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【摘 要】随着测绘科学技术的快速发展,工程测量技术的发展也非常快。综合近几年的工程测量发展情况,预测未来,我们认为:三维测绘技术、地下管线智能化探测与管理技术、数字城市地理空间框架等三方面将是未来工程测量科技发展有较大影响的核心技术。
【关键词】三维测绘技术;地下管线;数字城市
一、三维测绘技术
三维测绘就是测量目标的空间三维坐标,确定三维目标的几何形状、空间位置和空间姿态,对目标进行三维重建并尽可能真实地在计算机上再现目标的技术。目前的测绘都是基于2+1维理论而建立起来的测量体系:二维确定目标的平面位置,一维确定目标的高程。
三维测绘的需求是迫切的,但其现状并不乐观,发展很不平衡。下面从三维测量仪器说明三维测量技术的现状。三维测量仪器有卫星定位测量系统,全站仪、摄影测量仪器、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、关节臂三坐标量测仪。前三种仪器是大家所熟悉的三维测量仪器。三维激光扫描仪是近几年发展起来的新型三维测绘仪器。后两种仪器是工业测量中常用的仪器。
(1)卫星定位测量系统；(2)全站仪；(3)攝影测量系统；(4)三维激光扫描仪；(5)激光跟踪仪。
三维测量技术在仪器方面已经做好了充分准备,但在标准与规范的制定、理论方面的研究、软件方面的研制、三维地理信息系统研究、三维测量与2+1维测量的关系等方面还有很多问题需要研究,是今后的发展方向。
二、地下管线智能化探测与管理技术
地下管线是城市基础设施的重要组成部分,被称为城建“生命线”,随着城市建设的快速发展,地下管线现势化和安全日益被城市各级领导重视。
1.存在的问题
(1) 地下管线探测技术赶不上日益发展的城市
建设对地下管线信息的需求地下管线种类和材质繁多、地下分布错综复杂,探测难度大。目前对于金属管线常采用地下管线探测仪;对于非金属管线和深埋较大管线常采用地质雷达。但是对于近间距离、埋层深、管线交错时很难探测,往往需要开挖。另外对于管道缝隙、破裂更难探测。
(2) 地下管线资料离散存储,格式多样,准确性差,利用困难长期以来我国城市地下管线分属不同单位建设和管理,其资料分散在城市不同单位和部门管理。由于各管线权属单位对资料管理重视程度的差异,获取和存储地下管线信息的方式不同,以及信息化建设工作不均衡,致使现状地下管线资料具有多源性、多样性、离散性和时空差异性等特点。造成管道资料完整性、准确性及与现状的一致性都存在问题,有时甚至矛盾重重,地下管线资料利用困难。
(3) 地下管线信息资源产权部门化,信息共享程度低
由于一些政府部门将地下管线信息资源权属部门化,有意或无意地形成信息利用的壁垒,造成信息重复采集、重复进行地下管线信息系统建设。因此,城市地下空间信息化建设首先需要解决的问题是,应将城市地下空间作为一个整体加以规划建设,而不应人为地孤立和分割信息,并对已有分布在城市不同单位、不同类型、不同形式的地下空间资料进行整合,建立分布式的城市地下空间数据库。
(4) 地下管线信息动态更新程度低,缺少长效机制保证
为了掌握现势、准确和完整的地下管线信息,目前国内各城市通行的运作模式是:通过前期城市地下管线普查,建立城市地下管线信息管理系统,通过其后的地下管线竣工测量对城市地下管线信息管理系统的数据进行动态更新。但是,由于缺少相关的技术标准和法规的支撑,以及没有建立地下管线的动态管理机制,在地下管线普查之后,真正做到对地下管线进行动态管理的城市很少,导致几年后随着城市建设的不断发展,原先建立的系统成为一潭死水,不能发挥其应有的效能,造成财政投资的浪费。
2.地下管线应重点研究的内容
地下管线应研究的问题很多,除政策法规、管理体制外,在技术层面上重点有以下研究内容。
(1) 变频式调相地质雷达研究
目前国内外地质雷达都是采用单频脉冲式固定天线,只能测浅层、固定深度。采用变频式调相信号可以提高信号质量、抗干扰强,可用于不同深度。
(2) 智能管道机器人
将装有裂缝探测功能设备和导航功能的机器人放入管道内,通过图像技术和通信技术将图像传到地面,以分析管道裂缝。
(3) 加速城市地下管线信息化进程
近两年来,随着城市建设的快速发展,各政府部门、管线权属单位和建设单位对城市地下管线信息共享需求日益迫切。因此,应将城市地下空间作为一个整体加以统一规划建设,制定地下管线信息管理技术标准、法规。建立一个能够支持分布式地下管线集成应用和共享的框架,一方面使得处于异构环境、分布存放的各种专业地下管线数据库协同工作,满足人们对地下管线信息不断增加的需求;另一方面,由于信息的共享,各部门不需要再对同一目标重复进行数据采集、处理和建库,极大地降低了数据更新的成本。
