现代测绘地理信息理论与技术发展综述

刘超群+李贞

摘要：从传统测绘学的发展概况及测绘技术和仪器工具的变革出发，探讨了现代测绘地理信息理论与技术快速发展的动力源泉和模式。对当前测绘地理信息理论与技术发展概况的详细综述以及对我国自主研制的北斗导航定位系统的特别介绍，对未来测绘地理信息理论与技术发展的进行了展望和定位即：与多学科进行交叉融合，服务于现代化建设。

Abstract： Based on the development survey of the traditional surveying and mapping technology and the transformation of surveying and mapping technology and instruments， the power source and mode of modern surveying and mapping geographic information theory and technology are discussed. Overview of current surveying and mapping geographic information theory and technology development situation and on China has independently developed the Beidou navigation positioning system are especially introduced， for the future of Surveying and mapping geographic information theory and technology development of prospects and positioning：and the multi subject of cross fusion， service to the modernization construction.

关键词： 传统测绘学；信息化测绘；现代测绘地理信息技术；“北斗”导航卫星系统；服务

Key words： traditional surveying and mapping；information mapping；modern geographic information technology；Beidou navigation satellite systems；services

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0245-03

0 引言

随着计算机技术、空间技术和通讯技术的快速发展，测绘学理论和技术发生了天翻地覆的新变化，传统测绘学理论和技术已不再能满足当前人类社会对于“智慧城市”、“数字地球”[1]的需求。近几十年来，现代测绘科学技术迅猛发展，我国已基本完成了从传统测绘过度到数字化测绘的过渡，朝着信息化测绘前进[2]。

1 传统测绘学的发展概况

测绘学是一门有着悠久历史的学科，古时期人类的测绘技术起源于土地丈量和洪水整治。古时期埃及人使用简单测量工具进行土地丈量。在古中国，大禹治水就运用了一些简单的测绘技术，“左准绳，右规矩，载四时，以开九州、通九道、陂九泽、度九山”[3]。从公元前6世纪古希腊科学家最早提出“地球形概念”开始，其后，亚里士多德（Aristotle）、埃拉托斯特尼（Era-tosthenes）等進一步实验证实，并改名为“地圆说”。“地扁说”被英国科学家牛顿和荷兰惠更斯所提出，并用物理力学的方法证明地球是椭球体。经过几年后，地球是椭球体这一事实被当时的科学界所认同。“大地水准面”（1873年提出）一词被德国科学家利斯廷第一次命名并使用，用它来表示地球体的形态。苏联人提出“似大地水准面”（1945年提出）的说法，从而解决了重力归算这一难题，丰富了大地测量学科理论。人类花费数千年，通过对地球形态的认识和精确测定，来不断丰富了测绘学的理论。

2 测绘技术和仪器工具的变革

测绘仪器工具经历了从机械式测量仪器到光学测绘仪器，再到电子自动化测绘仪器的变革。

在中国宋代，工匠用绳尺以较曲直、量长短，人们就开始使用简单的量测距离的工具。17世纪初荷兰人造出了世界上第一架望远镜。随着望远镜的出世，英国诞生了第一架经纬仪（大约在1730年）。其后近300年至今，测绘仪器出现了大变革，从水准仪、平板仪、电子测距仪、全站仪、航测无人机、三维激光扫描仪，而今出现了“无所不能”的全球导航卫星系统（GNNS）、遥感卫星[4]等，现代测绘仪器具备了数字化，智能化，信息化等优势。测绘仪器智能化、数字化使测绘作业自动化成为了可能，大大减少了人工操作所带来的误差，而且改变了传统的测绘学理论和技术，测绘的对象也由地球扩展到月球和其他星球。

3 现代测绘地理信息技术简介

信息化测绘是现代测绘科学技术发展的主要目标，知识创新和技术带动能力是其主要的发展特征。目前，它发展成为以建立航空航天、地面和海洋等平台来获取外界及其目标物的特征、位置、属性及其相互关联的学科[5]。现代空间定位技术（GNSS）、遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）、计算机技术、通信技术和网络技术的发展极大限度的推动了现代测绘科学技术的发展。因此，现代测绘地理信息技术主要分为地面测量技术和空间测量技术。

3.1 地面测量技术

现代测绘工作中使用的地面经典仪器已从光学仪器，发展成为光、机、电、算一体化和智能化的现代光学仪器。地面测量技术主要包括：测量机器人、三维激光扫描仪、移动测量系统[6]、数字近景摄影测量[7]。

①测量机器人是一种智能型电子全站仪[8]。2016年3月，人工智能“谷歌AlphaGo”以4：1的绝对优势战胜世界围棋冠军选手李世石，标志着人工智能技术取得的跨时代进步。现代测绘仪器中测量机器人类似于“谷歌AlphaGo”，它集多种现代高技术于一身，通过多种传感器对现实世界中的“测量目标物”进行识别，作出分析，得出推理结果，实行全自动操作，取代人工测量操作来完成某项特定的测量任务。目前最新的、最前沿的测量机器人产品有TCA2003（Laica公司生产）、Elta S系列（蔡司生产）、GTS-750/GPT7500系列（Topcon生产）等。endprint

