地理信息系統(tǒng)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用

田 劍，徐 勇，徐小芳

（江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

地理信息系統(tǒng)整合了地理學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科的理論基礎(chǔ)，將真實(shí)的地理實(shí)體抽象成空間位置等地理數(shù)據(jù)，經(jīng)由采集、存儲(chǔ)、管理、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等流程實(shí)現(xiàn)地理系統(tǒng)功能在視覺、計(jì)量與邏輯層面上的模擬，通過計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行與數(shù)據(jù)變化建立對(duì)客觀世界的仿真模型，為相關(guān)管理、決策提供服務(wù)，在土地測(cè)繪、城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 測(cè)繪工程的工作范圍與地理信息系統(tǒng)的作用

1.1 測(cè)繪工程的工作范圍

測(cè)繪工程所研究的主體對(duì)象涵蓋地貌、地物、礦藏、水文地質(zhì)等類型，通過將測(cè)繪信息繪制成圖，為相關(guān)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與決策提供參考依據(jù)。測(cè)繪工程的工作范圍大體分為兩方面：（1）地理形態(tài)方面，需結(jié)合不同工程項(xiàng)目的地形、地質(zhì)特點(diǎn)確定測(cè)繪需求目標(biāo)，保障獲得良好的測(cè)繪效果；（2）平面測(cè)繪方面，應(yīng)結(jié)合待測(cè)區(qū)域的建筑參照物、地形狀況等條件，確定測(cè)量目標(biāo)與具體的測(cè)量工作點(diǎn)，保障平面測(cè)繪工作的順利開展。

1.2 地理信息系統(tǒng)的作用

地理信息系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在以下5個(gè)層面：（1）數(shù)據(jù)輸入與編輯，將圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)字化處理后輸入系統(tǒng)中，由系統(tǒng)提供錯(cuò)誤檢查、編輯交互、結(jié)果驗(yàn)證等功能，且在輸入圖形后完成拓?fù)潢P(guān)系的建立，形成直觀的圖形特征；（2）數(shù)據(jù)庫(kù)建立與管理，涵蓋圖形附加與拼接、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖形注記、建立圖庫(kù)等；（3）數(shù)據(jù)檢索，用于查詢?nèi)我饣蛑付▽傩缘臄?shù)據(jù)與邏輯運(yùn)算的檢索等；（4）數(shù)據(jù)分析與處理，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖等空間實(shí)體中點(diǎn)、線、面等拓?fù)潢P(guān)系的分析；（5）數(shù)據(jù)輸出，可提供符號(hào)生成、矢量漢字標(biāo)記功能，輸出二維或三維彩色圖形，將輸出結(jié)果顯示在屏幕端，滿足不同圖件的拷貝、繪圖要求。

地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)大體包含以下3種：（1）是測(cè)量效率高，在使用時(shí)無需進(jìn)行調(diào)平、觀測(cè)、估讀，可在地形地貌勘測(cè)中選取多臺(tái)GIS測(cè)量?jī)x分組掃描實(shí)現(xiàn)快速測(cè)繪，能夠顯著提高測(cè)量效率；（2）測(cè)量精度高，例如將遙感技術(shù)作為GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，能夠提高測(cè)繪數(shù)據(jù)來源的可靠性，配合GPS系統(tǒng)為目標(biāo)地物賦予坐標(biāo)，用于表達(dá)GIS系統(tǒng)的位置信息，能夠有效提高地物面積計(jì)算、長(zhǎng)度計(jì)算的精確性；（3）抗干擾性能強(qiáng)，例如將GIS系統(tǒng)與高分辨率遙感影像、GPS系統(tǒng)、無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)地測(cè)量需求，利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用變動(dòng)情況的有效檢測(cè)。

