李序安

摘要：三維GIS技術(shù)在工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用，對于傳統(tǒng)的測量方式下產(chǎn)生的工作不足現(xiàn)象可以起到有效的彌補(bǔ)措施，是一種直觀、實(shí)用且實(shí)時(shí)的技術(shù)測量解決方案手段，對于技術(shù)測量的成果準(zhǔn)確率可以起到有效的作用；還可以縮短測量時(shí)間，提高工作效率，對于我國工程行業(yè)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。以三維GIS技術(shù)的概述及特點(diǎn)為核心，探究工程測量現(xiàn)狀，介紹工程測量中的三維GIS技術(shù)模塊，以及該技術(shù)在工程測量中的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工程測量；三維GIS；技術(shù)要點(diǎn)

一、前言

工程測量的準(zhǔn)確性直接影響工程項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)的繪畫方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的要求。因此，為實(shí)現(xiàn)大地測繪項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展，必須結(jié)合現(xiàn)代具體環(huán)境和社會(huì)發(fā)展，積極引進(jìn)新的大地測繪技術(shù)，通過與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高度融合，提高工程測量自動(dòng)化程度。此外，由于與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，繪圖結(jié)果更加立體直觀。新制圖技術(shù)的應(yīng)用也在不斷完善。與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比，新技術(shù)不僅能夠有效提高測繪精度，而且使測繪更加便捷高效，為測繪事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、三維GIS技術(shù)的概述及特點(diǎn)

（一）技術(shù)概述

三維GIS技術(shù)的概念相對復(fù)雜，從不同的角度有不同的解釋。對于建筑業(yè)來說，它需要專注于3D視角。3D系統(tǒng)基于3D的概念。與二維系統(tǒng)相比，三維坐標(biāo)可以直觀地反映物體之間的平面關(guān)系和三維關(guān)系。三維系統(tǒng)基于X、Y和Z軸。三維GIS技術(shù)自身的數(shù)據(jù)處理能力較為強(qiáng)大，可以借助于數(shù)據(jù)信息的檢測來向用戶發(fā)送對應(yīng)的圖像和表格，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的土地形狀、位置坐標(biāo)以及其他信息的再現(xiàn)。用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，以此來實(shí)現(xiàn)城市的規(guī)劃管理，進(jìn)行合理化的土地資源利用和配置。有鑒于此，三維地理信息系統(tǒng)激素可以將計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合，以此來構(gòu)成一個(gè)三維空間的信息模型。利用虛擬化的模型，我們可以對萬物所呈現(xiàn)的地理空間和位置信息進(jìn)行分析，提供工程測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

（二）技術(shù)特點(diǎn)

1.三維GIS技術(shù)可以利用數(shù)據(jù)模擬現(xiàn)實(shí)世界中事物的三維空間關(guān)系，幫助用戶更直觀地感知事物在空間中的狀態(tài)。三維GIS技術(shù)可以讓物體按一定的比例進(jìn)行縮放，從而真實(shí)、直觀地顯示虛擬物理圖形屬性的可視化。三維GIS技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)地形特征空間分布的可視化。在表示虛擬地形特征時(shí)，將充分顯示地理空間信息和空間屬性信息。

2.三維GIS技術(shù)不僅直觀地模擬物體外部的三維空間，還提供物體所在空間的準(zhǔn)確反饋，使人們能夠從宏觀角度了解物體的基本信息，確定其所在的區(qū)域。對象根據(jù)實(shí)際情況定位。這個(gè)功能與汽車的導(dǎo)航功能類似。當(dāng)命名它時(shí)，可以使用導(dǎo)航顯示該位置的所有方向。三維GIS的應(yīng)用原理與此類似。通過使用該技術(shù)查看地圖，可以看到周圍的道路、山脈、河流和休閑區(qū)，并將結(jié)果信息顯示為3D圖像，還可以根據(jù)用戶的需要縮放信息。將三維GIS技術(shù)應(yīng)用到工程測量中，可以為工程測量的發(fā)展提供重要的指導(dǎo)和支持。

