現代測繪地理信息理論與技術發(fā)展綜述

劉超群+李貞

摘要：從傳統(tǒng)測繪學的發(fā)展概況及測繪技術和儀器工具的變革出發(fā)，探討了現代測繪地理信息理論與技術快速發(fā)展的動力源泉和模式。對當前測繪地理信息理論與技術發(fā)展概況的詳細綜述以及對我國自主研制的北斗導航定位系統(tǒng)的特別介紹，對未來測繪地理信息理論與技術發(fā)展的進行了展望和定位即：與多學科進行交叉融合，服務于現代化建設。

Abstract： Based on the development survey of the traditional surveying and mapping technology and the transformation of surveying and mapping technology and instruments， the power source and mode of modern surveying and mapping geographic information theory and technology are discussed. Overview of current surveying and mapping geographic information theory and technology development situation and on China has independently developed the Beidou navigation positioning system are especially introduced， for the future of Surveying and mapping geographic information theory and technology development of prospects and positioning：and the multi subject of cross fusion， service to the modernization construction.

關鍵詞： 傳統(tǒng)測繪學；信息化測繪；現代測繪地理信息技術；“北斗”導航衛(wèi)星系統(tǒng)；服務

Key words： traditional surveying and mapping；information mapping；modern geographic information technology；Beidou navigation satellite systems；services

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0245-03

0 引言

隨著計算機技術、空間技術和通訊技術的快速發(fā)展，測繪學理論和技術發(fā)生了天翻地覆的新變化，傳統(tǒng)測繪學理論和技術已不再能滿足當前人類社會對于“智慧城市”、“數字地球”[1]的需求。近幾十年來，現代測繪科學技術迅猛發(fā)展，我國已基本完成了從傳統(tǒng)測繪過度到數字化測繪的過渡，朝著信息化測繪前進[2]。

1 傳統(tǒng)測繪學的發(fā)展概況

測繪學是一門有著悠久歷史的學科，古時期人類的測繪技術起源于土地丈量和洪水整治。古時期埃及人使用簡單測量工具進行土地丈量。在古中國，大禹治水就運用了一些簡單的測繪技術，“左準繩，右規(guī)矩，載四時，以開九州、通九道、陂九澤、度九山”[3]。從公元前6世紀古希臘科學家最早提出“地球形概念”開始，其后，亞里士多德（Aristotle）、埃拉托斯特尼（Era-tosthenes）等進一步實驗證實，并改名為“地圓說”。“地扁說”被英國科學家牛頓和荷蘭惠更斯所提出，并用物理力學的方法證明地球是橢球體。經過幾年后，地球是橢球體這一事實被當時的科學界所認同。“大地水準面”（1873年提出）一詞被德國科學家利斯廷第一次命名并使用，用它來表示地球體的形態(tài)。蘇聯人提出“似大地水準面”（1945年提出）的說法，從而解決了重力歸算這一難題，豐富了大地測量學科理論。人類花費數千年，通過對地球形態(tài)的認識和精確測定，來不斷豐富了測繪學的理論。

2 測繪技術和儀器工具的變革

測繪儀器工具經歷了從機械式測量儀器到光學測繪儀器，再到電子自動化測繪儀器的變革。

在中國宋代，工匠用繩尺以較曲直、量長短，人們就開始使用簡單的量測距離的工具。17世紀初荷蘭人造出了世界上第一架望遠鏡。隨著望遠鏡的出世，英國誕生了第一架經緯儀（大約在1730年）。其后近300年至今，測繪儀器出現了大變革，從水準儀、平板儀、電子測距儀、全站儀、航測無人機、三維激光掃描儀，而今出現了“無所不能”的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNNS）、遙感衛(wèi)星[4]等，現代測繪儀器具備了數字化，智能化，信息化等優(yōu)勢。測繪儀器智能化、數字化使測繪作業(yè)自動化成為了可能，大大減少了人工操作所帶來的誤差，而且改變了傳統(tǒng)的測繪學理論和技術，測繪的對象也由地球擴展到月球和其他星球。

3 現代測繪地理信息技術簡介

信息化測繪是現代測繪科學技術發(fā)展的主要目標，知識創(chuàng)新和技術帶動能力是其主要的發(fā)展特征。目前，它發(fā)展成為以建立航空航天、地面和海洋等平臺來獲取外界及其目標物的特征、位置、屬性及其相互關聯的學科[5]。現代空間定位技術（GNSS）、遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）、計算機技術、通信技術和網絡技術的發(fā)展極大限度的推動了現代測繪科學技術的發(fā)展。因此，現代測繪地理信息技術主要分為地面測量技術和空間測量技術。

3.1 地面測量技術

現代測繪工作中使用的地面經典儀器已從光學儀器，發(fā)展成為光、機、電、算一體化和智能化的現代光學儀器。地面測量技術主要包括：測量機器人、三維激光掃描儀、移動測量系統(tǒng)[6]、數字近景攝影測量[7]。

