大比例尺地形测量新技术的发展及其前景.doc

大比例尺地形测量新技术的发展及其前景王丹【提要】随着以遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)为代表的现代测绘技术体系的建立，大比例尺地形测量从技术手段和产品形式及其应用上均发生了巨大的变化。本文着重介绍全站仪数字测图、摄影测量与遥感、基于GPS的地形测图等新技术的发展现状及其前景。【关键词】大比例尺地形测量数字制图空间基础信息获取【Abstract】 Along with the establishment of modern surveying and mapping system, which is characterized by technologies of remote sensing, global positioning system and geographical information system, the large scale topographic survey has an enormous changes in technical methods, product styles and applications. This paper introduces the current developments and future prospects concerning total-station mapping, photogrammetry and remote sensing, and the GPS-based topographic techniques.【Key words】 large scale topographic survey, digital mapping, geo-spatial data acquisition1引言测绘是一门古老而年轻的科学和技术。随着计算机技术、空间技术和信息技术的飞速发展，传统测绘已实现向现代测绘的转变。其标志是所谓“3S”技术，即遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)的应用、发展和集成。其特征是从模拟走向数字，从静态走向动态，从后处理走向实时处理，从离线走向在线，从单项技术走向多技术集成，从局部走向全球1。现代测绘已经成为正在形成的“地球空间信息学(Geomatics)”的主体。就现代测绘而言，我们可以按服务对象将之划分为3大层次。第一层次是以建立全球和区域控制骨架和为地球动力学研究服务为使命的大地测量；第二层次是以获取城市、区域、国土乃至全球空间基础信息为目的的地形测量；第三层次则是以测绘单体或群体目标形态及其变化并为各种工程建设服务为已任的工程测量。以测绘城市和区域地物和地貌为目的大比例尺地形测量最近若干年来得到了迅猛发展。测绘方式的多样化和集成化、测绘过程的自动化和实时化、测绘成果的数字化和可视化是其最主要的特点。本文着重介绍大比例尺地形测绘领域有关新技术的发展与实际应用情况。限于水平，加上掌握的资料不全面，难免挂一漏万，仅供参考。2地形控制测量技术的新发展地形测量首先离不开控制测量。在城市和区域地形测量中，GPS实际上已成为建立平面控制网的一种标准手段。可以毫不夸张地说，GPS技术的发展和应用是本世纪测绘领域最辉煌的成就之一。随着差分GPS定位技术(DGPS)的发展与应用，不仅是高等级的首级网和加密网，甚至图根点和航空摄影测量像控点的测定也广泛采用了GPS。在许多地形测量项目中，电子测距导线早已成为一种最基本的控制测量方法。特别是当使用全站仪时，可以将低等级的图根控制与细部地形测量同步进行，从而提高总体作业效率。高程控制测量过去一直沿用几何水准测量的方法，这种方法耗时费力，效率很低。本世纪六、七十年代以来，随着电磁波测距技术的发展，产生了电子测距三角高程测量，国内外在这方面均做了大量的理论研究和实验论证工作，目前电子测距三角高程测量已可以代替三、四等水准测量，一些规范也已采纳这些成果。