張海南

（佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000）

1 引言

21世紀以來，我國綜合國力與科技實力不斷提升，在基礎(chǔ)建設(shè)方面的投入不斷增加，鐵路、公路、建筑以及水利水電等工程行業(yè)進入高速發(fā)展階段，同時由于工程量大、施工難度大、精度要求高等因素，對工程測繪精度及效率也提出了更高的要求，如何提升工程測繪質(zhì)量、精度、效率以及安全性成為工程測繪領(lǐng)域面臨的主要問題。三維激光掃描技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)作為基于現(xiàn)代科技手段發(fā)展起來的測繪技術(shù)，具有精度高、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強以及安全性高等優(yōu)勢，在數(shù)字城市、基礎(chǔ)測繪、建筑、鐵路、公路以及水利工程測繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，關(guān)于三維城市測量技術(shù)的作業(yè)方式、深度開發(fā)與應(yīng)用也成為工程測繪領(lǐng)域研究的重要課題。

2 三維城市測量技術(shù)的應(yīng)用價值

2.1 有助于提升工程測繪精度

在城市建筑、隧道橋梁、公路鐵路等工程建設(shè)過程中，要確保工程項目順利實施，必須建立在具備全面、準確的測繪數(shù)據(jù)的前提下，這就意味著工程測繪作業(yè)必須滿足高精度的要求[1]。而三維城市測量技術(shù)的發(fā)展以及廣泛應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)測繪作業(yè)精度不足的問題。以三維激光掃描技術(shù)為例，其采用逆向三維數(shù)據(jù)采集與模型重構(gòu)技術(shù)，通過獲取掃描對象的三維坐標數(shù)據(jù)與數(shù)碼照片的方式準確、快速地獲取掃描對象的三維立體信息，然后利用計算機搭建三維模型，全面、客觀、準確地再現(xiàn)掃描對象的真實形態(tài)或者特性，可以有效確保測繪精度。

2.2 有助于提升工程測繪效率

傳統(tǒng)的工程測繪多依賴于人工作業(yè)，所采用的測繪設(shè)備相對簡單，因此，整體效率不高，在很大程度上延長了工程建設(shè)周期，增加了工程建設(shè)成本。目前，無論是城市建筑，還是道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，都進入了新的發(fā)展階段，最為突出的特點就是工程規(guī)模大、涉及范圍廣，使工程測繪作業(yè)量大幅增加，若無法解決傳統(tǒng)測繪作業(yè)效率低的問題，無疑會延緩工程進度[2]。相較于傳統(tǒng)依賴于人工作業(yè)的測繪手段，三維城市測量技術(shù)可以更好地滿足當前工程測繪領(lǐng)域的需求。以三維激光掃描測量技術(shù)為例，其可以實現(xiàn)可視化、全面、精準的測量，減少了測繪作業(yè)過程中野外采集數(shù)據(jù)的時間以及工作量，并且可以避免數(shù)據(jù)失真的情況，縮短了工程測繪作業(yè)周期，有助于提高工程建設(shè)效率。

3 測繪工程中常見的三維城市測量技術(shù)

3.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域中主要被應(yīng)用于地形圖測繪、土方與體積測量等方面，采用三維激光掃描技術(shù)進行工程測繪時，不需要進行大量的人工作業(yè)，可以有效控制測繪過程中人為因素以及環(huán)境因素的干擾，能夠準確、全面地獲取地形特征、等高線等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，作業(yè)效率高、數(shù)據(jù)準確性高，大幅減少了測繪人員的作業(yè)強度，在一定程度上節(jié)省了成本[3]。此外，在涉及復(fù)雜地形時，三維激光掃描技術(shù)可以突破傳統(tǒng)測繪手段的局限性，能夠在不接觸測量區(qū)域的條件下獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，有效解決了工程測繪中的實際難題。下面對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進行具體分析研究。

3.1.1 繪制地形圖

繪制地形圖是工程測繪的重要內(nèi)容，采用傳統(tǒng)測繪手段繪制地形圖需要大量的作業(yè)人員，并且部分復(fù)雜地形無法勘測，但三維激光掃描技術(shù)并無這方面的限制，并且繪制的地形圖精度更高，作業(yè)效率也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測繪手段。利用傳統(tǒng)測繪手段時，受環(huán)境因素的影響，易導(dǎo)致實時動態(tài)差分法（PTK）手段失效，因此，測量效率不高，需要反復(fù)選擇測量點，并且如何合理控制測量點的數(shù)量也是主要難點之一，若控制不當易影響后期地形圖的生成。而三維激光掃描技術(shù)具備非接觸掃描以及快速采集點云數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，針對一些復(fù)雜地形不需要架設(shè)測繪儀器，測繪人員也不需要進入危險區(qū)域采集數(shù)據(jù)。

