工程测量中的三维GIS技术研究

涂小青

江西省核工业地质调查院 江西 南昌 330038

传统GIS技术在二维层面上完成空间数据分析，测量结果、测量范围方面会受到诸多条件的限制。三维GIS技术具备强大的数据处理、分析、展示功能，可将测量结果以三维的形式呈现在受众眼前。目前在工厂测量领域被广泛应用。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

1 三维GIS概述

1.1 三维GIS技术分析

三维GIS（地理信息系统）是指在传统二维GIS技术的基础上，加入了第三个维度，即地理信息的深度。三维GIS技术通过引入高程数据来表示物体或地形的第三个维度，建立高程（DEM）或激光雷达测量数据进行建模。该类数据与地理空间的二维数据（如地图坐标、信息等）结合在一起，构建出可视化三维环境。在数据获取方面，三维地理信息系统使用激光雷达、航空摄影或卫星遥感等技术获取高程数据和地理信息数据，其中包括地形、地物特征、建筑物外观等。系统将采集的高程数据与地理信息数据融合处理，建立综合的三维GIS数据库。完成数据处理之后，三维地理信息系统通过几何特性计算、可视化表示、空间关联性分析。技术人员通过使用不同的分析算法和建模技术，获得具有三维特性的地理现象描述。最终，系统能够将分析结果以可视化的方式展示给用户，并提供交互式操作功能。用户在操作期间可以自由旋转、倾斜或缩放地图，以获得不同角度的测量视图，并与地理对象进行互动[1]。

三维GIS技术通过从高程数据中引入第三个维度，将地理信息与空间几何信息结合起来，通过数据采集、处理、分析和展示等步骤，实现对三维地理空间对象的描述、分析和可视化展示。

1.2 三维GIS技术特点

三维GIS以三维方式呈现地理数据，提供更直观的地理现象，揭示出在二维平面上无法获得的信息和关联关系。三维GIS技术在工程测量中的应用具有以下特点：

第一，高精度测量。三维GIS技术可以提供高精度的空间定位和几何数据，使得工程测量可以更准确地描述和分析地理空间对象。技术人员通过激光扫描和精确测量方法的应用，可以获取真实且准确的三维地形和地物信息。

第二，可视化展示。三维GIS技术能够以立体图像形式展示工程测量结果，使得测量数据更直观、形象，并可以在三维环境中进行检视和分析。这种可视化展示方式，有助于工程师更好地理解工程项目，识别潜在问题并做出正确决策。

第三，空间关联性分析。三维GIS技术允许对不同要素之间的空间相互关系进行深入分析。技术人员利用系统的数据分析功能，可以对工程测量中的地物或地形要素进行空间关联性分析，帮助工程师了解工程地理间的相互影响和交互作用，提高对工程环境的理解和预测。

第四，可视域分析。三维GIS技术可以进行可视域分析，即确定特定位置或观察点等可见的区域的信息要素。在工程测量中，可视域所呈现的结果对于工程人员规划和设计工程方案非常重要，工程人员可以根据可视域分析结果，准确绘制建筑物视野范围，开展周边环境的交通安全分析等工作。

第五，模型集成处理。三维GIS技术可以与建筑信息模型（BIM）集成，在工程测量过程中对建筑物、设备或结构展示，促进工程项目建设过程中的跨学科协作和数据共享。

三维GIS技术在工程测量中具有高精度、可视化表示、空间关联性分析、可视域分析和与BIM集成等特点。三维GIS技术提供了一种强大的工具，帮助工程师理解和分析工程环境，优化工程规划和设计，并支持工程过程决策。

2 三维GIS在工程测量中的应用

2.1 三维GIS在工程测量中的功能模块应用

2.1.1 辅助作图模块

三维GIS技术在工程测量中应用具备辅助作图的功能，可以将地理信息、工程信息以图形的方式呈现给工程人员，并将图像等数据成果输入到数据库之中，实现地理空间信息数据的网格化处理。在作图功能实现过程中，技术人员利用辅助作图功能，将地理数据以立体图形的方式进行可视化展示。生成地理信息要素，其中包括地形参数、建筑物轮廓、道路网络等。用户可以在利用空间地理信息作图过程中，使用自由旋转、缩放和倾斜操作功能，根据不同角度和尺度进行视觉化呈现，并在地图上作图或标注。在辅助作图模块应用过程中，可以手动输入并为数据库提供处理便利，使得数据处理流程更加简化、便捷，测量人员完成作图任务的过程更加高效[2]。例如，在勘查工程中，技术人员利用三维GIS系统生成三维地形图，具体三维作图结果如下所示：