2 地理信息系統(tǒng)在測(cè)繪工程中的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

將GIS應(yīng)用于測(cè)繪工作中，主要利用柵格、矢量存儲(chǔ)的方法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)與非附加線性數(shù)據(jù)的整合，實(shí)現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其中柵格存儲(chǔ)涵蓋存儲(chǔ)單元的行與列，需結(jié)合地面單位網(wǎng)格寬度確定柵格數(shù)據(jù)分辨率；矢量存儲(chǔ)則利用幾何圖形的點(diǎn)、線、面表現(xiàn)實(shí)際對(duì)象。在開展測(cè)繪工作時(shí)，可通過掃描聚酯薄膜地圖獲取數(shù)字信息，結(jié)合GPS系統(tǒng)傳遞信息、確定位置坐標(biāo)，或配合遙感技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集。以土地測(cè)繪為例，應(yīng)結(jié)合具體的土地測(cè)繪目標(biāo)、尺度進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的選取，例如針對(duì)斑塊尺度的耕地、宗地、建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)選取矢量數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的精確描述，并展現(xiàn)出土地權(quán)屬、利用現(xiàn)狀、變動(dòng)情況等信息；針對(duì)區(qū)域尺度的土地?cái)?shù)據(jù)，則應(yīng)以柵格數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)，配合地面GPS信息、遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用變動(dòng)情況的精確監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要圍繞屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)兩個(gè)層面展開，用于標(biāo)識(shí)地物對(duì)象的空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理，在土地資源潛力評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)資源管理、森林資源普查等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，滿足資源開發(fā)與決策利用要求。例如，將其運(yùn)用于我國(guó)西南地區(qū)的國(guó)土資源信息系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可收集、存儲(chǔ)1500余項(xiàng)、超300萬個(gè)資源數(shù)據(jù)，建立資源分析評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及開發(fā)利用模型，生成資源分布圖、交通規(guī)劃圖等多種專業(yè)圖。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理

利用GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯與預(yù)處理，用于識(shí)別不同屬性空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)合向量、臨近、包含等關(guān)系完成數(shù)據(jù)的分析處理與轉(zhuǎn)換，保障測(cè)量結(jié)果的精度。但在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理的過程中，需預(yù)先完成坐標(biāo)投影的整合，確保模型的匹配度，依托數(shù)據(jù)重建方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，保障系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)兼容。以土地測(cè)繪數(shù)據(jù)的處理為例，利用GIS系統(tǒng)可完成土地測(cè)繪數(shù)據(jù)的匯總、裁剪與查詢，利用其空間分析功能將空間數(shù)據(jù)與空間模型進(jìn)行聯(lián)合、提取有效信息，并完成地物周長(zhǎng)、面積、位置、土地利用方式、土地權(quán)屬等信息的處理。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急處理

將GIS系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，能夠建立虛擬三維空間的模型，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官層面上的模擬體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物現(xiàn)狀的模擬再現(xiàn)與精確判斷。利用GIS系統(tǒng)采集測(cè)繪數(shù)據(jù)、制成三維電子地圖，可為應(yīng)急演練活動(dòng)建立創(chuàng)新模式。例如，運(yùn)用GIS系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)針對(duì)某事故場(chǎng)地建立虛擬情境，能夠?yàn)閰⑴c演練的人員營(yíng)造出近似真實(shí)的事故發(fā)生場(chǎng)景，提高演練人員的融入感與響應(yīng)效果，有效減少成本投入、提升演練與培訓(xùn)效果，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)顯示出救援人員所處的具體位置，為救援現(xiàn)場(chǎng)指揮與救援方案制定工作提供重要參考依據(jù)。

2.5 應(yīng)急測(cè)繪保障體系

將GIS系統(tǒng)運(yùn)用于應(yīng)急測(cè)繪任務(wù)中，需提供應(yīng)急預(yù)案、建立應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)、制定具體管理措施，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用系統(tǒng)，為應(yīng)急測(cè)繪工作提供保障性服務(wù)。在具體應(yīng)用層面：（1）利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行基本圖形的操作，用于直觀展現(xiàn)出災(zāi)害發(fā)生場(chǎng)所的地質(zhì)地貌、社會(huì)屬性特點(diǎn)，編制具有較強(qiáng)針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案；（2）可以利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行空間分析，完成災(zāi)害發(fā)生具體位置的定位、計(jì)算受災(zāi)面積、完成災(zāi)害損失評(píng)估等，為應(yīng)急預(yù)案的編制提供更加完備的參考信息；（3）可利用GIS系統(tǒng)開展專題分析，提取一項(xiàng)或多項(xiàng)專題數(shù)據(jù)與地圖結(jié)合，生成密度分析圖等災(zāi)害專題性地圖，完成應(yīng)急疏散方案的編制工作；（4）還可以利用GIS系統(tǒng)結(jié)合實(shí)景拍攝圖片，生成災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的三維圖像，借助修測(cè)技術(shù)提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性與有效性，保障應(yīng)急指揮人員能夠準(zhǔn)確把握受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；（5）還可以利用GIS平臺(tái)的自動(dòng)更新功能，發(fā)布受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，提高災(zāi)害信息發(fā)布的時(shí)效性。