三、工程測量現(xiàn)狀

從工程測量的實(shí)際發(fā)展來看，工程測量的發(fā)展與測量方法密切相關(guān)，既滿足現(xiàn)代工程測量的實(shí)際需要，又充分認(rèn)識(shí)到技術(shù)手段在工程測量中的重要性。實(shí)際工程測量中采用的技術(shù)手段對被測結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度有比較大的影響。通過應(yīng)用數(shù)字繪圖技術(shù)，可將300米左右的地圖測量過程中產(chǎn)生的內(nèi)部誤差控制在3mm以內(nèi)，有效滿足工程建設(shè)的基本要求。同時(shí)，科學(xué)合理的測量方法也能充分檢驗(yàn)項(xiàng)目的基本結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目環(huán)境。數(shù)據(jù)和信息是未來建設(shè)項(xiàng)目的先決條件，也將對項(xiàng)目的整體質(zhì)量和建設(shè)效率產(chǎn)生重大影響。在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境下，我國采用的測量技術(shù)具有GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、RS技術(shù)等諸多特點(diǎn)，在工程測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，市場發(fā)展空間十分廣闊。GIS技術(shù)具有高精度、高效率的特點(diǎn)。從本質(zhì)上講，地理信息系統(tǒng)技術(shù)是以各個(gè)地理信息系統(tǒng)學(xué)科為技術(shù)核心，通過互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，它保證了與地理信息系統(tǒng)學(xué)科相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)相互交叉。在GIS技術(shù)中，其主要內(nèi)容是基于實(shí)測的施工數(shù)據(jù)。它不僅具有工程數(shù)據(jù)采集和管理的技術(shù)功能，還根據(jù)工程數(shù)據(jù)的基本特征，為工程制圖人員提供決策管理、空間查詢等輔助功能。由于新一代測量技術(shù)的發(fā)展，GIS技術(shù)在工程測量中得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師在工程測量中可以利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)提高工程測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有助于準(zhǔn)確了解施工關(guān)鍵要素，從而更準(zhǔn)確地確定設(shè)施的具體特征，使地理信息系統(tǒng)技術(shù)更好地發(fā)揮其作用。工程測量的主要工作是施工測量和變形監(jiān)測，而測量網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)工程中比較重要的部分。在這項(xiàng)工作中，必須遵循投入產(chǎn)出最大化和高精度的原則，以確保工程測量結(jié)果具有更高的精度[2]。

四、工程測量中的三維GIS技術(shù)模塊

（一）地圖管理技術(shù)模塊

GIS技術(shù)可以智能、快速地整合大量的數(shù)據(jù)庫和地圖數(shù)據(jù)并進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)以各種形式保存地圖和數(shù)據(jù)。GIS技術(shù)具有快速數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、圖像矢量化、投影變換等特點(diǎn)，能很好地滿足我國現(xiàn)代測量技術(shù)的要求。

（二）設(shè)備管理技術(shù)模塊

設(shè)備管理模塊的主要功能是在不影響工作的情況下支持GIS和其他系統(tǒng)同時(shí)正常工作，并快速修復(fù)錯(cuò)誤和丟失的數(shù)據(jù)。它的工作原理是：①能夠確定被測區(qū)域的具體位置，并使用相關(guān)的規(guī)范和設(shè)備類型，便于后期發(fā)現(xiàn)不確定性；②快速尋找待衡量的Goals并模擬上線listing。此外，GIS技術(shù)本身具有圖形、打印和制表功能，大大提高I波段測量的質(zhì)量和效率[3]。

（三）輔助制圖技術(shù)模塊

輔助繪圖功能單元可以有效地輔助工作人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和繪圖，從而提高繪圖項(xiàng)目的效率，對于員工手動(dòng)錄入信息也很有幫助。它簡化了數(shù)據(jù)庫錄入過程，大大減少了調(diào)查人員的工作量。

（四）分析技術(shù)模塊

該模塊可以為工程測量決策者有效測量緩沖區(qū)和空間結(jié)構(gòu)提供很大幫助，為工程測量提供可靠的數(shù)據(jù)，提高工程測量的效率。分析功能模塊還可以為GIS系統(tǒng)在工程測量過程中提供有效實(shí)現(xiàn)和理論依據(jù)，更好地支持GIS系統(tǒng)的運(yùn)行。

