)對(duì)工程測(cè)量的影響分析

李 艷，李 政，曹志剛，張維凱

(河北科技師范學(xué)院a 城市建設(shè)學(xué)院；b 體育系，河北 秦皇島，066004)

GIS技術(shù)對(duì)工程測(cè)量的影響分析

李 艷a，李 政a，曹志剛a，張維凱b

(河北科技師范學(xué)院a 城市建設(shè)學(xué)院；b 體育系，河北 秦皇島，066004)

從GIS技術(shù)在工程測(cè)量中的智能化的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、空間關(guān)系和屬性特征的查詢(xún)功能、科學(xué)的空間分析功能、三維GIS的可視化表達(dá)等4個(gè)主要應(yīng)用方面入手，分析了在GIS技術(shù)的推動(dòng)下現(xiàn)代測(cè)量學(xué)的發(fā)展方向，以及工程測(cè)量學(xué)的新目標(biāo)。

工程測(cè)量；GIS技術(shù)；發(fā)展方向

科技水平的提高和社會(huì)建設(shè)進(jìn)度的加快，促使工程建設(shè)中的技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新得到了飛速發(fā)展，測(cè)繪科學(xué)經(jīng)過(guò)多個(gè)階段的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了信息化時(shí)代，出現(xiàn)了測(cè)繪三新(新理論、新技術(shù)、新儀器)[1]，傳統(tǒng)的工程測(cè)量技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代工程建設(shè)快速、準(zhǔn)確的需求，因此工程測(cè)量課程的教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷更新測(cè)繪儀器和方法的同時(shí)，注重新技術(shù)、新科學(xué)的綜合應(yīng)用，從單一學(xué)科走向多學(xué)科的交叉，重在培養(yǎng)信息社會(huì)所需的現(xiàn)代測(cè)繪人才。

現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)主要是由傳統(tǒng)測(cè)繪向數(shù)字化測(cè)繪、信息化測(cè)繪的轉(zhuǎn)換，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息科學(xué)、空間科學(xué)知識(shí)，以“3S”(全球定位系統(tǒng)-GPS，遙感-RS，地理信息系統(tǒng)-GIS)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)作業(yè)的一體化、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化、測(cè)繪內(nèi)容的數(shù)字化、信息管理的可視化、信息發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)化、測(cè)繪數(shù)據(jù)服務(wù)的大眾化[2]?，F(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的自動(dòng)化、智能化降低了人工作業(yè)負(fù)擔(dān)，同時(shí)提升了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)地理空間信息資源的融合和增值服務(wù)，為社會(huì)提供多尺度、多方位、多形式的服務(wù)。

1 概 述

地理信息是工程建設(shè)的一個(gè)巨大信息源，也是一切工程建設(shè)的基礎(chǔ)資料，實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、更新和利用是現(xiàn)代測(cè)繪的主要任務(wù)。地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)是以數(shù)字信息的形式描述地球上的各種客觀實(shí)體，在計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，存儲(chǔ)、管理、顯示、處理和應(yīng)用地理空間數(shù)據(jù)，具有特定的空間查詢(xún)、分析和表達(dá)功能，是一種數(shù)字化的地理數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[3]。它能夠及時(shí)又準(zhǔn)確地提供有關(guān)區(qū)域分析、方案優(yōu)選、戰(zhàn)略決策等方面的地理信息。

GIS的操作對(duì)象是空間數(shù)據(jù)，大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量和遙感技術(shù)為GIS中的空間實(shí)體提供不同比例尺和精度的空間數(shù)據(jù)。在測(cè)量中應(yīng)用GIS技術(shù)有利于大量數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)，能夠?qū)⒌乩頂?shù)據(jù)以地圖圖形的方式顯示出來(lái)，便于生成電子地圖，清晰直觀地看出地理空間的分布情況，明確地形特征，為各項(xiàng)社會(huì)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。在現(xiàn)代測(cè)繪人才的培養(yǎng)過(guò)程中，對(duì)于測(cè)繪專(zhuān)業(yè)及工程建設(shè)類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在講授工程測(cè)量學(xué)的基礎(chǔ)上概述地理信息系統(tǒng)的相關(guān)理論與技術(shù)，并應(yīng)用于工程測(cè)量中，有助于學(xué)生準(zhǔn)確、快捷地處理、分析測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制電子地圖，實(shí)現(xiàn)地理空間信息的可視化表達(dá)，并獲取各項(xiàng)應(yīng)用的專(zhuān)題信息，進(jìn)一步拓展工程測(cè)量的服務(wù)面。