图1 GIS三维地形图生成结果

2.1.2 地图管理模块

三维GIS技术利用地理信息系统可以储存大量的图片信息，并支持地图信息数据格式的灵活转化，实现地图格式的科学转化。工程人员可以利用数据库中的地理图像，完成绘图、制图、分析工作，实现图像的矢量化操作，纠正图像迭代重构中的误差，实现多个拼图的无缝衔接和投影，实现地理信息测量结果的精准化。例如，三维GIS提供了地图管理功能，用户可通过创建、编辑和组织地理数据的方式，进行地图绘制。在此过程中，用户将采集的地图数据导入、导出，创建三维地图项目，进行地图数据的操作和管理。同时，系统支持添加或删除地理要素、设置符号样式、定义显示属性等。地图管理功能使得用户能够定制和优化地图内容，满足特定应用领域的需求。例如，在水利工程模型构建过程中，利用三维GIS的地图管理模块，实现多个图像之间的重叠、修正，构建三维地理信息，具体模型结果如图2所示。

图2 地图管理模块应用图

在地图管理模块应用过程中，三维GIS技术提供了查询、定位、测量、路径生产、标注等功能，用户可以通过平移、缩放、倾斜、旋转的方式，观测地图图像。

2.1.3 设备管理模块

三维GIS可以用于设备管理，该功能可以帮助用户追踪和管理各种设备的位置、状态和属性信息。工程人员通过将设备的三维模型与地理数据集成，直观地查看设备的空间分布并获得详细信息。同时，用户还能够对设备进行查询、过滤和分析，帮助用户优化设备安排和维护计划[3]。

2.2 数据查询和管理

在工程测量中，三维GIS技术具备数据库查询、数据管理、数据更新等功能，可以根据不同的测量数据类型，建立数据库。数据库是三维GIS测量管理的核心，用户主要使用数据库来存储和管理地理数据。常见的数据库类型包括关系型数据库（如MySQL、Oracle）和面向对象数据库。用户通过建立适当的数据库架构和数据模型，可以有效组织和管理大量的三维地理数据。在数据索引和查询方面，三维GIS系统使用四叉树空间索引技术，用于组织和存储地理对象，使得空间查询操作更高效。用户可以利用查询语言（SQL）进行复杂的空间查询，查询在某个区域范围内的所有三维对象或基于属性条件进行数据的筛选。三维GIS还支持基于属性的查询和过滤。用户根据特定属性值或属性条件，如分类、名称、日期等，进行地理信息数据的查询和筛选，帮助用户快速定位所需的数据，并满足特定的数据分析需求。

在工程测量中，用户可以利用三维GIS系统的数据编辑功能，通过添加、删除或修改地理对象的几何形状和属性信息，确保数据的一致性和完整性。用户利用三维GIS技术绘制新的三维对象、修正现有的地理数据或更新属性信息，实现数据编辑与数据库管理系统、事务处理相结合。在应用过程中，三维GIS提供了数据共享和权限管理的功能，允许多个用户或组织共享和访问地理数据。通过授权和权限设置，限制不同用户或用户组对数据的访问级别和操作权限，以保护敏感数据和确保数据安全[4]。

三维GIS技术通过数据库管理、空间索引、属性查询、数据编辑和权限管理等手段实现数据的查询和管理功能，用户能够轻松地检索和操作地理数据，并满足用户特定的分析需求，确保数据的准确性和一致性。

