基于三維數(shù)字地形圖的測(cè)繪技術(shù)研究

譚堯力

（山西省測(cè)繪地理信息院第三測(cè)繪院）

1 三維數(shù)字地形圖的概念及應(yīng)用意義

1.1 三維數(shù)字地形圖的概念

在實(shí)際工作過(guò)程中，通過(guò)對(duì)相關(guān)資料收集和整理，可以將三維數(shù)字化地形圖與傳統(tǒng)測(cè)量方式相結(jié)合。首先是要明確三維數(shù)字地形圖的定義，其主要內(nèi)容為：①利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化設(shè)備采集并存儲(chǔ)所需的各種地理環(huán)境信息；②根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些信息進(jìn)行處理分析后形成相應(yīng)的圖形、文字以及圖像等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能；③最終形成具有真實(shí)性特征的三維模型。目前，我國(guó)已經(jīng)建立了較為完善的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，但是由于各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不一，因此在使用時(shí)往往會(huì)存在著一些差異性問(wèn)題，這就要求我們必須結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法，以保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)資料管理工作的重視程度。

1.2 三維數(shù)字地形圖的特征

1.2.1 立體感強(qiáng)

三維數(shù)字地形圖是以數(shù)字化形式對(duì)所要表達(dá)的地理空間信息進(jìn)行描述和展示，因此其具有很強(qiáng)的立體性、真實(shí)感以及逼真度等特點(diǎn)；同時(shí)由于三維數(shù)字地形圖中包含了大量的地理信息數(shù)據(jù)，所以在實(shí)際使用過(guò)程中可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地物的有效測(cè)量與分析。

1.2.2 可量測(cè)性好

三維數(shù)字地形圖能夠?qū)崿F(xiàn)多種比例尺下的圖形繪制，并且還具備較高的制圖精度，這使得該種地圖更加適用于現(xiàn)代化城市規(guī)劃建設(shè)。此外，隨著科技水平不斷提高，三維數(shù)字地球模型也得到廣泛應(yīng)用。

1.2.3 內(nèi)容全面完整

三維數(shù)字地形圖主要包括以下內(nèi)容，首先，它需要有一定數(shù)量的點(diǎn)狀要素作為基礎(chǔ)；然后，根據(jù)不同的需求來(lái)選擇不同的顏色；最后，還要對(duì)一些重要的地理位置信息進(jìn)行詳細(xì)描述。例如，在進(jìn)行建筑施工時(shí)，就應(yīng)該利用三維數(shù)字地形圖標(biāo)注出相關(guān)位置信息或者是施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

1.2.4 可視性強(qiáng)

三維數(shù)字地形圖一般都是采用全彩色的形式呈現(xiàn)。而且，由于其具有非常明顯的視覺(jué)沖擊力和立體感。所以，在實(shí)際操作過(guò)程當(dāng)中可以將其與其他類(lèi)型的繪圖軟件相結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到最佳的顯示效果。因?yàn)椋谑褂萌S數(shù)字地形圖繪制工程項(xiàng)目時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多不規(guī)則形狀以及各種各樣的線條、符號(hào)等，因此必須保證其清晰可見(jiàn)，否則將會(huì)影響到最終的工作質(zhì)量。

2 三維空間數(shù)據(jù)采集方法

2.1 全站儀三維數(shù)據(jù)采集

在對(duì)地籍測(cè)量中應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)時(shí)，首先要做好準(zhǔn)備工作。①應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適型號(hào)的GPS 接收機(jī)和天線等硬件設(shè)施；②還要保證所選用的GPS接收機(jī)具有較高的定位精度以及良好的抗干擾能力；③還應(yīng)做好相關(guān)的觀測(cè)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，如對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行檢查和調(diào)試，并且需要提前將設(shè)備安裝到指定位置上。另外，為了提高GPSRTK 技術(shù)的精度與可靠性，可以利用已知點(diǎn)來(lái)作為起算面，然后再按照一定的比例尺來(lái)建立相應(yīng)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。但是因?yàn)樵诰唧w操作過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)受到各種因素的影響而使得最終得到的結(jié)果不準(zhǔn)確。所以，必須嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范要求來(lái)完成這項(xiàng)操作，從而有效避免出現(xiàn)誤差問(wèn)題，確保整個(gè)測(cè)量作業(yè)能夠順利進(jìn)行下去。