2 GIS技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 智能化的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用

地形測(cè)量的一項(xiàng)重要應(yīng)用是繪制地形圖，地形圖測(cè)繪方法由傳統(tǒng)的大平板儀測(cè)圖法和經(jīng)緯儀測(cè)圖法轉(zhuǎn)變?yōu)槿緝x數(shù)字成圖、航空攝影測(cè)量、三維立體激光掃描成圖等數(shù)字化測(cè)圖方法。隨著地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GIS的空間分析功能不斷增強(qiáng)和完善，地形圖測(cè)繪不再是簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、面數(shù)字測(cè)圖，更重要的是實(shí)現(xiàn)測(cè)量成果的共享、分發(fā)和多行業(yè)利用[4,5]。

圖1 2010年和2015年全國(guó)各省GDP統(tǒng)計(jì)圖

在測(cè)量數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用GIS技術(shù)，可以智能地完成數(shù)據(jù)的輸入，避免了傳統(tǒng)測(cè)量中人工識(shí)別、計(jì)算、展點(diǎn)制圖可能產(chǎn)生的誤差。GIS系統(tǒng)龐大的容量可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的管理，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)量中數(shù)據(jù)管理的難題。在測(cè)繪成圖方面，GIS技術(shù)便于生成電子地圖，取代傳統(tǒng)的手繪紙質(zhì)地圖，可以靈活地轉(zhuǎn)換地圖顯示比例尺、地圖投影、地理坐標(biāo)系及數(shù)據(jù)格式，同時(shí)簡(jiǎn)化繪圖步驟，降低人工作業(yè)負(fù)擔(dān)和成本，提高了作業(yè)效率和準(zhǔn)確性[6]。此外，GIS系統(tǒng)可以同時(shí)儲(chǔ)存空間定位信息和非空間屬性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的定位、定性和定量描述，這是GIS區(qū)別于其他類(lèi)型信息系統(tǒng)的根本標(biāo)志。地理信息系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有原始數(shù)據(jù)的多重性質(zhì)，可以根據(jù)不同需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次分類(lèi)組織和提取。如可根據(jù)空間實(shí)體屬性信息的差異，用色彩、線條、符號(hào)、注記等不同形式將其展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)題地圖的表達(dá)，更加直觀形象地呈現(xiàn)出不同地理實(shí)體的一個(gè)或多個(gè)屬性特征，提升傳統(tǒng)制圖方法的表達(dá)效果。圖1為以中國(guó)各省份的空間位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)各省份2010年和2015年GDP的屬性信息制作的全國(guó)各省GDP統(tǒng)計(jì)圖。

2.2 空間關(guān)系和屬性特征的查詢(xún)功能

查詢(xún)和定位空間對(duì)象，并對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行量算是地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，通過(guò)GIS空間查詢(xún)功能可以查找某測(cè)量對(duì)象的位置和空間范圍以及它們的屬性，或按照某一條屬性記錄可以查詢(xún)到對(duì)應(yīng)的空間實(shí)體，從而進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析[3]。GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間實(shí)體的簡(jiǎn)單查詢(xún)，如根據(jù)鼠標(biāo)所指示的空間位置，可以查找出該位置的空間實(shí)體及其對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的所有屬性，或按照某一屬性記錄可以查詢(xún)到對(duì)應(yīng)的空間實(shí)體。而對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)查詢(xún)功能一般有3大類(lèi)[7]：基于屬性特征查詢(xún)，如查詢(xún)一條測(cè)量線路經(jīng)過(guò)哪些站點(diǎn)；基于空間關(guān)系查詢(xún)，如查詢(xún)某一測(cè)區(qū)范圍內(nèi)所包含的控制點(diǎn)；結(jié)合空間關(guān)系和非空間屬性的查詢(xún)，此查詢(xún)需要通過(guò)一種空間擴(kuò)展SQL語(yǔ)言進(jìn)行查詢(xún)，如查詢(xún)距離某條河流500 m以上(空間關(guān)系)、屬于建筑用地(屬性)、且面積大于800 km2(可以通過(guò)空間計(jì)算，也可以查詢(xún)屬性)的土地利用單元。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)有效的將空間信息和屬性信息連接在一起，使空間查詢(xún)功能更加便捷、高效，提高了工程測(cè)量的信息查詢(xún)技術(shù)水平。圖2為以中國(guó)地圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，查詢(xún)中國(guó)2015年GDP總量大于5萬(wàn)億的省份分布情況，并關(guān)聯(lián)瀏覽其屬性表，在地圖中高亮顯示查詢(xún)結(jié)果，如果選擇屬性表中的某一個(gè)省份，地圖窗口會(huì)自動(dòng)定位到該省的空間位置。

