GIS技术对工程测量的影响分析

李 艳，李 政，曹志刚，张维凯

(河北科技师范学院a 城市建设学院；b 体育系，河北 秦皇岛，066004)

GIS技术对工程测量的影响分析

李 艳a，李 政a，曹志刚a，张维凯b

(河北科技师范学院a 城市建设学院；b 体育系，河北 秦皇岛，066004)

从GIS技术在工程测量中的智能化的数据管理与应用、空间关系和属性特征的查询功能、科学的空间分析功能、三维GIS的可视化表达等4个主要应用方面入手，分析了在GIS技术的推动下现代测量学的发展方向，以及工程测量学的新目标。

工程测量；GIS技术；发展方向

科技水平的提高和社会建设进度的加快，促使工程建设中的技术优化和创新得到了飞速发展，测绘科学经过多个阶段的发展，已经进入了信息化时代，出现了测绘三新(新理论、新技术、新仪器)[1]，传统的工程测量技术已不能满足现代工程建设快速、准确的需求，因此工程测量课程的教学内容与目标应与时俱进，不断更新测绘仪器和方法的同时，注重新技术、新科学的综合应用，从单一学科走向多学科的交叉，重在培养信息社会所需的现代测绘人才。

现代测绘技术主要是由传统测绘向数字化测绘、信息化测绘的转换，借助计算机技术、信息科学、空间科学知识，以“3S”(全球定位系统-GPS，遥感-RS，地理信息系统-GIS)技术为核心，实现测量内外业作业的一体化、数据处理的自动化、测绘内容的数字化、信息管理的可视化、信息发布的网络化、测绘数据服务的大众化[2]。现代测绘技术的自动化、智能化降低了人工作业负担，同时提升了测量精度，实现地理空间信息资源的融合和增值服务，为社会提供多尺度、多方位、多形式的服务。

1 概 述

地理信息是工程建设的一个巨大信息源，也是一切工程建设的基础资料，实现地理信息数据的采集、管理、处理、分析、更新和利用是现代测绘的主要任务。地理信息系统(GIS)技术是以数字信息的形式描述地球上的各种客观实体，在计算机和现代信息技术的支持下，存储、管理、显示、处理和应用地理空间数据，具有特定的空间查询、分析和表达功能，是一种数字化的地理数据管理系统[3]。它能够及时又准确地提供有关区域分析、方案优选、战略决策等方面的地理信息。

GIS的操作对象是空间数据，大地测量、工程测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供不同比例尺和精度的空间数据。在测量中应用GIS技术有利于大量数据的管理与维护，能够将地理数据以地图图形的方式显示出来，便于生成电子地图，清晰直观地看出地理空间的分布情况，明确地形特征，为各项社会应用提供数据支持。在现代测绘人才的培养过程中，对于测绘专业及工程建设类相关专业的学生在讲授工程测量学的基础上概述地理信息系统的相关理论与技术，并应用于工程测量中，有助于学生准确、快捷地处理、分析测量数据，绘制电子地图，实现地理空间信息的可视化表达，并获取各项应用的专题信息，进一步拓展工程测量的服务面。

2 GIS技术在测量中的应用

2.1 智能化的数据管理与应用

地形测量的一项重要应用是绘制地形图，地形图测绘方法由传统的大平板仪测图法和经纬仪测图法转变为全站仪数字成图、航空摄影测量、三维立体激光扫描成图等数字化测图方法。随着地理信息系统的不断发展，GIS的空间分析功能不断增强和完善，地形图测绘不再是简单的点、线、面数字测图，更重要的是实现测量成果的共享、分发和多行业利用[4,5]。

图1 2010年和2015年全国各省GDP统计图

在测量数据处理中应用GIS技术，可以智能地完成数据的输入，避免了传统测量中人工识别、计算、展点制图可能产生的误差。GIS系统庞大的容量可以实现大量数据的管理，有效解决了传统测量中数据管理的难题。在测绘成图方面，GIS技术便于生成电子地图，取代传统的手绘纸质地图，可以灵活地转换地图显示比例尺、地图投影、地理坐标系及数据格式，同时简化绘图步骤，降低人工作业负担和成本，提高了作业效率和准确性[6]。此外，GIS系统可以同时储存空间定位信息和非空间属性信息，实现对空间数据的定位、定性和定量描述，这是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志。地理信息系统存储的数据具有原始数据的多重性质，可以根据不同需求对数据进行再次分类组织和提取。如可根据空间实体属性信息的差异，用色彩、线条、符号、注记等不同形式将其展现出来，实现专题地图的表达，更加直观形象地呈现出不同地理实体的一个或多个属性特征，提升传统制图方法的表达效果。图1为以中国各省份的空间位置数据为基础，根据各省份2010年和2015年GDP的属性信息制作的全国各省GDP统计图。