2.1.1 控制網(wǎng)布設(shè)

在進(jìn)行GPS 控制網(wǎng)的布設(shè)過(guò)程當(dāng)中，通常是以基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩個(gè)基本組成部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，首先要對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適的測(cè)區(qū)范圍、測(cè)線方向以及測(cè)網(wǎng)密度等等。其次就是要合理確定好基準(zhǔn)站的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)應(yīng)該保持4至6臺(tái)的規(guī)模即可，這樣才能更好地滿足工程施工需求。最后就是要結(jié)合實(shí)際狀況設(shè)置基準(zhǔn)站的間距，進(jìn)而達(dá)到最大限度發(fā)揮出GPS定位系統(tǒng)作用的目的。另外一方面則需要做好相應(yīng)的觀測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，并且將監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)上傳到中心計(jì)算機(jī)當(dāng)中。

2.1.2 導(dǎo)線點(diǎn)位測(cè)量

在開(kāi)展此項(xiàng)工作時(shí)，主要是通過(guò)全站儀來(lái)實(shí)施。為了使測(cè)量精度得到進(jìn)一步提升，就需要利用RTK技術(shù)來(lái)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息加以分析處理。而且在具體操作過(guò)程之中，也可以借助全站儀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的收集與分析。與此同時(shí)，還要注意在使用RTK技術(shù)時(shí)要嚴(yán)格按照操作規(guī)范要求來(lái)執(zhí)行，以免出現(xiàn)一定的誤差問(wèn)題，從而導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確或者存在較大偏差等。

2.2 機(jī)載激光掃描系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)采集

在對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要將地面控制點(diǎn)布設(shè)到測(cè)區(qū)內(nèi)，然后利用全站儀和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全面的檢查和記錄工作，最后再通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行處理分析。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高精度，需要根據(jù)測(cè)區(qū)情況合理選擇測(cè)線，一般采用直線式或者曲線法兩種方式。

2.2.1 直線式

這種方法是最常用也是最為有效的一種方法，主要適用于一些特殊地區(qū)或復(fù)雜地貌區(qū)域，它可以很好地解決傳統(tǒng)方法中無(wú)法解決的難題，同時(shí)還能夠確保所獲得的信息真實(shí)可靠，但是由于該種方法成本較高且效率低，所以應(yīng)用范圍不廣。本文以某工程項(xiàng)目為例說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)直線型點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模式下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程。因?yàn)樵诒敬螠y(cè)量中，我們使用了全站儀作為外業(yè)數(shù)據(jù)采集工具來(lái)完成整個(gè)過(guò)程[1]，而且要求點(diǎn)位分布均勻并且具有一定密度，因此就要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與地面控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)才能更好地滿足實(shí)際需求。具體操作如下：首先需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲和去除非必要的建筑物等干擾源以及對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)處理；其次利用全站儀獲取測(cè)區(qū)內(nèi)所有已知位置的平面坐標(biāo)、高程及坡度等，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立起相應(yīng)的模型。

2.2.2 曲線式

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)生成所需的曲面模型，然后用CAD 軟件繪制出該曲面線段圖，最后再用CASS 軟件進(jìn)行編輯即可獲得該區(qū)域內(nèi)任意角度的曲面線段信息。這種方式主要適用于一些復(fù)雜地貌或是不規(guī)則形狀的區(qū)域，但由于無(wú)法保證數(shù)據(jù)精度所以只能采用此法，并且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有一定難度[2]。

2.2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是按照一定規(guī)則排列成二維圖形，因此要想提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度必須通過(guò)內(nèi)業(yè)幾何糾正、特征提取和編輯等一系列工作，這也是點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查最重要的環(huán)節(jié)之一。

2.3 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量三維數(shù)據(jù)采集

2.3.1 在計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)影像進(jìn)行處理和編輯

將拍攝到的照片導(dǎo)入到PhotoScan軟件當(dāng)中，并且通過(guò)該軟件來(lái)獲取所需要的信息。然后根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的比例尺以及分辨率等參數(shù)，最后完成圖像處理工作。