五、工程測量中三維GIS技術(shù)的有效應(yīng)用

（一）數(shù)據(jù)管理應(yīng)用

繪制地形圖是進(jìn)行地形測量的重要依據(jù)。通過技術(shù)優(yōu)化，地形圖繪制從傳統(tǒng)的平面、經(jīng)緯儀繪制模式優(yōu)化為三維激光掃描、航拍等數(shù)字繪制技術(shù)。隨著GIS的進(jìn)一步發(fā)展，GIS的空間功能也越來越豐富。地形圖不是以點(diǎn)、線和面的單一數(shù)字地圖的形式繪制，而是更加強(qiáng)調(diào)測量值的共享。對于測量數(shù)據(jù)的處理過程可以應(yīng)用三維GIS技術(shù)，以此確保數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化的錄入，可以最大限度地避免傳統(tǒng)的測量模型中由于人為因素所造成的失誤。三維GIS技術(shù)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，可以對傳統(tǒng)的測量模型中存在的問題進(jìn)行科學(xué)有效的解決。對于制圖，三維GIS技術(shù)可以利用電子地圖的模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手繪地圖，實(shí)現(xiàn)地圖比例尺、投影、地理坐標(biāo)以及對應(yīng)數(shù)據(jù)形式的變換，簡化制圖流程，減少工作量，還可以提升工作效率和準(zhǔn)確性。此外，利用三維GIS技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)空間定位信息和屬性信息的高效存儲(chǔ)，定位和定性對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)基本特點(diǎn)的呈現(xiàn)。在三維GIS技術(shù)的信息存儲(chǔ)過程中，數(shù)據(jù)屬于主要的資產(chǎn)，需要對數(shù)據(jù)做出科學(xué)的分類和組織檢索，比如可以根據(jù)顏色、線條、符號等形式呈現(xiàn)不同的空間對象屬性信息，確保專題圖自身的表現(xiàn)效果，對于不同的地理對象可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)屬性的反饋，提升表現(xiàn)力[4]。

（二）數(shù)據(jù)獲取

目前，具體的數(shù)據(jù)采集方法可分為兩類：一類是點(diǎn)基數(shù)據(jù)采集技術(shù)，主要是利用常規(guī)測量手段，如臺(tái)站儀、天文大地測量儀、GPS接收機(jī)，以及激光雷達(dá)等其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)對面的屬性采集；二類是區(qū)域數(shù)據(jù)收集技術(shù)。它主要利用航空遙感獲取范圍廣泛的圖像，并從中提取物理和幾何特征。傳統(tǒng)的測量方法在收集和更新3D空間數(shù)據(jù)方面存在一些局限性。大多數(shù)不同的數(shù)據(jù)采集方法是互補(bǔ)的。因此，可以使用多個(gè)傳感器獲取更多原始數(shù)據(jù)，并將其組合起來創(chuàng)建3D模型。這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。不同的傳感器組合提供不同的空間數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。最具代表性的研究成果包括結(jié)合地面攝影測量和航空攝影獲取三維空間數(shù)據(jù)；通過結(jié)合“地圖、激光掃描和地面攝影”，從平面和數(shù)字飛機(jī)激光掃描（DSM）表面模型中獲取3D信息；利用3DMAX、OpenGL、AutoCAD、VRML等專業(yè)建模工具制作3D模型，將CCD獲取的信息插入或嵌入到3D模型中，生成真實(shí)的數(shù)字景觀地圖；利用CSG方法建立真實(shí)的3D模型，利用3S技術(shù)建立一體化的地面或車載數(shù)據(jù)系統(tǒng)；使用AutoCAD創(chuàng)建幾何模型，以真實(shí)照片紋理顯示模型，創(chuàng)建真實(shí)的3D模型，然后從地面照片中獲取紋理信息。如圖1所示。