①測量機器人是一種智能型電子全站儀[8]。2016年3月，人工智能“谷歌AlphaGo”以4：1的絕對優(yōu)勢戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍選手李世石，標志著人工智能技術取得的跨時代進步?，F代測繪儀器中測量機器人類似于“谷歌AlphaGo”，它集多種現代高技術于一身，通過多種傳感器對現實世界中的“測量目標物”進行識別，作出分析，得出推理結果，實行全自動操作，取代人工測量操作來完成某項特定的測量任務。目前最新的、最前沿的測量機器人產品有TCA2003（Laica公司生產）、Elta S系列（蔡司生產）、GTS-750/GPT7500系列（Topcon生產）等。endprint

②三維激光掃描儀通過不接觸目標物本身采用激光測量的方法，通過采集大量點云數據來描述目標物表面的形態(tài)位置特征。其工作原理為發(fā)射器發(fā)出高速激光來掃描目標物，接收器接收信號，并對信號進行處理，把處理的數據用軟件進行后處理，最后獲取最終測量成果數據。地面三維激光掃描中的關鍵技術有：1）點云數據的預處理。主要包括點云數據去噪及平滑、點云數據的平滑、點云數據的簡化。2）點云數據分割。3）點云數據的三維模型重建[9]。

③移動測量系統(tǒng)是一種通過把先進的傳感器和攝影儀安放在車載（通常指火車、汽車）、機載（通常指飛機）等上來快速高效地獲取測量影像數據的攝影測量系統(tǒng)，可以說，當前移動測量技術代表著當今世界最尖端的測繪科技。就一般而言，大部分移動測量系統(tǒng)都是運用3S（即GNNS全球定位系統(tǒng)，RS遙感技術，GIS地理信息系統(tǒng)）集成原理，其典型代表有：測繪車。我國于2011年9月研制出第一臺測繪車叫國家地理信息應急監(jiān)測車[10]，它利用3S技術、網絡通信技術等先進測繪地理信息技術，實現快速獲取災區(qū)實時數據，快速自動構建三維立體模型，對災情進行立體判別和解讀，為緊急救災現場預急等提供輔助決策。

3.2 空間測量技術

自古以來，人類向往太空。1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機，從此開啟了人類探索太空的新紀元[10]。近110多年來，航天航空技術得到了飛速發(fā)展，同時帶動了現代空間測量技術的快速發(fā)展和變革。1964年，美國軍方出于軍事目的建成并使用全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS），從此開啟了衛(wèi)星導航定位新時代，現代空間測量技術應運而生。目前，最主要的空間測量技術有5種，即全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，CORS系統(tǒng)[11]，遙感技術，SAR技術[12]，機載Lidar技術[13]。其中CORS系統(tǒng)是在全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)基礎上建立永久基站，用戶可以通過通訊網絡獲取實時地理位置。我國在遙感技術方面處于世界前列，目前我國已發(fā)射天匯一號01、02號，資源一號02C，資源三號，高分一號，高分二號等高分辨遙感衛(wèi)星。SAR技術又叫做合成孔徑雷達技術是一種新型的高分辨率微波成像遙感技術以其特有全天候、全天時的對地觀測優(yōu)勢可以和傳統(tǒng)的遙感技術形成互補。下面著重介紹我國的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)。

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡稱GNSS[14]，是所有在軌工作的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的總稱；我國的“北斗”導航衛(wèi)星系統(tǒng)（COMPASS）、美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、歐盟的“伽利略”（Galileo）衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及俄羅斯的“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）一起被聯合國衛(wèi)星導航委員會確認為全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其中以美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）建立最早，系統(tǒng)最為完善，導航定位服務最好，全球用戶最多。美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）由空間部分，地面控制系統(tǒng)，用戶設備部分三部分組成，其中空間部分由24顆衛(wèi)星組成（其中有3顆是備用衛(wèi)星），24顆衛(wèi)星均勻分布在傾角為55°的6個軌道面上。不考慮其他因素，理論上的GPS用戶只要接收其中任意的4顆衛(wèi)星就可以獲取位置坐標信息。近幾十年來，GPS得到了廣泛應用。我國從2000年開始建立本國自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，于2015年9月底共發(fā)射了20顆導航衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（COMPASS）由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，服務方式為免費開放服務和授權服務兩大方式，定位精度為平面25m，高程30m，測速精度0.4m/s，授時精度為50ns（納秒）。目前我國有很多測繪公司，正在研究與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)能兼容的北斗用戶終端。中國工程院院士劉經南介紹，2016年年底將建成北斗地基增強系統(tǒng)，該套系統(tǒng)建成后，能向國內各行業(yè)提供1m以內的高精度定位導航、授時服務。目前北伽導航正在開展高精度芯片研發(fā)，與北斗地基增強系統(tǒng)對接。

4 現代測繪地理信息理論與技術發(fā)展的展望

從測繪學發(fā)展到測繪地理信息學，經歷了學科的大交叉大融合，從單一學科走向多學科的交叉，顯示現代測繪學正向著近年來興起的一門新興學科——地理空間信息科學（Geo-Spatial Information Science，簡稱Geomatics）跨越和融合[15]。目前測繪地理信息理論與技術取得的巨大成就離不開空間技術和計算機技術的發(fā)展，預測未來測繪地理信息理論與技術的發(fā)展同樣離不開先進測繪儀器的出現和與測繪地理信息其他相關學科的發(fā)展。21世紀是服務業(yè)的時代，我國現代化建設離不開測繪地理信息理論與技術，希望測繪地理信息學能把服務的宗旨發(fā)揚光大。

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