2.3.2 在三維立體模型上構(gòu)建三角網(wǎng)模型

在建立三角網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先確定好各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置、大小以及方向等。然后利用相機(jī)設(shè)置好相應(yīng)的焦距與光圈值，從而使得整個(gè)三角網(wǎng)能夠更好地呈現(xiàn)出真實(shí)情況。接著再計(jì)算出每一個(gè)三角形的面積，并且要確保所有的三角形都是對(duì)稱(chēng)的[3]。如果有多個(gè)三角形出現(xiàn)，那么就要按照一定的順序排列成行，同時(shí)還要保證相鄰兩個(gè)三角形之間的間距不能超過(guò)5cm。

3 三維數(shù)字地形圖測(cè)繪技術(shù)

3.1 在實(shí)際的工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程當(dāng)中可以利用GPS-RTK技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制和管理

該種技術(shù)主要是通過(guò)將GPS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的收集與處理以及分析等一系列操作。同時(shí)還能夠有效地提高數(shù)據(jù)信息的精確度、準(zhǔn)確性。另外在這項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用之下還能夠使得整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度得到進(jìn)一步提升。因?yàn)檫@一技術(shù)具有較高的自動(dòng)化水平，所以在實(shí)際的使用過(guò)程中也就更加方便快捷了。

3.2 三維數(shù)字測(cè)圖技術(shù)

三維數(shù)字測(cè)圖就是指運(yùn)用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)所需要繪制的圖形進(jìn)行數(shù)字化處理并且形成相應(yīng)的地圖。而且由于三維數(shù)字測(cè)圖技術(shù)自身具備著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在實(shí)際的測(cè)繪作業(yè)開(kāi)展過(guò)程當(dāng)中會(huì)受到很多因素的影響。但是只要掌握了這些因素，那么就可以保證最終測(cè)繪結(jié)果的精準(zhǔn)程度[4]。例如在實(shí)際的三維數(shù)字測(cè)圖工作開(kāi)展過(guò)程中，首先要根據(jù)所測(cè)得的三維坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)建立起一個(gè)三維立體空間模型，然后再結(jié)合實(shí)際情況來(lái)選擇合適的比例尺和圖幅大小等等，最后才能夠借助專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)完成對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有的地理信息數(shù)據(jù)的采集。

3.3 GIS系統(tǒng)

因?yàn)槿S數(shù)字地圖是通過(guò)將現(xiàn)實(shí)世界的各種各樣事物都以數(shù)字形式表現(xiàn)出來(lái)，所以說(shuō)這種方式也被稱(chēng)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其主要是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等相關(guān)技術(shù)手段來(lái)構(gòu)建出具有真實(shí)性特點(diǎn)的三維空間、物體及環(huán)境模型。同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三維空間物體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析以及模擬。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)城市進(jìn)行建設(shè)時(shí)，需要充分考慮實(shí)際情況，采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)提高工程質(zhì)量和效率。因此，為了保證建筑工程能夠更好地發(fā)展，就要加強(qiáng)相關(guān)工作人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)培訓(xùn)力度，并且要不斷引進(jìn)新型設(shè)備，從而使得我國(guó)的城市化水平得到進(jìn)一步提高。另外還應(yīng)該注意到，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量也越來(lái)越好，這就要求我們必須重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與完善，這樣才能從根本上推動(dòng)我國(guó)城市化進(jìn)程的加快。為此，在開(kāi)展城市規(guī)劃以及工程建設(shè)的時(shí)候，一定要注重科學(xué)性和合理性，只有這樣才能有效提升整體的社會(huì)效益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)城市化建設(shè)的順利進(jìn)行；最后，在進(jìn)行數(shù)字化城市管理工作時(shí)，需要將計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)引入其中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)城市中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理等操作，然后通過(guò)圖形顯示出來(lái)，以此來(lái)達(dá)到對(duì)整個(gè)城市運(yùn)行狀況的全面了解，同時(shí)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在于城市當(dāng)中的各種問(wèn)題，以便采取針對(duì)性的措施加以解決。 綜上所述，在當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境下，傳統(tǒng)測(cè)量方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化建設(shè)需求。