电子测距三角高程测量无疑是传统水准测量很好的补充手段。同时，随着GPS在平面控制测量上日益广泛的应用，关于GPS在高程控制测量领域的应用研究也掀起了热潮。GPS水准已可达到厘米级精度，许多单位已先后发表了相应的生产或试验成果。3地形测量技术的新发展大比例尺地形测量主要指的是1500110000比例尺的地形测绘。传统的地形图一般均是指线划图，我们这里不仅指线划图，而且也包括另一种极具应用潜力的图种影像图。目前，数字地形图(包括数字线划图、数字正射影像图等)正逐渐取代传统的模拟地形图，成为地形测量的主要产品。3.1全站仪野外数字测图近代地面测量技术最大的变革当属全站仪的问世，它使野外数据采集方法发生了根本的变化，并为地面数字测图创造了条件。全站仪大比例尺数字测图实现了从野外数据采集、处理到绘图过程的自动化和一体化。国内已研制和开发了许多各具特色的大比例尺野外成图软件，比较有代表性的包括清华山维公司、南方测绘仪器公司、武汉瑞得公司及建设部遥感制图中心、北京市测绘设计研究院等各自研制开发的系统。这些系统已在国内得到比较广泛的应用。但是，目前全站仪数字成图中存在的关键问题一是总体作业效率低2，二是数据的结构性差。前者导致这些系统难以被用于大规模的生产实践，而后者则使数字成图的优越性不能充分得到体现。我们认为，未来的全站仪大比例尺数字测图尚需有新的技术突破。这种突破不仅需要新的出色的成图软件的支持，而且也需要改进现有硬件设备，并且还要从生产作业方式的变革上下功夫。野外测图软件的改进在一段时间内依然将起主导作用，尤其在国内无疑更具实效。对新的野外测图软件的要求主要表现在以下几个方面：1)功能齐全、适应性强；2)技术安全可靠；3)使用十分灵活方便；4)具有良好的实时质量控制能力；5)具有完善的数据转换功能；6)经济、高效。目前完全满足这些要求的软件几乎不存在。广大用户无疑将期待新的实用智能型野外数字测图系统的出现。近年来国外提出所谓“高端全站仪”(high-end total-station)，要求它不仅能适用于各种测量，而且要能用作“单人全站仪”，即只需一人便可进行测图作业，而且在观测点处作业5。在这种情况下，为获得高质量的观测成果，对仪器就要提出新的要求。当然，成图系统也要适应这些要求。全站仪与其它传感器(如数字相机、GPS、激光扫描器等)的集成是近期值得重视的一个趋势。文献6介绍了利用装在全站仪上的数字相机(CCD相机)进行城区测量的思想，一些测绘仪器厂家目前也在积极地研制类似的系统。因此，野外数字测图系统也应能方便地融合来自不同传感器的矢量或影像数据。3.2摄影测量技术的发展及在大比例尺测图中的应用当测绘的面积较大或测区条件困难时，应用摄影测量技术(包括航空摄影测量和地面摄影测量)进行地形测绘是一种合适的方法。最近若干年来，摄影测量技术上有了两个重大突破7，其一是数字摄影测量技术趋于成熟并实际投入应用；其二是GPS的发展使摄影测量的外业控制测量大为方便。它们都使得摄影测量方法的经济性和效率大大提高，竞争力和生命力进一步加强。DGPS技术应用于航摄导航控制一方面使得航空摄影更具针对性，另一方面也给后续的处理带来了极大的好处3。现在，在许多发达国家，几平方公里的测图都能使用摄影测量。由于DGPS导航系统具有高精度的定点摄影功能，航摄的主动性很大，可以保证无需多余摄影。航摄过程中，可以自动记录并通过后处理内插出摄影瞬间投影中心的精确位置，并将它们纳入后续的空中三角测量中，从而大大减少外控点的数量。数字摄影测量也称为软拷贝摄影测量，它从根本上改变了摄影测量对价格昂贵、光机结构复杂的专门测图仪器的依赖，是摄影测量领域的一次革命。基于微机的数字摄影测量系统目前可以高效率、高质量地完成自动定向、空中三角测量、自动数字地面模型生成(辅以交互式编辑)、自动正射影像图制作和交互式数字测图以及三维景观模型采集等一系列作业，精度与通常的解析测图仪相当。