2.3 可视化展示

在工程测量中，三维GIS技术具有可视化功能，可以确定在特定角度和海拔高度上可以观察到的地理要素。三维GIS可以模拟人的视野，即从特定位置或观察点能够看到的范围。这在工程测量规划中，可以发挥巨大的应用价值，通过视线分析，可以评估在某个位置上可见的景观，寻找最佳的观景点或优化视野条件。三维GIS可以帮助识别在特定位置上阻挡视线的障碍物。例如，当测量无线通信基站时，需要确保没有地貌或建筑物阻挡信号传输路径。用户通过可视障碍物分析，确定最佳的基站位置，以确保无障碍信号传输。

在利用三维GIS可视化功能实施工程测量时，用户首先需要准备好三维地理数据，使用激光雷达扫描、卫星图像、航空摄影或其他方式采集数据。数据应按照特定格式进行存储，并加入几何和属性信息。随后用户将准备好的三维地理数据进行建模和渲染，用户可使用光照模型、纹理贴图、透明度调整等方式，产生使得模型产生逼真的视觉效果。在可视化呈现过程中，用户能够指定一个固定的观察者位置，交互式地进行观察点的调整，以获得不同角度和尺度的视图。在用户界面中，用户使用平移、缩放、旋转等操作来控制场景的视图和可见范围，通过添加标记、绘制线条或区域，突出显示特定的地理要素。在部分工程测量中，可以模拟时间变化，模拟行车路径等，以动态化的方式呈现出三维数据信息。

2.4 空间分析结果描述

在工程测量中应用三维GIS技术，可利用系统的数据组织、数据查询、数据计算功能，实现空间数据的全面分析，数据组织和管理。在查询期间，用户使用查询位置或关系方式来提取并选择地理对象，帮助用户快速定位和筛选所需的数据。在计算期间，可通过缓冲区分析和距离计算方法，评估地理对象之间的关系和影响范围。工程测量中空间分析功能主要基于数据分析实现，例如，技术人员通过三维GIS技术，对地理对象的属性进行统计和聚合分析，计算工程区域内地面的平均高度、人口密度或土地使用类型分布等。随后，建立空间模型，分析地理对象之间的空间关系和相互影响。这可以揭示出在二维平面上无法直观理解的空间关联性，分析工程区域地貌特征与生态环境之间的关系，设备分布与工程建设之间的联系等。

同时，三维GIS技术具备强大的数据决策功能，帮助用户更加直观分析和理解地理空间数据。在工程测量期间，建立多个评估标准，帮助决策者权衡不同要素与利益之间的内在联系，其中包括工程与环境之间的关系，工程建设与土地利用之间的关系等。此外，三维GIS技术可应用到风险分析中，识别工程项目中的风险因子，确保最终测量结果的科学性、全面性。

2.5 地理动态信息采集

三维GIS技术具备强大的信息采集和信息分析功能，确保工程测量结果的动态化。在测量过程中，技术人员可以利用遥感技术、定位系统、激光扫描技术等获取地理空间信息，使用传感器装置进行工程测量。例如，使用全球定位系统（GPS）可以提供工程车辆或设备的位置、速度和方向等信息。使用惯性导航系统能够收集运动信息，包括加速度和角速度等参数。激光扫描仪、摄像机等能够用于捕捉周围环境的动态特征。将采集到的地理动态信息进行处理和集成，按照工程测量数据处理过程进行数据清洗、校正和配准等，通过算法和模型数据的整合，建立一致且准确的地理物体动态模型。为了将地理动态信息存储和管理，在编码和标注方面需要制定适当的标准和规范。例如，使用国际通用的地理数据标准如CityGML和OpenStreetMap格式，对地理动态信息编码和描述。此外，利用添加时态属性和关联关系等附加信息以记录动态变化。由于地理动态经常发生改变，因此，三维GIS技术应支持数据实时更新和采集。用户通过将系统与传感器、监测设备或工程设备的接口连接，实现自动或半自动的数据采集，使得地理动态信息及时准确。

3 结语

综上所述，三维GIS技术在工程测量中的应用弥补了以往平面测量的不足之处，且信息收集更加全面，可实现空间立体数据的可视化、动态化，空间轮廓和空间属性更加具体，测量结果更加准确。三维地理空间系统的建立实现了定位、遥感、测绘、实景模型构建的结合，可以实现地理信息数据的动态化处理，为工程项目建设提供技术支撑。