對工程測量與三維測繪技術發展的探究

孔慶峰 張英民

（遼寧省地礦測繪院，遼寧 沈陽 110121）

工程測量是一門應用科學，是研究各種工程建設中測量方法和理論的一門學科，直接為我國現代化建設服務。它主要研究在工程、工業和城市建設以及資源開發各個階段進行地形和有關信息采集、處理、施工放樣、變形觀測、分析與預報的理論和技術以及與這些研究對象有關的信息管理和使用。工程測量有著悠久的歷史，隨著科學技術的發展和工程建設規模的不斷擴大，工程測量的技術面貌也發生了嶄新的變化。

1 三維測繪技術在測量中的應用

三維測繪就是測量目標的空間三維坐標，確定三維目標的幾何形狀、空間位置和空間姿態，對目標進行三維重建并盡可能真實地在計算機上再現目標的技術。目前的測繪都是基于2+1維理論而建立起來的測量體系：二維確定目標的平面位置，一維確定目標的高程。

1.1 問題的提出

2+1維測繪技術經過幾百年的發展，已達到了比較完善的程度;但隨著社會和科技的發展，2+1維測繪的成果已不能完全滿足社會發展和經濟建設的需要。下述問題的出現使得三維測繪技術日益迫切。

1.1.1 2+1維地圖不符合人們的生活環境

2+1維地圖實際上是從空中俯瞰地面的情況，而人們絕大多數時間都生活在地面，人們在街上行走，看到的都是周圍的三維景象，這些景象在2+1維地圖上無法表達。例如房屋的立面形狀、房屋室內的情況，等等。

1.1.2 城市規劃

城市規劃，特別是舊城改造規劃，已經開始三維規劃。為城市規劃和工程規劃服務是工程測量的一個重要應用領域，三維測繪應及時跟上。

1.1.3 工程設計

現在三維工程設計已經出現，三維CAD的軟件已經普及。工程設計要在現狀圖的基礎上進行，所以現狀圖也應是三維圖，這也要求我們必須實現三維測繪。

1.1.4 工程施工

現在很多復雜工程的施工，都不是按照傳統的一層一層從地面向空中進行施工，而是進行立體的吊裝式施工，例如鳥巢、國家大劇院以及中央電視臺都是如此。這也要求我們的施工測量應該是三維測量。

2 三維測繪的現狀

三維測繪的需求是迫切的，但其現狀并不樂觀，發展很不平衡。下面從三維測量儀器說明三維測量技術的現狀。三維測量儀器有衛星定位測量系統、全站儀、攝影測量儀器、三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、關節臂三坐標量測儀。前三種儀器是大家所熟悉的三維測量儀器。三維激光掃描儀是近幾年發展起來的新型三維測繪儀器。后兩種儀器是工業測量中常用的儀器。

2.1 衛星定位測量系統

衛星定位系統所獲得的點位坐標是地心直角坐標系中的三維坐標，是真正的三維測量系統。其測量精度非常高，雙頻GPS的點差分測量精度可到業毫米級。目前有一種錯誤的做法，將衛星定位的結果轉換到大地坐標系，與傳統的2+1維測量結果進行比較，其差值肯定很大。原因是二維測量受大地水準面不精確的影響，精度較差。

2.2 全站儀

全站儀可以同時測量角度和距離，是一個標準的三維測量儀器。但在傳統的2+1維測量中，采用水準面作為基準面，使其結果受到大地水準面精度的影響。

2.3 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是近幾年發展起來的一種三維測量儀器，由于其掃描速度快、點位精度高、點密度高，應用普及速度非常快。該儀器不依賴于水準面，不受大地水準面精度的影響。

3 發展方向

三維測量技術在儀器方面已經做好了充分準備，但在標準與規范的制定、理論方面的研究、軟件方面的研制、三維地理信息系統研究、三維測量與2+1維測量的關系等方面還有很多問題需要研究，是今后的發展方向。

