工程測量中的三維GIS技術研究

涂小青

江西省核工業(yè)地質調查院 江西 南昌 330038

傳統(tǒng)GIS技術在二維層面上完成空間數據分析，測量結果、測量范圍方面會受到諸多條件的限制。三維GIS技術具備強大的數據處理、分析、展示功能，可將測量結果以三維的形式呈現(xiàn)在受眾眼前。目前在工廠測量領域被廣泛應用。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 三維GIS概述

1.1 三維GIS技術分析

三維GIS（地理信息系統(tǒng)）是指在傳統(tǒng)二維GIS技術的基礎上，加入了第三個維度，即地理信息的深度。三維GIS技術通過引入高程數據來表示物體或地形的第三個維度，建立高程（DEM）或激光雷達測量數據進行建模。該類數據與地理空間的二維數據（如地圖坐標、信息等）結合在一起，構建出可視化三維環(huán)境。在數據獲取方面，三維地理信息系統(tǒng)使用激光雷達、航空攝影或衛(wèi)星遙感等技術獲取高程數據和地理信息數據，其中包括地形、地物特征、建筑物外觀等。系統(tǒng)將采集的高程數據與地理信息數據融合處理，建立綜合的三維GIS數據庫。完成數據處理之后，三維地理信息系統(tǒng)通過幾何特性計算、可視化表示、空間關聯(lián)性分析。技術人員通過使用不同的分析算法和建模技術，獲得具有三維特性的地理現(xiàn)象描述。最終，系統(tǒng)能夠將分析結果以可視化的方式展示給用戶，并提供交互式操作功能。用戶在操作期間可以自由旋轉、傾斜或縮放地圖，以獲得不同角度的測量視圖，并與地理對象進行互動[1]。

三維GIS技術通過從高程數據中引入第三個維度，將地理信息與空間幾何信息結合起來，通過數據采集、處理、分析和展示等步驟，實現(xiàn)對三維地理空間對象的描述、分析和可視化展示。

1.2 三維GIS技術特點

三維GIS以三維方式呈現(xiàn)地理數據，提供更直觀的地理現(xiàn)象，揭示出在二維平面上無法獲得的信息和關聯(lián)關系。三維GIS技術在工程測量中的應用具有以下特點：

第一，高精度測量。三維GIS技術可以提供高精度的空間定位和幾何數據，使得工程測量可以更準確地描述和分析地理空間對象。技術人員通過激光掃描和精確測量方法的應用，可以獲取真實且準確的三維地形和地物信息。

第二，可視化展示。三維GIS技術能夠以立體圖像形式展示工程測量結果，使得測量數據更直觀、形象，并可以在三維環(huán)境中進行檢視和分析。這種可視化展示方式，有助于工程師更好地理解工程項目，識別潛在問題并做出正確決策。

第三，空間關聯(lián)性分析。三維GIS技術允許對不同要素之間的空間相互關系進行深入分析。技術人員利用系統(tǒng)的數據分析功能，可以對工程測量中的地物或地形要素進行空間關聯(lián)性分析，幫助工程師了解工程地理間的相互影響和交互作用，提高對工程環(huán)境的理解和預測。

第四，可視域分析。三維GIS技術可以進行可視域分析，即確定特定位置或觀察點等可見的區(qū)域的信息要素。在工程測量中，可視域所呈現(xiàn)的結果對于工程人員規(guī)劃和設計工程方案非常重要，工程人員可以根據可視域分析結果，準確繪制建筑物視野范圍，開展周邊環(huán)境的交通安全分析等工作。

第五，模型集成處理。三維GIS技術可以與建筑信息模型（BIM）集成，在工程測量過程中對建筑物、設備或結構展示，促進工程項目建設過程中的跨學科協(xié)作和數據共享。

三維GIS技術在工程測量中具有高精度、可視化表示、空間關聯(lián)性分析、可視域分析和與BIM集成等特點。三維GIS技術提供了一種強大的工具，幫助工程師理解和分析工程環(huán)境，優(yōu)化工程規(guī)劃和設計，并支持工程過程決策。

2 三維GIS在工程測量中的應用

2.1 三維GIS在工程測量中的功能模塊應用

2.1.1 輔助作圖模塊

三維GIS技術在工程測量中應用具備輔助作圖的功能，可以將地理信息、工程信息以圖形的方式呈現(xiàn)給工程人員，并將圖像等數據成果輸入到數據庫之中，實現(xiàn)地理空間信息數據的網格化處理。在作圖功能實現(xiàn)過程中，技術人員利用輔助作圖功能，將地理數據以立體圖形的方式進行可視化展示。生成地理信息要素，其中包括地形參數、建筑物輪廓、道路網絡等。用戶可以在利用空間地理信息作圖過程中，使用自由旋轉、縮放和傾斜操作功能，根據不同角度和尺度進行視覺化呈現(xiàn)，并在地圖上作圖或標注。在輔助作圖模塊應用過程中，可以手動輸入并為數據庫提供處理便利，使得數據處理流程更加簡化、便捷，測量人員完成作圖任務的過程更加高效[2]。例如，在勘查工程中，技術人員利用三維GIS系統(tǒng)生成三維地形圖，具體三維作圖結果如下所示：