以某省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)為例，運(yùn)用GIS系統(tǒng)、遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)2500km2的重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的遙感監(jiān)測(cè)，在2h內(nèi)即可獲取到20km2范圍的5～20cm分辨率遙感影像。其遙感影像的成圖時(shí)間較以往縮短21h，針對(duì)不同數(shù)量原始航片、不同面積正射影像的傳輸時(shí)間也得到明顯縮短。配合傾斜攝影技術(shù)完成受災(zāi)地區(qū)實(shí)景三維模型的建構(gòu)，其紋理細(xì)節(jié)更加豐富、清晰，三維可視化效果更加真實(shí)，可同時(shí)提供屬性查詢、面積測(cè)量、緩沖區(qū)分析、淹沒分析、剖面分析、矢量疊置分析等模塊的三維可視化功能。實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)為空天地一體化、全流程的應(yīng)急測(cè)繪工作提供了重要的技術(shù)保障與支持作用，其應(yīng)急測(cè)繪保障能力能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求，在該省數(shù)次重大自然災(zāi)害中的應(yīng)急響應(yīng)速度較快，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.6 監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)

GIS系統(tǒng)可為環(huán)境監(jiān)測(cè)管理提供重要支持。以上海市環(huán)境管理信息系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)基于GIS技術(shù)完成了環(huán)境監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)涵蓋污染源、環(huán)境質(zhì)量、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)共享功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)以及預(yù)測(cè)，還提供數(shù)據(jù)的瀏覽、打印等功能，為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、污染控制管理提供了重要的技術(shù)支持與服務(wù)保障。同時(shí)，GIS系統(tǒng)還可用于城市道路地下病害體的安全預(yù)警，主要提供以下幾項(xiàng)分析功能：（1）病害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析。結(jié)合不同道路病害體發(fā)生的可能性及其嚴(yán)重程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)，共分為5個(gè)層級(jí)，既可以依照不同病害體的級(jí)別實(shí)現(xiàn)全幅顯示，也能夠選取單個(gè)病害體進(jìn)行放大觀察，其病害體以面數(shù)據(jù)集的形式存在，利用不同顏色進(jìn)行有效區(qū)分。（2）地質(zhì)病害易發(fā)路段分析。能夠用于完整記錄道路發(fā)生塌陷事故的情況，結(jié)合病害原地復(fù)發(fā)性特征進(jìn)行不同道路病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的計(jì)算，以點(diǎn)要素的形式進(jìn)行宏觀表現(xiàn)，計(jì)算出各輸出柵格像元周圍的點(diǎn)要素密度。同時(shí)，采用核密度算法與真實(shí)道路進(jìn)行疊加，用于計(jì)算出面狀區(qū)域道路的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，經(jīng)由渲染后輸出最終計(jì)算結(jié)果。（3）多期雷達(dá)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。通常道路病害體的形成與發(fā)育存在時(shí)序性特點(diǎn)，多由地下施工、地下水位變化等因素導(dǎo)致地下土體流失嚴(yán)重，其發(fā)生過程最少為1～3個(gè)月，塌陷范圍多集中在1～10m2。利用GIS系統(tǒng)可收集、存儲(chǔ)不同時(shí)期道路的探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)由綜合對(duì)比分析后實(shí)現(xiàn)對(duì)病害發(fā)展情況的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)通常不涵蓋空間位置信息，因此需配合測(cè)線數(shù)據(jù)建立空間位置關(guān)聯(lián)度，即可結(jié)合不同測(cè)線尋求其圖像數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)。（4）問題管線分析。鑒于部分道路地下病害體的成因?yàn)榈叵鹿芫€滲漏或破損，因此可依據(jù)到期且滲漏管線、滲漏管線、到期管線、蝕損管線等具體類別進(jìn)行分值評(píng)判，并選取大紅、橘紅、橘黃、黃色等渲染顏色。（5）空間關(guān)聯(lián)分析。利用GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地下設(shè)施周邊病害體的檢索，分析病害體的發(fā)展機(jī)理與誘因；還可利用GIS系統(tǒng)檢索不同病害體周圍的地下設(shè)施，依據(jù)地下設(shè)施數(shù)量、類別進(jìn)行病害體發(fā)育機(jī)理的研究，揭示病害體發(fā)育與地下設(shè)施的空間關(guān)聯(lián)性，為城市道路地下安全提供保障。

3 結(jié)論

總體來看，將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)繪工程中，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)繪手段在測(cè)量誤差、成本消耗、空間信息準(zhǔn)確度等方面存在的不足，使測(cè)量范圍顯著擴(kuò)大、測(cè)量精度與完整性大幅提高，并且能夠滿足自動(dòng)化測(cè)繪作業(yè)要求、適應(yīng)復(fù)雜天氣條件下的測(cè)量工作需求，為測(cè)繪工作效率與質(zhì)量的提升貢獻(xiàn)技術(shù)支持。