3.1 三維地理信息系統研究

眾所周知，測繪是GIS的前端系統，有了三維測繪的數據，就可實現三維GIS了。要加強3DGIS的研究，盡快研制出3DGIS軟件系統。

3.2 三維測量的理論研究

從2+1維系統進入到三維系統，雖然坐標維數沒有增加，但復雜性卻大大增加。2+1維空間實際上是一個鳥瞰空間，只描述了從上往下看地球表面的情況。而真正的三維空間不僅從上往下看，還要從下往上看，從里往外看，從外往里看，從左往右看，從右往左看，從前往后看，從后往前看，也就是要全方位地表達目標。要研究這種系統下對空間目標的測量、存儲、管理、查詢、傳輸和表達方法。

3.3 三維測量軟件研制

現在不論是大地(控制)測量軟件還是數字化測圖軟什，都是基于2+1維系統的軟件。必須在三維測量理論的基礎上研制三維測量軟件系統。

4 攝影測量技術在工程測繪中的應用

攝影測量技術已越來越廣泛地在城市和工程測繪領域中得以應用。攝影測量由于高質量、高精度的攝影測量儀器的研制生產，結合計算機技術中的應用，使得其能夠提供完全的、實時的三維空間信息，不僅不需要接觸物體，而且減少了外業工作量，提高了測量精度，提高了效率，并能提供品種繁多的成果。在城市和工程大比例尺地形測繪、地籍測繪、公路、鐵路以及長距離通訊和電力選線、描述被測物體狀態、建筑物變形監測、文物保護和醫學上異物定位中都起到了一般測量難以起到的作用，具有廣泛的應用前景。由于全數字攝影測量工作站的出現，為攝影測量技術應用提供了新的技術手段和方法，該技術已在一些大中城市和大型工程勘察單位得以引進和應用。由于技術在攝影中的應用，大量減少并加快了野外控制點聯測工作，大大提高了航測成圖的效率與效益，使得工程攝影測量向自動化、數字化方向邁進。

5 測繪傳感器的研究

GPS接收機、馬達驅動的全站儀、CCD數碼相機以及工程巖土位移伸縮計等都屬于傳感器。當今，高精度和實時性是保證結構復雜的大型工程安全施工和運營的重要保障。這就要求不同知識和專業領域的科技人員共同合作，較全面地了解和掌握工程的安全狀態，以綜合分析建筑物的實時狀態。因此，也就需要充分利用傳感器的自動化和高精度的特點，來實現數據的自動采集、傳輸、處理和表達。

6 大型和精密工程測量與工業測量得到迅速發展

隨著國民經濟建設的飛速發展，大型工程建設以及工業自動化生產線和超高精度的設備安裝及大型工程建造與運營過程的安全監測等不斷增加，都對工程測量工作提出了新的更高的特殊要求。為了保證這些規模巨大、技術先進、設備精尖和生產過程高度自動化的建設工程和工業生產，按設計要求順利施工、安裝和正常生產運營，并保證質量和安全，需要采用高精度的特殊方法進行測量保障，便形成了特種精密工程測量和工業測量。特種精密工程測量是將現代大地測量學和計量學等學科最新成就結合起來，運用現代測繪技術新理論、新方法和新技術，使用專用的儀器和設備，以高精度與高科技的特殊方法和技術，應用于特種工程和工業生產的測量工作。

7 結語

三維測繪技術、地下管線智能化探測與管理技術、數字城市地理空間框架是工程測量技術今后幾年的重要發展方向。由于工程測量技術領域涉及的范圍廣，還有可能出現新的重要發展領域，我們要隨時關注工程測量新技術的出現和發展，努力推動和促進我國的工程測量技術趕上和超過世界先進水平，使工程測量技術向電子化、自動化、數字化、信息化方向邁進。這是工程測量技術發展的基本目標。

[1]葉飛.淺談工程測量與三維測繪技術的發展[J].沿海企業與科技，2010-02-20.