圖1 GIS三維地形圖生成結果

2.1.2 地圖管理模塊

三維GIS技術利用地理信息系統(tǒng)可以儲存大量的圖片信息，并支持地圖信息數據格式的靈活轉化，實現(xiàn)地圖格式的科學轉化。工程人員可以利用數據庫中的地理圖像，完成繪圖、制圖、分析工作，實現(xiàn)圖像的矢量化操作，糾正圖像迭代重構中的誤差，實現(xiàn)多個拼圖的無縫銜接和投影，實現(xiàn)地理信息測量結果的精準化。例如，三維GIS提供了地圖管理功能，用戶可通過創(chuàng)建、編輯和組織地理數據的方式，進行地圖繪制。在此過程中，用戶將采集的地圖數據導入、導出，創(chuàng)建三維地圖項目，進行地圖數據的操作和管理。同時，系統(tǒng)支持添加或刪除地理要素、設置符號樣式、定義顯示屬性等。地圖管理功能使得用戶能夠定制和優(yōu)化地圖內容，滿足特定應用領域的需求。例如，在水利工程模型構建過程中，利用三維GIS的地圖管理模塊，實現(xiàn)多個圖像之間的重疊、修正，構建三維地理信息，具體模型結果如圖2所示。

圖2 地圖管理模塊應用圖

在地圖管理模塊應用過程中，三維GIS技術提供了查詢、定位、測量、路徑生產、標注等功能，用戶可以通過平移、縮放、傾斜、旋轉的方式，觀測地圖圖像。

2.1.3 設備管理模塊

三維GIS可以用于設備管理，該功能可以幫助用戶追蹤和管理各種設備的位置、狀態(tài)和屬性信息。工程人員通過將設備的三維模型與地理數據集成，直觀地查看設備的空間分布并獲得詳細信息。同時，用戶還能夠對設備進行查詢、過濾和分析，幫助用戶優(yōu)化設備安排和維護計劃[3]。

2.2 數據查詢和管理

在工程測量中，三維GIS技術具備數據庫查詢、數據管理、數據更新等功能，可以根據不同的測量數據類型，建立數據庫。數據庫是三維GIS測量管理的核心，用戶主要使用數據庫來存儲和管理地理數據。常見的數據庫類型包括關系型數據庫（如MySQL、Oracle）和面向對象數據庫。用戶通過建立適當的數據庫架構和數據模型，可以有效組織和管理大量的三維地理數據。在數據索引和查詢方面，三維GIS系統(tǒng)使用四叉樹空間索引技術，用于組織和存儲地理對象，使得空間查詢操作更高效。用戶可以利用查詢語言（SQL）進行復雜的空間查詢，查詢在某個區(qū)域范圍內的所有三維對象或基于屬性條件進行數據的篩選。三維GIS還支持基于屬性的查詢和過濾。用戶根據特定屬性值或屬性條件，如分類、名稱、日期等，進行地理信息數據的查詢和篩選，幫助用戶快速定位所需的數據，并滿足特定的數據分析需求。

在工程測量中，用戶可以利用三維GIS系統(tǒng)的數據編輯功能，通過添加、刪除或修改地理對象的幾何形狀和屬性信息，確保數據的一致性和完整性。用戶利用三維GIS技術繪制新的三維對象、修正現(xiàn)有的地理數據或更新屬性信息，實現(xiàn)數據編輯與數據庫管理系統(tǒng)、事務處理相結合。在應用過程中，三維GIS提供了數據共享和權限管理的功能，允許多個用戶或組織共享和訪問地理數據。通過授權和權限設置，限制不同用戶或用戶組對數據的訪問級別和操作權限，以保護敏感數據和確保數據安全[4]。

三維GIS技術通過數據庫管理、空間索引、屬性查詢、數據編輯和權限管理等手段實現(xiàn)數據的查詢和管理功能，用戶能夠輕松地檢索和操作地理數據，并滿足用戶特定的分析需求，確保數據的準確性和一致性。