利用三維激光掃描技術(shù)繪制地形圖的步驟如下：（1）數(shù)據(jù)采集完成后，利用互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸工作；（2）利用軟件程序完成數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)縮減等工作，目前比較常用的軟件是萊卡公司的Cyclone8.03，該軟件處理數(shù)據(jù)效率較高；（3）去噪處理，由于掃描過程中可能會出現(xiàn)行人、車輛等，因此，必須對采集的基礎(chǔ)信息做去噪處理；（4）對選擇的區(qū)域進行部分功能賦予，在軟件中建立三角高程網(wǎng)格；（5）根據(jù)測繪要求設(shè)置抽稀百分比，做抽稀處理；（6）生成等高線等特征線或者其他關(guān)鍵特征點，并在此基礎(chǔ)上繪制成地形圖。

3.1.2 土方與體積測量

在工程項目施工中，土方與體積測量也是測繪作業(yè)的重要內(nèi)容之一，相較于傳統(tǒng)的計算方法，三維激光掃描技術(shù)的計算效率更高且更為精確。傳統(tǒng)的測量與計算手段在數(shù)據(jù)采集方面與三維激光掃描技術(shù)相差不大，但三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢在于耗費時間更短，需要的人力更少。這主要是由于三維激光掃描技術(shù)采用的是面試數(shù)據(jù)采集，能夠獲取地表全部可視點信息，覆蓋更加全面，并且是自動化作業(yè)，數(shù)據(jù)采集效率更高。此外，三維激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)采集過程中雖然會因為環(huán)境干擾或者植被遮擋等因素導(dǎo)致精度損失，但是可以通過對采集數(shù)據(jù)進行去噪處理來提升計算精度，而傳統(tǒng)手段容易在測圖過程中出現(xiàn)漏掉測區(qū)關(guān)鍵特征點，從而導(dǎo)致精度損失，而且若需要提高精度就必須重新進行測繪，費時費力，會直接影響作業(yè)效率。

3.2 衛(wèi)星定位測量技術(shù)

衛(wèi)星定位測量技術(shù)具備測量時間短、定位精度高、操作簡單、測點間無須通視、全天候作業(yè)、能夠提供三維坐標以及自動化程度高等優(yōu)勢，因此，其在工程測繪領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星定位測量技術(shù)的基本原理是結(jié)合數(shù)學(xué)與物理學(xué)科的原理，利用衛(wèi)星進行遙感測量，然后將測量數(shù)據(jù)信息傳輸至地面接收設(shè)備，并由接收設(shè)備對測量數(shù)據(jù)進行處理，最終得到需要的測繪數(shù)據(jù)信息。目前，衛(wèi)星定位測量技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括兩方面，分別是靜態(tài)相對定位與實時相對定位，其中，靜態(tài)相對定位操作較為簡單，對于人員、設(shè)備等方面的要求較低；而實時相對定位對于點位選取、設(shè)備選擇以及人員素質(zhì)等方面要求較高，并且若對測量精度要求較高，還需要配合使用慣性導(dǎo)航技術(shù)。衛(wèi)星定位測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用流程如下：

1）外業(yè)測繪。進行外業(yè)測繪時，關(guān)鍵在于選點，這是確保測繪結(jié)果準確性的基礎(chǔ)前提，因此，在進行選點工作前必須做好必要的準備工作，包括采集測繪區(qū)域地理位置信息、標架、標型完好情況等相關(guān)信息。此外，采用衛(wèi)星定位測量技術(shù)還要做好無線安全與開機觀測等工作，這與傳統(tǒng)測繪手段有明顯區(qū)別。

2）布網(wǎng)工作。這主要與工程類型有關(guān)，若為線路或者帶狀工程測繪工作，其多采用邊連式或者點連式組成連續(xù)發(fā)展的三角鎖同步圖形；若為施工控制網(wǎng)或者變形監(jiān)測網(wǎng)，則多采用網(wǎng)連式或者邊連式布設(shè)。