2.2 空间关系和属性特征的查询功能

查询和定位空间对象，并对空间对象进行量算是地理信息系统的基本功能之一，通过GIS空间查询功能可以查找某测量对象的位置和空间范围以及它们的属性，或按照某一条属性记录可以查询到对应的空间实体，从而进行相应的统计分析[3]。GIS系统可以实现对空间实体的简单查询，如根据鼠标所指示的空间位置，可以查找出该位置的空间实体及其对应存储的所有属性，或按照某一属性记录可以查询到对应的空间实体。而对于相对复杂的空间数据查询功能一般有3大类[7]：基于属性特征查询，如查询一条测量线路经过哪些站点；基于空间关系查询，如查询某一测区范围内所包含的控制点；结合空间关系和非空间属性的查询，此查询需要通过一种空间扩展SQL语言进行查询，如查询距离某条河流500 m以上(空间关系)、属于建筑用地(属性)、且面积大于800 km2(可以通过空间计算，也可以查询属性)的土地利用单元。GIS数据库有效的将空间信息和属性信息连接在一起，使空间查询功能更加便捷、高效，提高了工程测量的信息查询技术水平。图2为以中国地图数据为基础，查询中国2015年GDP总量大于5万亿的省份分布情况，并关联浏览其属性表，在地图中高亮显示查询结果，如果选择属性表中的某一个省份，地图窗口会自动定位到该省的空间位置。

图2 中国2015年GDP总量大于5万亿的省份分布

2.3 科学的空间分析功能

空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它最大的优势在于对空间信息的提取、表现和传输功能。GIS中实现空间分析的基本功能，包括空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等[8,9]。通过GIS技术可以对大量的测量数据进行系统管理，分类、分级显示。空间索引功能可以在数据库中快速检索出被选空间实体及其属性列表，之后根据具体应用进行科学的统计和计算。

在建筑工程中应用最多的是数字地形模型分析，简称地形分析，是指用数字化的形式来表达地形信息，从而用于自动计算地形因子数据，如坡度、坡向、曲面面积[7]。数字地形模型是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述，当地形属性为高程时称为数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，在测绘中用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测，在工程勘测与设计中，经常用于各种线路的选线、建筑物的选址等。例如，可以通过地形分析自动提取各种地形因子，制作地形剖面图和划分地表形态类型等。剖面表示表面高程沿某条线(截面)的变化。研究某个截面的地形剖面，概括研究区域的地势、地质和水文特征，包括区域内的地貌形态、轮廓形状、绝对与相对高度、地质构造、斜坡特征、地表切割强度和侵蚀因素等，非常有利于修筑道路的难度评定或对沿指定路线铺设铁路线的可行性评估，也可作为计算土方量的依据。如图3中所示，对(a)图中的栅格表面进行剖面分析，得到的剖面线和剖面图如图(b)。

除此之外，地形数据还可以与各专业部门数据进行匹配分析，如进行土地利用规划研究等，从而实现数据在多领域得到应用。

图3 地形剖面分析图

2.4 三维GIS的可视化表达

传统测量中地形图成果通常以纸质地图或在CASS等制图软件中以二维电子地图的形式输出，实现了测量成果的二维可视化表达。但是随着计算机图形学技术和图像处理技术的发展，GIS中呈现出了一种动态的、交互式的三维可视化产品，使得现实世界中的地理实体可以用形象、直观的三维空间图形的模型加以表达[10,11]。

三维GIS技术是GIS技术的拓展和延伸，三维GIS的表达是在二维GIS处理X，Y轴信息的基础上，将Z轴的信息投影到一个模型上，使X，Y，Z三轴信息均被显示，能够表达空间对象间的平面关系和垂向关系，从而将地理数据变为可见的地理信息[12]。当前的三维GIS有以下几种：

(1)DEM地形数据和地面正射影像纹理叠加在一起，形成三维的虚拟地形景观模型。还可以将DEM的分析结果，如坡度分析、坡向分析等数据叠加进去，呈现更强的可视化功能。图4所示为将DEM数据、三维晕渲图及等高线进行叠加显示的效果。