②三维激光扫描仪通过不接触目标物本身采用激光测量的方法，通过采集大量点云数据来描述目标物表面的形态位置特征。其工作原理为发射器发出高速激光来扫描目标物，接收器接收信号，并对信号进行处理，把处理的数据用软件进行后处理，最后获取最终测量成果数据。地面三维激光扫描中的关键技术有：1）点云数据的预处理。主要包括点云数据去噪及平滑、点云数据的平滑、点云数据的简化。2）点云数据分割。3）点云数据的三维模型重建[9]。

③移动测量系统是一种通过把先进的传感器和摄影仪安放在车载（通常指火车、汽车）、机载（通常指飞机）等上来快速高效地获取测量影像数据的摄影测量系统，可以说，当前移动测量技术代表着当今世界最尖端的测绘科技。就一般而言，大部分移动测量系统都是运用3S（即GNNS全球定位系统，RS遥感技术，GIS地理信息系统）集成原理，其典型代表有：测绘车。我国于2011年9月研制出第一台测绘车叫国家地理信息应急监测车[10]，它利用3S技术、网络通信技术等先进测绘地理信息技术，实现快速获取灾区实时数据，快速自动构建三维立体模型，对灾情进行立体判别和解读，为紧急救灾现场预急等提供辅助决策。

3.2 空间测量技术

自古以来，人类向往太空。1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，从此开启了人类探索太空的新纪元[10]。近110多年来，航天航空技术得到了飞速发展，同时带动了现代空间测量技术的快速发展和变革。1964年，美国军方出于军事目的建成并使用全球定位系统（简称GPS），从此开启了卫星导航定位新时代，现代空间测量技术应运而生。目前，最主要的空间测量技术有5种，即全球导航卫星系统，CORS系统[11]，遥感技术，SAR技术[12]，机载Lidar技术[13]。其中CORS系统是在全球导航卫星系统基础上建立永久基站，用户可以通过通讯网络获取实时地理位置。我国在遥感技术方面处于世界前列，目前我国已发射天汇一号01、02号，资源一号02C，资源三号，高分一号，高分二号等高分辨遥感卫星。SAR技术又叫做合成孔径雷达技术是一种新型的高分辨率微波成像遥感技术以其特有全天候、全天时的对地观测优势可以和传统的遥感技术形成互补。下面着重介绍我国的北斗导航卫星系统。

全球导航卫星系统，简称GNSS[14]，是所有在轨工作的卫星导航系统的总称；我国的“北斗”导航卫星系统（COMPASS）、美国的“全球定位系统”（GPS）、欧盟的“伽利略”（Galileo）卫星导航系统以及俄罗斯的“全球导航卫星系统”（GLONASS）一起被联合国卫星导航委员会确认为全球四大卫星导航系统。其中以美国的全球定位系统（GPS）建立最早，系统最为完善，导航定位服务最好，全球用户最多。美国的全球定位系统（GPS）由空间部分，地面控制系统，用户设备部分三部分组成，其中空间部分由24颗卫星组成（其中有3颗是备用卫星），24颗卫星均匀分布在倾角为55°的6个轨道面上。不考虑其他因素，理论上的GPS用户只要接收其中任意的4颗卫星就可以获取位置坐标信息。近几十年来，GPS得到了广泛应用。我国从2000年开始建立本国自主的卫星导航系统，于2015年9月底共发射了20颗导航卫星。北斗卫星导航系统（COMPASS）由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成，服务方式为免费开放服务和授权服务两大方式，定位精度为平面25m，高程30m，测速精度0.4m/s，授时精度为50ns（纳秒）。目前我国有很多测绘公司，正在研究与其他卫星导航系统能兼容的北斗用户终端。中国工程院院士刘经南介绍，2016年年底将建成北斗地基增强系统，该套系统建成后，能向国内各行业提供1m以内的高精度定位导航、授时服务。目前北伽导航正在开展高精度芯片研发，与北斗地基增强系统对接。

4 现代测绘地理信息理论与技术发展的展望

从测绘学发展到测绘地理信息学，经历了学科的大交叉大融合，从单一学科走向多学科的交叉，显示现代测绘学正向着近年来兴起的一门新兴学科——地理空间信息科学（Geo-Spatial Information Science，简称Geomatics）跨越和融合[15]。目前测绘地理信息理论与技术取得的巨大成就离不开空间技术和计算机技术的发展，预测未来测绘地理信息理论与技术的发展同样离不开先进测绘仪器的出现和与测绘地理信息其他相关学科的发展。21世纪是服务业的时代，我国现代化建设离不开测绘地理信息理论与技术，希望测绘地理信息学能把服务的宗旨发扬光大。

参考文献：

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[5]马兰，孔毅，宋海英，庞云，郭思海.信息技术对海道测量发展的影响分析[J].现代测绘，2012（01）：15-16，26.

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[11]李晓亮.CORS系统的构建与应用[D].中国地质大学（北京），2014.

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