对工程测量与三维测绘技术发展的探究

孔庆峰 张英民

（辽宁省地矿测绘院，辽宁 沈阳 110121）

工程测量是一门应用科学，是研究各种工程建设中测量方法和理论的一门学科，直接为我国现代化建设服务。它主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段进行地形和有关信息采集、处理、施工放样、变形观测、分析与预报的理论和技术以及与这些研究对象有关的信息管理和使用。工程测量有着悠久的历史，随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大，工程测量的技术面貌也发生了崭新的变化。

1 三维测绘技术在测量中的应用

三维测绘就是测量目标的空间三维坐标，确定三维目标的几何形状、空间位置和空间姿态，对目标进行三维重建并尽可能真实地在计算机上再现目标的技术。目前的测绘都是基于2+1维理论而建立起来的测量体系：二维确定目标的平面位置，一维确定目标的高程。

1.1 问题的提出

2+1维测绘技术经过几百年的发展，已达到了比较完善的程度;但随着社会和科技的发展，2+1维测绘的成果已不能完全满足社会发展和经济建设的需要。下述问题的出现使得三维测绘技术日益迫切。

1.1.1 2+1维地图不符合人们的生活环境

2+1维地图实际上是从空中俯瞰地面的情况，而人们绝大多数时间都生活在地面，人们在街上行走，看到的都是周围的三维景象，这些景象在2+1维地图上无法表达。例如房屋的立面形状、房屋室内的情况，等等。

1.1.2 城市规划

城市规划，特别是旧城改造规划，已经开始三维规划。为城市规划和工程规划服务是工程测量的一个重要应用领域，三维测绘应及时跟上。

1.1.3 工程设计

现在三维工程设计已经出现，三维CAD的软件已经普及。工程设计要在现状图的基础上进行，所以现状图也应是三维图，这也要求我们必须实现三维测绘。

1.1.4 工程施工

现在很多复杂工程的施工，都不是按照传统的一层一层从地面向空中进行施工，而是进行立体的吊装式施工，例如鸟巢、国家大剧院以及中央电视台都是如此。这也要求我们的施工测量应该是三维测量。

2 三维测绘的现状

三维测绘的需求是迫切的，但其现状并不乐观，发展很不平衡。下面从三维测量仪器说明三维测量技术的现状。三维测量仪器有卫星定位测量系统、全站仪、摄影测量仪器、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、关节臂三坐标量测仪。前三种仪器是大家所熟悉的三维测量仪器。三维激光扫描仪是近几年发展起来的新型三维测绘仪器。后两种仪器是工业测量中常用的仪器。

2.1 卫星定位测量系统

卫星定位系统所获得的点位坐标是地心直角坐标系中的三维坐标，是真正的三维测量系统。其测量精度非常高，双频GPS的点差分测量精度可到业毫米级。目前有一种错误的做法，将卫星定位的结果转换到大地坐标系，与传统的2+1维测量结果进行比较，其差值肯定很大。原因是二维测量受大地水准面不精确的影响，精度较差。

2.2 全站仪

全站仪可以同时测量角度和距离，是一个标准的三维测量仪器。但在传统的2+1维测量中，采用水准面作为基准面，使其结果受到大地水准面精度的影响。

2.3 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪是近几年发展起来的一种三维测量仪器，由于其扫描速度快、点位精度高、点密度高，应用普及速度非常快。该仪器不依赖于水准面，不受大地水准面精度的影响。

3 发展方向

三维测量技术在仪器方面已经做好了充分准备，但在标准与规范的制定、理论方面的研究、软件方面的研制、三维地理信息系统研究、三维测量与2+1维测量的关系等方面还有很多问题需要研究，是今后的发展方向。

3.1 三维地理信息系统研究

众所周知，测绘是GIS的前端系统，有了三维测绘的数据，就可实现三维GIS了。要加强3DGIS的研究，尽快研制出3DGIS软件系统。

3.2 三维测量的理论研究

从2+1维系统进入到三维系统，虽然坐标维数没有增加，但复杂性却大大增加。2+1维空间实际上是一个鸟瞰空间，只描述了从上往下看地球表面的情况。而真正的三维空间不仅从上往下看，还要从下往上看，从里往外看，从外往里看，从左往右看，从右往左看，从前往后看，从后往前看，也就是要全方位地表达目标。要研究这种系统下对空间目标的测量、存储、管理、查询、传输和表达方法。

3.3 三维测量软件研制

现在不论是大地(控制)测量软件还是数字化测图软什，都是基于2+1维系统的软件。必须在三维测量理论的基础上研制三维测量软件系统。

4 摄影测量技术在工程测绘中的应用

摄影测量技术已越来越广泛地在城市和工程测绘领域中得以应用。摄影测量由于高质量、高精度的摄影测量仪器的研制生产，结合计算机技术中的应用，使得其能够提供完全的、实时的三维空间信息，不仅不需要接触物体，而且减少了外业工作量，提高了测量精度，提高了效率，并能提供品种繁多的成果。在城市和工程大比例尺地形测绘、地籍测绘、公路、铁路以及长距离通讯和电力选线、描述被测物体状态、建筑物变形监测、文物保护和医学上异物定位中都起到了一般测量难以起到的作用，具有广泛的应用前景。由于全数字摄影测量工作站的出现，为摄影测量技术应用提供了新的技术手段和方法，该技术已在一些大中城市和大型工程勘察单位得以引进和应用。由于技术在摄影中的应用，大量减少并加快了野外控制点联测工作，大大提高了航测成图的效率与效益，使得工程摄影测量向自动化、数字化方向迈进。

5 测绘传感器的研究

GPS接收机、马达驱动的全站仪、CCD数码相机以及工程岩土位移伸缩计等都属于传感器。当今，高精度和实时性是保证结构复杂的大型工程安全施工和运营的重要保障。这就要求不同知识和专业领域的科技人员共同合作，较全面地了解和掌握工程的安全状态，以综合分析建筑物的实时状态。因此，也就需要充分利用传感器的自动化和高精度的特点，来实现数据的自动采集、传输、处理和表达。

6 大型和精密工程测量与工业测量得到迅速发展

随着国民经济建设的飞速发展，大型工程建设以及工业自动化生产线和超高精度的设备安装及大型工程建造与运营过程的安全监测等不断增加，都对工程测量工作提出了新的更高的特殊要求。为了保证这些规模巨大、技术先进、设备精尖和生产过程高度自动化的建设工程和工业生产，按设计要求顺利施工、安装和正常生产运营，并保证质量和安全，需要采用高精度的特殊方法进行测量保障，便形成了特种精密工程测量和工业测量。特种精密工程测量是将现代大地测量学和计量学等学科最新成就结合起来，运用现代测绘技术新理论、新方法和新技术，使用专用的仪器和设备，以高精度与高科技的特殊方法和技术，应用于特种工程和工业生产的测量工作。

7 结语

三维测绘技术、地下管线智能化探测与管理技术、数字城市地理空间框架是工程测量技术今后几年的重要发展方向。由于工程测量技术领域涉及的范围广，还有可能出现新的重要发展领域，我们要随时关注工程测量新技术的出现和发展，努力推动和促进我国的工程测量技术赶上和超过世界先进水平，使工程测量技术向电子化、自动化、数字化、信息化方向迈进。这是工程测量技术发展的基本目标。

[1]叶飞.浅谈工程测量与三维测绘技术的发展[J].沿海企业与科技，2010-02-20.