（三）空間分析應(yīng)用

在三維GIS技術(shù)中，可以實(shí)現(xiàn)空間的分析，對其信息進(jìn)行提取、表示和傳輸。在三維GIS的技術(shù)內(nèi)，具備多個(gè)核心功能，涉及空間查詢計(jì)算、路徑分析、緩沖區(qū)分析等。利用三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以勘察海量的數(shù)據(jù)且進(jìn)行綜合化管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類分級表達(dá)。在空間索引功能方面，還可以實(shí)現(xiàn)空間對象和屬性信息的及時(shí)化檢索，根據(jù)實(shí)際情況做出科學(xué)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)階段，數(shù)字模型的分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑工程內(nèi)，可以用數(shù)字化的方式來進(jìn)行地形信息的表達(dá)，比如對坡度和面積等地形的因子數(shù)據(jù)都可以實(shí)現(xiàn)更加便捷的自動(dòng)化計(jì)算。數(shù)字地形模型具備空間位置和地形特點(diǎn)，屬于數(shù)字描述的概念。地形的屬性又叫作高度，則模型可以被稱為高度模型。在制圖學(xué)中，主要用于繪制等深線和坡度，以及三維透視。在工程勘察設(shè)計(jì)中，主要用于選擇施工路線和選址[5]。

（四）測繪技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前，數(shù)字測繪技術(shù)在我國已逐步得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著成效，尤其是在科技高速發(fā)展的背景下，數(shù)字測繪取得的成果得到大家的認(rèn)可。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和激光技術(shù)的逐漸出現(xiàn)，數(shù)字制圖技術(shù)在建筑工程中的效率提高，使其更加可靠，便于建筑工程的快速施工。當(dāng)今時(shí)代，我國數(shù)字地圖技術(shù)仍以數(shù)字化、自動(dòng)化為導(dǎo)向。與傳統(tǒng)繪圖技術(shù)相比，數(shù)字繪圖技術(shù)的發(fā)展具有很好的優(yōu)勢。當(dāng)然，在數(shù)字制圖技術(shù)中，傳統(tǒng)的制圖方法不會(huì)被遺忘。將數(shù)字地圖技術(shù)與傳統(tǒng)地圖技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)共同發(fā)展。

（五）可視化技術(shù)應(yīng)用

只有設(shè)計(jì)良好的地圖模型，才能有效地進(jìn)行工程測量，將測量對象的數(shù)據(jù)信息整合起來，制作可視化地圖，方便人員分析研究。工程測量利用三維GIS技術(shù)繪制地圖，創(chuàng)建3D可視化結(jié)構(gòu)模型，使測量人員更容易直觀、具體地了解實(shí)物。此外，與以往的GIS技術(shù)不同，三維GIS技術(shù)可以傳遞空間信息，通過動(dòng)畫、音視頻等方式增強(qiáng)測量的數(shù)字化和智能化，真實(shí)地展示空間物體的三維結(jié)構(gòu)。

（六）結(jié)果描述

三維GIS空間分析包括網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、緩沖區(qū)分析和疊加分析。借助可視化技術(shù)，可以更加清晰直觀地表達(dá)地理現(xiàn)象的空間分析結(jié)果。例如，如果使用視覺分析方法測量地形，則可以用不連續(xù)或連續(xù)的線段表示明顯的普遍性，甚至?xí)r間或空間的變化，例如，不同地圖頁面上任何元素在不同時(shí)間發(fā)生變化的緩沖區(qū)，都可以使用三維GIS技術(shù)進(jìn)行描述。

（七）數(shù)據(jù)顯示

傳統(tǒng)方法獲取的地理數(shù)據(jù)通常是靜態(tài)的，而三維GIS獲取的數(shù)據(jù)則直觀、動(dòng)態(tài)。過去，人們通過文本或表格級別識(shí)別地理數(shù)據(jù)。使用三維GIS技術(shù)后，他們不僅可以通過聲音感知地理形狀，還可以沉浸在視頻中。同時(shí)，獲取的信息也非常直觀，避免工程測量中的麻煩，提高測量效率。

（八）動(dòng)畫采集

可視化是調(diào)查數(shù)據(jù)的靜態(tài)表示，地圖動(dòng)畫屬于動(dòng)態(tài)的表達(dá)方式，主要是對事物進(jìn)行傳統(tǒng)二維或者三維空間的表達(dá)，根據(jù)時(shí)間來確保地圖內(nèi)涉及時(shí)間的相關(guān)內(nèi)容處于不斷的變化狀態(tài)中。地圖的動(dòng)畫可以有效彌補(bǔ)地圖靜態(tài)產(chǎn)生的不足，確保觀察者可以對時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行更加自然且直觀的分析和理解。