虽然现在的系统尚存在不少缺憾，可以相信，不久将成为摄影测量的技术主流。除国外几家大公司(如Intergraph、LHZ Systems 等)纷纷推出基于Windows NT的数字摄影测量系统外，武汉适普工程系统公司和中国测绘科学研究院等已分别推出基于微机的国产数字摄影测量VirtuoZo NT和JX-4A DPW，这2个系统在国内都已有一定的用户，前者还有一批国外用户。应用数字摄影测量，除了获得数字线划图、三维景观模型外，还可以方便地获得数字地面模型(DTM)和数字正射影像图。数字摄影测量目前应用的主要限制是高质量(主要是高几何精度、高几何分辨率)数字影像数据的获得。解决这一问题可以有如下三种途径：1)由于扫描仪的作业效率高，一台高级扫描仪可以供多台测图仪使用，因而可通过专门的扫描服务部门来获得数字影像；2)国外已有文献指出，市面上的普通扫描仪通过加专门的格网检校板后精度可以满足许多测绘的要求，国内一些单位在这方面也做了有益的尝试；3)数字摄影机前景看好，在不远的将来可望直接利用数字航空摄影机获取数字影像。由于技术和经济方面的原因，目前还没有满足航测需要的大幅面高分辨率数字像机。但对于小面积测绘，小像幅数字摄影机的应用引起了广泛关注。瑞士、德国等已报导过这方面的试验。如瑞士联邦技术学院和瑞士航空摄影测量公司利用Nikon 8008s型数字摄影机对两个面积分别为0.25km2和0.12km2的村庄进行了数字摄影，成功地制作了相应的等高线图和数字正射影像图8。我们认为，上述摄影测量2项新技术的集成将会使现代摄影测量技术进入一个更高境界。GPS数字空中三角测量集GPS实时导航和精确记录摄影瞬间空间位置、自动空中三角测量于一体，可望摆脱(至少大部分摆脱)摄影测量对地面控制测量的需求，加上后续的定向和某些处理的自动化，从而形成一个自动化程度极高的数字摄影测量作业流程，必将显著提高摄影测量技术的总体效率和经济性。需要特别指出，以解析测图仪为核心的解析摄影测量技术在未来一段时间内，将与数字摄影测量技术并存。在城市大比例尺数字线划测图方面，解析技术目前尚有一定的优势，实践中也得到了十分广泛的应用。3.3高分辨率遥感技术在大比例尺测图中的潜力遥感技术在资源与环境、灾害监测、小比例尺制图等领域均有成功的应用。但由于遥感图像的分辨率较低，难以用于大比例尺制图。然而，新型高分辨率卫星遥感计划的实施，将为城市或区域大比例尺制图提供一种新的数据源。据报道，Space Imaging公司将于1998年底发射的卫星可以提供地面分辨率达1米的IKONOS数字图像，该图像可以用于制作110000比例尺的数字正射影像图、数字地面模型和数字线划图，也可望在15000地形图的修测中发挥积极的作用。3.4基于GPS的地形测图技术基于GPS的地形测图技术主要指将GPS与其它传感器集成于一定运载工具上而形成的数字测图技术及直接利用GPS测图的技术。由于DGPS技术的实用化，这方面得到了广泛重视和迅速发展，主要包括：1)机载激光扫描测绘系统(Airborne Laser Scanning Mapping System)。机载激光扫描测绘系统可以视为由激光测距仪和GPS组合而成的空中全站仪，它主要由装在直升飞机上的一台激光扫描仪、一台惯性导航系统、一台GPS接收机和安置在地面参考点上的另一台GPS接收机组成。目前德国、美国等已先后推出商品化的机载激光扫描测绘系统9。激光扫描测绘系统主要设计用于获取密集森林覆盖地区、沙漠地区、海岸地区的DTM，因为在这些地区常规测量和摄影测量都十分困难。同时，在森林覆盖地区，利用激光通过树顶和地面的两次反射，不仅可以测定地形，而且还可以测定树高。这些激光扫描测绘系统的测量分辨率一般为X、Y坐标1m，Z坐标0.1m，能满足大比例尺测图和高精度DTM建立的需要。在一些发达国家，激光扫描测绘系统已得到比较广泛的应用，除获取DTM外，它还可以用于工程目标体的测绘。