2.3 可視化展示

在工程測量中，三維GIS技術具有可視化功能，可以確定在特定角度和海拔高度上可以觀察到的地理要素。三維GIS可以模擬人的視野，即從特定位置或觀察點能夠看到的范圍。這在工程測量規(guī)劃中，可以發(fā)揮巨大的應用價值，通過視線分析，可以評估在某個位置上可見的景觀，尋找最佳的觀景點或優(yōu)化視野條件。三維GIS可以幫助識別在特定位置上阻擋視線的障礙物。例如，當測量無線通信基站時，需要確保沒有地貌或建筑物阻擋信號傳輸路徑。用戶通過可視障礙物分析，確定最佳的基站位置，以確保無障礙信號傳輸。

在利用三維GIS可視化功能實施工程測量時，用戶首先需要準備好三維地理數據，使用激光雷達掃描、衛(wèi)星圖像、航空攝影或其他方式采集數據。數據應按照特定格式進行存儲，并加入幾何和屬性信息。隨后用戶將準備好的三維地理數據進行建模和渲染，用戶可使用光照模型、紋理貼圖、透明度調整等方式，產生使得模型產生逼真的視覺效果。在可視化呈現(xiàn)過程中，用戶能夠指定一個固定的觀察者位置，交互式地進行觀察點的調整，以獲得不同角度和尺度的視圖。在用戶界面中，用戶使用平移、縮放、旋轉等操作來控制場景的視圖和可見范圍，通過添加標記、繪制線條或區(qū)域，突出顯示特定的地理要素。在部分工程測量中，可以模擬時間變化，模擬行車路徑等，以動態(tài)化的方式呈現(xiàn)出三維數據信息。

2.4 空間分析結果描述

在工程測量中應用三維GIS技術，可利用系統(tǒng)的數據組織、數據查詢、數據計算功能，實現(xiàn)空間數據的全面分析，數據組織和管理。在查詢期間，用戶使用查詢位置或關系方式來提取并選擇地理對象，幫助用戶快速定位和篩選所需的數據。在計算期間，可通過緩沖區(qū)分析和距離計算方法，評估地理對象之間的關系和影響范圍。工程測量中空間分析功能主要基于數據分析實現(xiàn)，例如，技術人員通過三維GIS技術，對地理對象的屬性進行統(tǒng)計和聚合分析，計算工程區(qū)域內地面的平均高度、人口密度或土地使用類型分布等。隨后，建立空間模型，分析地理對象之間的空間關系和相互影響。這可以揭示出在二維平面上無法直觀理解的空間關聯(lián)性，分析工程區(qū)域地貌特征與生態(tài)環(huán)境之間的關系，設備分布與工程建設之間的聯(lián)系等。

同時，三維GIS技術具備強大的數據決策功能，幫助用戶更加直觀分析和理解地理空間數據。在工程測量期間，建立多個評估標準，幫助決策者權衡不同要素與利益之間的內在聯(lián)系，其中包括工程與環(huán)境之間的關系，工程建設與土地利用之間的關系等。此外，三維GIS技術可應用到風險分析中，識別工程項目中的風險因子，確保最終測量結果的科學性、全面性。

2.5 地理動態(tài)信息采集

三維GIS技術具備強大的信息采集和信息分析功能，確保工程測量結果的動態(tài)化。在測量過程中，技術人員可以利用遙感技術、定位系統(tǒng)、激光掃描技術等獲取地理空間信息，使用傳感器裝置進行工程測量。例如，使用全球定位系統(tǒng)（GPS）可以提供工程車輛或設備的位置、速度和方向等信息。使用慣性導航系統(tǒng)能夠收集運動信息，包括加速度和角速度等參數。激光掃描儀、攝像機等能夠用于捕捉周圍環(huán)境的動態(tài)特征。將采集到的地理動態(tài)信息進行處理和集成，按照工程測量數據處理過程進行數據清洗、校正和配準等，通過算法和模型數據的整合，建立一致且準確的地理物體動態(tài)模型。為了將地理動態(tài)信息存儲和管理，在編碼和標注方面需要制定適當的標準和規(guī)范。例如，使用國際通用的地理數據標準如CityGML和OpenStreetMap格式，對地理動態(tài)信息編碼和描述。此外，利用添加時態(tài)屬性和關聯(lián)關系等附加信息以記錄動態(tài)變化。由于地理動態(tài)經常發(fā)生改變，因此，三維GIS技術應支持數據實時更新和采集。用戶通過將系統(tǒng)與傳感器、監(jiān)測設備或工程設備的接口連接，實現(xiàn)自動或半自動的數據采集，使得地理動態(tài)信息及時準確。

3 結語

綜上所述，三維GIS技術在工程測量中的應用彌補了以往平面測量的不足之處，且信息收集更加全面，可實現(xiàn)空間立體數據的可視化、動態(tài)化，空間輪廓和空間屬性更加具體，測量結果更加準確。三維地理空間系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了定位、遙感、測繪、實景模型構建的結合，可以實現(xiàn)地理信息數據的動態(tài)化處理，為工程項目建設提供技術支撐。