圖2 中國(guó)2015年GDP總量大于5萬(wàn)億的省份分布

2.3 科學(xué)的空間分析功能

空間分析是地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，它最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)空間信息的提取、表現(xiàn)和傳輸功能。GIS中實(shí)現(xiàn)空間分析的基本功能，包括空間查詢(xún)與量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統(tǒng)計(jì)分類(lèi)分析等[8,9]。通過(guò)GIS技術(shù)可以對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理，分類(lèi)、分級(jí)顯示。空間索引功能可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中快速檢索出被選空間實(shí)體及其屬性列表，之后根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

在建筑工程中應(yīng)用最多的是數(shù)字地形模型分析，簡(jiǎn)稱(chēng)地形分析，是指用數(shù)字化的形式來(lái)表達(dá)地形信息，從而用于自動(dòng)計(jì)算地形因子數(shù)據(jù)，如坡度、坡向、曲面面積[7]。數(shù)字地形模型是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述，當(dāng)?shù)匦螌傩詾楦叱虝r(shí)稱(chēng)為數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，在測(cè)繪中用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測(cè)，在工程勘測(cè)與設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用于各種線路的選線、建筑物的選址等。例如，可以通過(guò)地形分析自動(dòng)提取各種地形因子，制作地形剖面圖和劃分地表形態(tài)類(lèi)型等。剖面表示表面高程沿某條線(截面)的變化。研究某個(gè)截面的地形剖面，概括研究區(qū)域的地勢(shì)、地質(zhì)和水文特征，包括區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)、輪廓形狀、絕對(duì)與相對(duì)高度、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度和侵蝕因素等，非常有利于修筑道路的難度評(píng)定或?qū)ρ刂付肪€鋪設(shè)鐵路線的可行性評(píng)估，也可作為計(jì)算土方量的依據(jù)。如圖3中所示，對(duì)(a)圖中的柵格表面進(jìn)行剖面分析，得到的剖面線和剖面圖如圖(b)。

除此之外，地形數(shù)據(jù)還可以與各專(zhuān)業(yè)部門(mén)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，如進(jìn)行土地利用規(guī)劃研究等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖3 地形剖面分析圖

2.4 三維GIS的可視化表達(dá)

傳統(tǒng)測(cè)量中地形圖成果通常以紙質(zhì)地圖或在CASS等制圖軟件中以二維電子地圖的形式輸出，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量成果的二維可視化表達(dá)。但是隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，GIS中呈現(xiàn)出了一種動(dòng)態(tài)的、交互式的三維可視化產(chǎn)品，使得現(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體可以用形象、直觀的三維空間圖形的模型加以表達(dá)[10,11]。

三維GIS技術(shù)是GIS技術(shù)的拓展和延伸，三維GIS的表達(dá)是在二維GIS處理X，Y軸信息的基礎(chǔ)上，將Z軸的信息投影到一個(gè)模型上，使X，Y，Z三軸信息均被顯示，能夠表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系和垂向關(guān)系，從而將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢?jiàn)的地理信息[12]。當(dāng)前的三維GIS有以下幾種：

(1)DEM地形數(shù)據(jù)和地面正射影像紋理疊加在一起，形成三維的虛擬地形景觀模型。還可以將DEM的分析結(jié)果，如坡度分析、坡向分析等數(shù)據(jù)疊加進(jìn)去，呈現(xiàn)更強(qiáng)的可視化功能。圖4所示為將DEM數(shù)據(jù)、三維暈渲圖及等高線進(jìn)行疊加顯示的效果。

(2)在虛擬地形景觀模型上，將地面建筑物豎起來(lái)，形成城市三維GIS。如以房屋建筑的平面位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)每幢房屋進(jìn)行高度拉伸，設(shè)置墻面及頂面紋理貼圖，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單三維表達(dá)。圖5是地物二、三維表達(dá)對(duì)照?qǐng)D，(a)圖為建筑、樹(shù)木、水池等地物的二維地圖，(b)圖為其對(duì)應(yīng)的三維模型。

圖4 DEM，三維暈渲圖、等高線疊加顯示

(3)真三維GIS。它強(qiáng)調(diào)地上下、室內(nèi)外三維空間實(shí)體的集成表示，不僅表達(dá)三維物體的表面，也表達(dá)物體的內(nèi)部，如礦山等三維實(shí)體不僅表面呈不規(guī)則狀，而且內(nèi)部物質(zhì)也不一樣。但是，快速獲取大范圍復(fù)雜目標(biāo)的高精度多細(xì)節(jié)層次的三維幾何模型仍存在一定困難，而詳細(xì)的室內(nèi)和地下三維自動(dòng)建模更具挑戰(zhàn)性。

圖5 地物二維、三維表達(dá)對(duì)照?qǐng)D

此外，還可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality)，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)，以及人的形體、手勢(shì)或口令，參與到地理信息處理的環(huán)境中去，給人以更真實(shí)的感受，為傳統(tǒng)測(cè)量成果的展現(xiàn)形式帶來(lái)了全新局面[13,14]。