三、数字城市地理空间框架
1.数字城市地理空间框架数据体系建设
数据体系是数字城市地理空间框架的核心,是被多数用户使用、依据通用标准要求建立与维护、可以共享的核心数据集,是信息化建设中数据量最大、覆盖面最宽、应用面最广的信息资源之一。
(1) 测绘基准体系建设
数字城市地理空间框架中的所有基础地理信息数据必须以全国统一的测绘基准为基础。为此,首先需要在国家测绘基准体系下建立并不断完善地方测绘基准体系,包括确定采用的空间定位基准、建立覆盖地区的空间大地控制网和连续运行卫星定位服务系统,要求精度高、现势性好,为区域地理信息的获取、处理、开发利用和实现地理信息资源共享奠定坚实的基础。
(2) 基础地理信息数据
基础地理信息数据是数字城市地理空间框架的重要基础和核心内容,具有多尺度、多分辨率、多数据源、多时相、标准化、基础性、一致性等特点。基础地
理信息的数据类型主要分为两大类,即矢量数据与栅格数据及其相应的元数据,其中,矢量数据主要表达地形要素、地籍要素等图形、属性及其关系特征,栅格数据主要描述地表的影像特征与高程特征等。 (3) 数据生产
数据生产,一般是指第一代基础地理信息的数据采集。此后,在已有数据基础上的数据采集,其性质将属于“数据更新”。数据生产在总体技术上要符合数据的标准化要求和数据的特性要求。数据生产的技术路线由数据生产体系、数据生产流程和数据生产的规划实施三大部分组成。基础地理信息的数据生产体系一般由数据源获取、数据处理加工、数据质量检查评定三个阶段构成。
(4) 数据库建设
地理空间数据库建设是整个数字城市地理空间框架建设的核心,应遵循系统工程的方法论和软件工程的建设规范进行设计实施。数据库建设的过程一般可分为六个阶段:立项规划、需求分析、系统设计、系统实施、运行维护和验收评价。
(5) 数据更新
数据更新的主要目的是确保数据的现势性,同时提高数据的准确性与完整性。数据更新的技术方法主要有: ①DOM采用全面更新,利用新影像数据源,通过正射纠正制作新一代DOM;②DEM主要采取局部更新; ③DLG,DRG采取主要要素分层更新与全面更新相结合。
2.数字城市地理空间框架数据交换体系建设
(1) 数据目录
数字城市地理空间框架数据目录是数字城市地理空间框架信息管理发布的重要手段,在相应的软硬件设备和网络技术支撑基础上,按照一定的法律、法规和规章制度,通过签订网络协议,向社会发布数字城市基础地理信息产品目录、元数据以及可公开浏览和查询的地理空间框架数据,从而有助于地理空间信息共建共享。
(2) 交换网络
数字城市地理空间框架数据交换网络系统由数据生产网络、办公自动化网络、接入的互联网和广域网四网组成,是数字城市地理空间框架的整个网络架构,这个网络架构的中心也是国家基础地理信息系统数据传输网络的一级节点和国家级数据交换网络体系的主节点。它分为两个层次,一是纵向的网络连接,主要是国家、省市级地理空间信息数据交换网络;二是横向的网络连接,市域各委办局之间地理空间信息和行业专题数据交换网络。
(3) 交换中心
城市地理空间框架数据交换中心的建设以地理空间基础信息框架建设工程为依托,建立以元数据信息导航的网络查询与应用机制,使各方面的用户都能够在线查询并获得所需要的数据,最终实现在线分析和集成地理空间信息数据。基于对象关系数据模型和WebGIS技术,通过各地区基础测绘信息网上发布系统的建设,建立各级地理空间信息4数据交换中心网站,区分内外网连接,集地理空间信息发布、成果目录信息和产品元数据交換,以及测绘资料档案管理、窗口服务等功能于一体。
3.数字城市地理空间框架政策法规标准体系建设
数字城市地理空间框架建设是地理空间信息产业建设的重要内容,与之相关的地理空间信息产业政策和法规非常少,加快地理空间信息产业的相关政策法规的制定是当务之急。具体来讲,政策方面主要包括:立项投资政策、共建共享政策、版权保护政策、信息产业政策、发展战略政策等;法规建设方面主要包括:测绘法规、成果汇交和管理法规、安全保密法规、价格法规等。政策法规体系建设是确保数字城市地理空间框架的建立和正常运行的保障,有待有关主管部门进行立法或出台相关政策。
4.数字城市地理空间框架公共服务体系建设
按照地理信息产品的表现形式,数字城市地理空间框架的公共产品可以分为数字形式的产品、模拟形式的产品、网络地图产品和特种地图产品等。为了方便用户查找地理信息及提供有关信息加工处理等服务,需要建立网络化地理信息服务设施,它一般要具备四个方面的功能:一是向用户提供地理信息的元数据信息;二是对地理信息进行网络浏览与制图,满足普通大众对地理信息的需要;三是允许用户根据规定或授权直接下载地理信息,并提供相应的技术支持;四是提供开放式访问接口。数字城市地理空间框架公共服务平台是一种重要的区域级网络化地理信息服务设施,其功能体系构成包括门户网站系统、信息认证系统、信息分发服务系统、产品制作管理系统等四部分。但其功能体系都不健全,有的也有待开发或改进。