3）結(jié)果輸出。由流動站負責(zé)接收衛(wèi)星信號，并通過網(wǎng)絡(luò)接收基準站傳輸數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相對定位原理進行差分結(jié)算，計算出兩觀測點相對位置，最終輸出流動站的三維坐標。

3.3 全站儀測量技術(shù)

3.3.1 控制測量

全站儀的基本功能是控制測量，需要按照要求布設(shè)導(dǎo)線，適用于線路或者帶狀工程以及隱蔽地區(qū)，比如，城市控制測量、線路控制測量、引水工程等。其優(yōu)勢是導(dǎo)線網(wǎng)與邊角網(wǎng)的布設(shè)相對比較靈活，測量精度高，觀測便捷，而且能夠與衛(wèi)星定位測量技術(shù)配合使用。需要注意的是，開展控制測量作業(yè)時必須根據(jù)相應(yīng)等級的測量規(guī)范進行觀測、計算，不能采用坐標測量功能。一般來說，可以將高程控制與平面控制測量同時進行，能夠完全替代四等水準測量；將全站儀放置在兩個觀測點間，保持兩個棱鏡高度一致，可以保證較高的測量精度。

3.3.2 地形測量

在地形測量方面，采用全站儀可以進行前方交會、后方交會以及三維坐標測量，測量效率高、操作相對簡單，并且能夠確保測量精度。在測量作業(yè)過程中，利用網(wǎng)絡(luò)可以連接全站儀、計算機以及繪圖機，從而構(gòu)成完整的測繪系統(tǒng)，能夠有效提升測繪效率與質(zhì)量，繪制符合要求的地形圖。

3.3.3 工程放樣

在建筑工程、管線工程以及道路工程施工中，根據(jù)項目設(shè)計圖紙采用全站儀能夠快速、準確地進行測量放樣工作，從而為施工活動提供依據(jù)。尤其是一些造型較為復(fù)雜、規(guī)模較大的工程項目，采用全站儀開展測量放樣工作能夠取得不錯的效果。

3.3.4 變形監(jiān)測

在工程施工過程中，采用全站儀可以對構(gòu)筑物以及地質(zhì)活動進行動態(tài)化監(jiān)測，工作人員可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時分析掌握變形規(guī)律，適時發(fā)出預(yù)警，對于保障工程結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

4 三維城市測量技術(shù)的未來發(fā)展前景

4.1 智能化、自動化

目前，三維激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)已經(jīng)成為工程測繪領(lǐng)域的主要手段，并且在實踐中表現(xiàn)出了各自的優(yōu)越性，在作業(yè)方式、操作流程等方面已經(jīng)形成了相對完備的體系。以當前的發(fā)展趨勢來看，包括三維激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)在內(nèi)的三維城市測量技術(shù)，未來將向自動化、智能化、高精度、高效率方向發(fā)展。以全站儀測量技術(shù)為例，其經(jīng)歷了組合式全站儀、經(jīng)典型全站儀、可擴展全站儀以及電腦型全站儀4個階段，自動化與智能化程度越來越高，雖然三維激光掃描技術(shù)與衛(wèi)星定位測量技術(shù)發(fā)展迅速，但是其以價格低、選點靈活、體積小以及實用性強等優(yōu)勢仍被廣泛應(yīng)用。同時隨著計算機軟件的應(yīng)用，全站儀的工作效率以及測量精度也大幅提升，能夠適用于更多領(lǐng)域。

4.2 一體化

以三維激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)為代表的三維城市測量技術(shù)未來將向一體化趨勢發(fā)展，在工程測繪領(lǐng)域，三維激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)具備一定的優(yōu)勢，同時也存在某些缺陷，因此，在很多情況下需要多種測繪手段配合使用。隨著工程建設(shè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對于工程測繪的要求必要越來越高，因此，一體化將成為三維城市測量技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

綜上所述，以三維激光掃描測量技術(shù)、衛(wèi)星定位測量技術(shù)以及全站儀測量技術(shù)為代表的三維城市測量技術(shù)是當前工程測繪領(lǐng)域的重要手段，在地形圖繪制、土方與體積測量、變形監(jiān)測、控制測量、三維坐標測量等方面具有明顯優(yōu)勢。結(jié)合當前三維城市測量技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展情況，其未來必然向智能化、自動化以及一體化發(fā)展，其應(yīng)用范圍也將進一步擴大。