3 現(xiàn)代工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展方向

測(cè)繪學(xué)是一個(gè)古老而現(xiàn)代的學(xué)科，是一個(gè)與時(shí)空信息、地理信息密切相關(guān)的信息科學(xué)[15]。目前工程測(cè)量學(xué)的內(nèi)容主要包括基本概念、基本理論和基本技能，通行模式是將內(nèi)容分為三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，即基本理論、工程應(yīng)用和技術(shù)提高3個(gè)部分[16]?；纠碚摬糠种饕ǜ叱虦y(cè)量、角度測(cè)量、距離測(cè)量三大基本內(nèi)容，及地形圖測(cè)繪與應(yīng)用；工程應(yīng)用部分包括建筑、道路、橋梁、隧道、管道、水利工程測(cè)量及工程變形測(cè)量等內(nèi)容；技術(shù)提高部分包括GPS應(yīng)用、攝影測(cè)量學(xué)、地圖學(xué)、RS技術(shù)、GIS技術(shù)及其應(yīng)用等。但是，受學(xué)時(shí)限制或教學(xué)條件等其他因素影響，大部分高校對(duì)于非測(cè)繪專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)僅定位于基本理論和工程應(yīng)用，往往忽略了技術(shù)提高部分[17]，或者僅簡(jiǎn)單講述GPS的基本原理，對(duì)于RS和GIS技術(shù)不夠重視。事實(shí)上，測(cè)繪新技術(shù)不斷出現(xiàn)和進(jìn)步，測(cè)繪方法日益更新，大范圍、快速、準(zhǔn)確的測(cè)量方法以及對(duì)大量數(shù)據(jù)的智能化管理才能滿足工程建設(shè)的飛速發(fā)展。因此，工程測(cè)量學(xué)的教學(xué)應(yīng)緊跟現(xiàn)代科技的發(fā)展步伐，在測(cè)量教學(xué)中有效地應(yīng)用現(xiàn)代科技新成就為測(cè)量學(xué)提供的新工具和手段，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，在講解測(cè)量學(xué)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，概略介紹RS、GIS等技術(shù)的研究成果。

GIS技術(shù)超高的作業(yè)效率和數(shù)字準(zhǔn)確性，為工程建設(shè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，借助GIS技術(shù)，工程測(cè)量學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取及處理的自動(dòng)化，測(cè)量成果和產(chǎn)品的數(shù)字化，測(cè)量信息管理的可視化，信息共享和傳播的網(wǎng)絡(luò)化。展望未來(lái)，工程測(cè)量學(xué)將從一維、二維發(fā)展到實(shí)時(shí)三維乃至四維，集多門(mén)學(xué)科于一體，進(jìn)一步增強(qiáng)圖形、圖像、通信和數(shù)據(jù)處理能力，測(cè)量學(xué)的服務(wù)面將進(jìn)一步拓寬，在工程設(shè)計(jì)、監(jiān)理、評(píng)估等方面，在區(qū)域規(guī)劃、交通管理、環(huán)境保護(hù)、房產(chǎn)交易等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，與其他學(xué)科的關(guān)系越來(lái)越密切，開(kāi)發(fā)各種工程專(zhuān)題信息系統(tǒng)，參與工程的決策和管理[18]。

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)多以人工測(cè)量為主，在地理信息資源以及相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、處理等過(guò)程中相對(duì)較為復(fù)雜，造成了效率低、測(cè)量效果不能滿足實(shí)際測(cè)量工程要求的局面。隨著GIS技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)量中的這些問(wèn)題，而且該技術(shù)能夠在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷延伸和發(fā)展[19]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提高、相關(guān)學(xué)科的綜合應(yīng)用，GIS技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展將為工程測(cè)量實(shí)踐及工程測(cè)量教學(xué)帶來(lái)更多的驚喜。

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(責(zé)任編輯：朱寶昌)

Influences of GIS Technology on Engineering Surveying

LI Yana, LI Zhenga, CAO Zhiganga, ZHANG Weikaib

(a College of Urban Construction; b Department of Physical Education;Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao Hebei, 066004,China)

On the basis of four main applications of GIS technology in engineering surveying including the intelligent data management and application, the inquiry function of spatial relationship and attribute characteristics, scientific spatial analysis function, visualized representation of three-dimensional GIS, the development direction of modern surveying and the new teaching target of engineering surveying were analyzed with the aids of GIS technology.

engineering surveying; GIS technology; development direction

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2016.03.013

2016-09-12

TB22

A

1672-7983(2016)03-0076-05

2014年河北科技師范學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：JYYB201421)。

李艷(1987-)，女，講師，碩士。主要研究方向：測(cè)繪技術(shù)與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。