(2)在虚拟地形景观模型上，将地面建筑物竖起来，形成城市三维GIS。如以房屋建筑的平面位置数据为基础，对每幢房屋进行高度拉伸，设置墙面及顶面纹理贴图，实现简单三维表达。图5是地物二、三维表达对照图，(a)图为建筑、树木、水池等地物的二维地图，(b)图为其对应的三维模型。

图4 DEM，三维晕渲图、等高线叠加显示

(3)真三维GIS。它强调地上下、室内外三维空间实体的集成表示，不仅表达三维物体的表面，也表达物体的内部，如矿山等三维实体不仅表面呈不规则状，而且内部物质也不一样。但是，快速获取大范围复杂目标的高精度多细节层次的三维几何模型仍存在一定困难，而详细的室内和地下三维自动建模更具挑战性。

图5 地物二维、三维表达对照图

此外，还可以借助虚拟现实技术(virtual reality)，通过视觉、听觉、触觉，以及人的形体、手势或口令，参与到地理信息处理的环境中去，给人以更真实的感受，为传统测量成果的展现形式带来了全新局面[13,14]。

3 现代工程测量学的发展方向

测绘学是一个古老而现代的学科，是一个与时空信息、地理信息密切相关的信息科学[15]。目前工程测量学的内容主要包括基本概念、基本理论和基本技能，通行模式是将内容分为三个教学环节，即基本理论、工程应用和技术提高3个部分[16]。基本理论部分主要包括高程测量、角度测量、距离测量三大基本内容，及地形图测绘与应用；工程应用部分包括建筑、道路、桥梁、隧道、管道、水利工程测量及工程变形测量等内容；技术提高部分包括GPS应用、摄影测量学、地图学、RS技术、GIS技术及其应用等。但是，受学时限制或教学条件等其他因素影响，大部分高校对于非测绘专业学生的培养目标仅定位于基本理论和工程应用，往往忽略了技术提高部分[17]，或者仅简单讲述GPS的基本原理，对于RS和GIS技术不够重视。事实上，测绘新技术不断出现和进步，测绘方法日益更新，大范围、快速、准确的测量方法以及对大量数据的智能化管理才能满足工程建设的飞速发展。因此，工程测量学的教学应紧跟现代科技的发展步伐，在测量教学中有效地应用现代科技新成就为测量学提供的新工具和手段，及时更新教学内容和教学目标，在讲解测量学基本内容的基础上，概略介绍RS、GIS等技术的研究成果。

GIS技术超高的作业效率和数字准确性，为工程建设创造了经济效益，借助GIS技术，工程测量学已经实现了数据获取及处理的自动化，测量成果和产品的数字化，测量信息管理的可视化，信息共享和传播的网络化。展望未来，工程测量学将从一维、二维发展到实时三维乃至四维，集多门学科于一体，进一步增强图形、图像、通信和数据处理能力，测量学的服务面将进一步拓宽，在工程设计、监理、评估等方面，在区域规划、交通管理、环境保护、房产交易等领域发挥更大的作用，与其他学科的关系越来越密切，开发各种工程专题信息系统，参与工程的决策和管理[18]。

传统的测量技术多以人工测量为主，在地理信息资源以及相关数据的收集、处理等过程中相对较为复杂，造成了效率低、测量效果不能满足实际测量工程要求的局面。随着GIS技术在测量中的应用，有效解决了传统测量中的这些问题，而且该技术能够在原有技术的基础上不断延伸和发展[19]。随着我国科学技术水平的提高、相关学科的综合应用，GIS技术的创新和发展将为工程测量实践及工程测量教学带来更多的惊喜。

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(责任编辑：朱宝昌)

Influences of GIS Technology on Engineering Surveying

LI Yana, LI Zhenga, CAO Zhiganga, ZHANG Weikaib

(a College of Urban Construction; b Department of Physical Education;Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao Hebei, 066004,China)

On the basis of four main applications of GIS technology in engineering surveying including the intelligent data management and application, the inquiry function of spatial relationship and attribute characteristics, scientific spatial analysis function, visualized representation of three-dimensional GIS, the development direction of modern surveying and the new teaching target of engineering surveying were analyzed with the aids of GIS technology.

engineering surveying; GIS technology; development direction

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2016.03.013

2016-09-12

TB22

A

1672-7983(2016)03-0076-05

2014年河北科技师范学院校级教研项目(项目编号：JYYB201421)。

李艳(1987-)，女，讲师，硕士。主要研究方向：测绘技术与地理信息系统应用。