美国ALM公司应用ALTM激光扫描测绘系统对Seattle城堡进行了测绘，高程精度为15cm9。德国一些公司已应用该系统实际采集森林覆盖地区和海岸地区的DTM及三维城市模型。德国Pushbroom公司还应用TopoSys激光扫描测绘系统测定了电力线和电信发射塔等工程目标102)移动测绘系统(Mobile Mapping System)。这是由移动平台、导航传感器、测绘传感器组成的测绘系统，它在高速公路和公用设施测绘中具有较大的应用潜力11。该系统中的移动平台可以是汽车、轮船和飞机；导航传感器包括GPS接收机、车轮传感器及惯性导航系统，主要是用于获得车辆的行迹及确定测绘传感器的位置和方位；测绘传感器的作用是对目标进行测绘，它可以是CCD相机、激光测距仪或雷达传感器。其工作原理与前述激光扫描测绘系统类似。实际上，机载激光扫描测绘系统也是一种移动测绘系统。移动测绘系统主要是装在汽车上，用于道路和公用设施的测绘。目前该系统仍处于试验状态，还有一些技术问题需要攻克。3)水下测绘系统。美国和德国的一些公司和我国大连舰艇学院、天津海洋测绘研究所先后研制了多种型号的自动化水下测绘系统，实现了野外测绘到水下地形图绘制全过程的自动化4。该系统也是一种移动测绘系统，主要由GPS接收机、自动水深仪、计算机、绘图设备和通讯设备组成，平面测绘精度取决于GPS的作业方式和接收机的性能，高程精度则与水深仪有关。它们已在大比例尺水下地形测量实践中得到了有效的应用。4)GPS数字测图技术。随着实时动态差分GPS技术的进一步完善，人们提出了GPS全站仪测图的设想，就是将GPS当成全站仪，配置相应的支持软件直接用于测图，该方法在非建成区的测绘中具有良好的应用前景。3.5既有图数字化技术作为一种辅助手段，当有可利用的较高质量的纸质地形图时，人工和扫描数字化技术在大比例尺数字成图中仍将占有一席之地。目前，在城市区域，人工数字化处于主导地位。而在等高线数字化方面，扫描数字化技术已比较成熟。随着数字测图技术的不断普及，该项技术在大比例尺测绘领域的实际应用将会逐渐减少。4空间基础信息的组织与管理传统的测绘只是通过一定的手段来获取信息。随着技术的发展和各种应用需求的不断提出，现代测绘的任务发生了较大的变化。现在的测绘不仅是获取空间基础信息(或称地形信息)，同时也包括对这些信息进行有效的组织、管理和分析。GIS技术的发展，为组织、管理和分析空间基础信息提供了便利。目前，一些城市和其他部门已建立各种空间基础信息管理系统。建设部遥感制图中心近年来基于Genasys公司的Genamap或Bently公司的MicroStation系统先后为许多城市成功地开发了空间基础信息管理系统或子系统。这些系统可以根据需要对各类地形信息进行结构化处理，从而方便地实现信息的分类、查询、检索和以用户定义的方式输出与转换，为空间基础信息的广泛应用创造了条件。5结语所有从事测绘的人员恐怕都不会忘记，在平板测图和模拟测图时代，地形测量被普遍认为是一种技术含量低的简单测绘工作。然而，最近若干年众多新技术的发展和应用使地形测量从技术手段、成果形式、成果质量、成果表现形式及服务对象等方面都发生了巨大变化。古老的地形测量已焕发出新的旺盛的生命力。作为获取空间基础信息的有效手段，地形测量已成为正在迅速发展的地理信息产业的重要组成部分。我们完全有理由相信，未来的地形测量必将会有新的更大的发展。作者单位：建设部遥感制图中心北京100007参考文献1李德仁，论“Geomatics”的中译名，测绘通报，1998(7)2郑汉球、洪立波等，工程测量技术的发展和我们的对策，北京测绘，1996(1)3李德仁，GPS用于摄影测量与遥感，测绘出版社，19964梁开龙，水下地形测量，测绘出版社，19955GIM Multi-Interview, Surveyors and Total Stations Need Connections, GIM， 1998(9)6Huang Y.D., Surveying Urban Aera