六、三維GIS技術(shù)應(yīng)用

（一）3D數(shù)據(jù)信息的精確獲取

目前，三維GIS技術(shù)在工程測量中最重要的特點(diǎn)是測量結(jié)果的數(shù)字化、集成化和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)處理。獲取信息有兩種方法，其一是點(diǎn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，即以全站儀、空間大地測量技術(shù)和全球定位接收器等傳統(tǒng)測量方法相繼獲取空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)；其二是以平面形式獲得信息，即使用航空航天物體的遙感來獲得廣泛的數(shù)據(jù)和圖像，從中可以獲得物體的物理和幾何特征。

（二）數(shù)據(jù)信息的可視化和計(jì)算

使用三維GIS技術(shù)，可以對不同的處理模型進(jìn)行分類和管理，并將處理后的數(shù)據(jù)顯示為單獨(dú)的主題圖。例如，可以使用不同的顏色或紋理來顯示分類圖，或者使用相同配色方案中的不同飽和度來顯示分類地圖。數(shù)據(jù)信息的分層可視化可以幫助人們更好地理解和使用它。

（三）優(yōu)化數(shù)據(jù)和信息請求的管理

通過三維GIS技術(shù)支持的查詢功能，可以更深入地了解數(shù)據(jù)和信息，使評估更加直觀和準(zhǔn)確。通過比較數(shù)據(jù)分析和幾個(gè)測試結(jié)果之間的誤差，可以集成一個(gè)完整的工程測量系統(tǒng)。借助三維GIS技術(shù)，數(shù)據(jù)可以以文本、圖像或動(dòng)態(tài)視頻的形式顯示，從而節(jié)省了之前數(shù)據(jù)處理的效率。

（四）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的三維可視化

數(shù)據(jù)和信息的三維可視化主要是指利用建模技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，以三維仿真模型的形式表示工程相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助用戶更直觀、更立體地體驗(yàn)工程的實(shí)際結(jié)果。地下管道管理信息系統(tǒng)的功能允許用戶以三維方式查看地下綜合管道。同時(shí)加載和顯示地面信息模型和地下綜合管道模型，并以3D模式執(zhí)行搜索和分析功能。隨著數(shù)字地圖技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新，基于三維地理信息系統(tǒng)的地理信息可視化形式越來越多樣化，不僅限于文本、表格或圖像?，F(xiàn)代GIS技術(shù)還可以通過集成動(dòng)畫、音頻和視頻來顯示空間信息。

（五）描述數(shù)據(jù)信息的空間分析結(jié)果

三維GIS技術(shù)使我們能夠更好地利用數(shù)據(jù)和信息的空間分析能力，包括數(shù)據(jù)分析、緩沖區(qū)分析、地形分析和網(wǎng)絡(luò)分析。借助三維GIS技術(shù)，我們可以將技術(shù)調(diào)查中獲得的地球數(shù)據(jù)可視化，并通過可視化分析不斷顯示地表信息的變化。即使時(shí)間和空間發(fā)生了變化，在三維GIS技術(shù)的支持下，事物的基本信息仍然可以被描述。

（六）事物空間動(dòng)態(tài)信息的動(dòng)態(tài)收集與組織

過去，測量和工程信息是用二維技術(shù)收集的靜態(tài)信息，而信息的收集和使用則滯后。三維GIS技術(shù)也可以是一種與BIM技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)技術(shù)形式，通過調(diào)整時(shí)間線，在3D空間中真正顯示地理空間信息。它還可以在動(dòng)畫模式下顯示這些不斷變化的信息，并提供動(dòng)態(tài)的電子地圖收集和組織。

七、結(jié)語

總之，工程測量在整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目中非常重要，工程測量的準(zhǔn)確性直接影響工程建設(shè)。傳統(tǒng)的測量方法主要采用手工測量。由于地理信息資源及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理相對復(fù)雜，傳統(tǒng)測量效率低下，難以滿足工程實(shí)際測量需求。對于三維GIS技術(shù)來說，需要在工程測量的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對二維平面技術(shù)的局限突破，以此來確保工程測量工作可以逐步達(dá)到高端科技水平，在工程測量效率效果得到提升的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)其空間輪廓、空間屬性的具體化和導(dǎo)向性，為測繪地理信息的可持續(xù)健康發(fā)展提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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作者單位：重慶市勘測院