四、结束语
三维测绘技术、地下管线智能化探测与管理技术、数字城市地理空间框架是工程测量技术今后几年的重要发展方向。由于工程测量技术领域涉及的范围广,还有可能出现新的重要发展领域,我们要随时关注工程测量新技术的出现和发展,努力推动和促进我国的工程测量技术赶上和超过世界先进水平。
【关键词】三维测绘技术;地下管线;数字城市
一、三维测绘技术
三维测绘就是测量目标的空间三维坐标,确定三维目标的几何形状、空间位置和空间姿态,对目标进行三维重建并尽可能真实地在计算机上再现目标的技术。目前的测绘都是基于2+1维理论而建立起来的测量体系:二维确定目标的平面位置,一维确定目标的高程。
三维测绘的需求是迫切的,但其现状并不乐观,发展很不平衡。下面从三维测量仪器说明三维测量技术的现状。三维测量仪器有卫星定位测量系统,全站仪、摄影测量仪器、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、关节臂三坐标量测仪。前三种仪器是大家所熟悉的三维测量仪器。三维激光扫描仪是近几年发展起来的新型三维测绘仪器。后两种仪器是工业测量中常用的仪器。
(1)卫星定位测量系统；(2)全站仪；(3)攝影测量系统；(4)三维激光扫描仪；(5)激光跟踪仪。
三维测量技术在仪器方面已经做好了充分准备,但在标准与规范的制定、理论方面的研究、软件方面的研制、三维地理信息系统研究、三维测量与2+1维测量的关系等方面还有很多问题需要研究,是今后的发展方向。
二、地下管线智能化探测与管理技术
地下管线是城市基础设施的重要组成部分,被称为城建“生命线”,随着城市建设的快速发展,地下管线现势化和安全日益被城市各级领导重视。
1.存在的问题
(1) 地下管线探测技术赶不上日益发展的城市
建设对地下管线信息的需求地下管线种类和材质繁多、地下分布错综复杂,探测难度大。目前对于金属管线常采用地下管线探测仪;对于非金属管线和深埋较大管线常采用地质雷达。但是对于近间距离、埋层深、管线交错时很难探测,往往需要开挖。另外对于管道缝隙、破裂更难探测。
(2) 地下管线资料离散存储,格式多样,准确性差,利用困难长期以来我国城市地下管线分属不同单位建设和管理,其资料分散在城市不同单位和部门管理。由于各管线权属单位对资料管理重视程度的差异,获取和存储地下管线信息的方式不同,以及信息化建设工作不均衡,致使现状地下管线资料具有多源性、多样性、离散性和时空差异性等特点。造成管道资料完整性、准确性及与现状的一致性都存在问题,有时甚至矛盾重重,地下管线资料利用困难。
(3) 地下管线信息资源产权部门化,信息共享程度低
由于一些政府部门将地下管线信息资源权属部门化,有意或无意地形成信息利用的壁垒,造成信息重复采集、重复进行地下管线信息系统建设。因此,城市地下空间信息化建设首先需要解决的问题是,应将城市地下空间作为一个整体加以规划建设,而不应人为地孤立和分割信息,并对已有分布在城市不同单位、不同类型、不同形式的地下空间资料进行整合,建立分布式的城市地下空间数据库。
(4) 地下管线信息动态更新程度低,缺少长效机制保证
为了掌握现势、准确和完整的地下管线信息,目前国内各城市通行的运作模式是:通过前期城市地下管线普查,建立城市地下管线信息管理系统,通过其后的地下管线竣工测量对城市地下管线信息管理系统的数据进行动态更新。但是,由于缺少相关的技术标准和法规的支撑,以及没有建立地下管线的动态管理机制,在地下管线普查之后,真正做到对地下管线进行动态管理的城市很少,导致几年后随着城市建设的不断发展,原先建立的系统成为一潭死水,不能发挥其应有的效能,造成财政投资的浪费。
2.地下管线应重点研究的内容
地下管线应研究的问题很多,除政策法规、管理体制外,在技术层面上重点有以下研究内容。
(1) 变频式调相地质雷达研究
目前国内外地质雷达都是采用单频脉冲式固定天线,只能测浅层、固定深度。采用变频式调相信号可以提高信号质量、抗干扰强,可用于不同深度。
(2) 智能管道机器人
将装有裂缝探测功能设备和导航功能的机器人放入管道内,通过图像技术和通信技术将图像传到地面,以分析管道裂缝。
(3) 加速城市地下管线信息化进程
近两年来,随着城市建设的快速发展,各政府部门、管线权属单位和建设单位对城市地下管线信息共享需求日益迫切。因此,应将城市地下空间作为一个整体加以统一规划建设,制定地下管线信息管理技术标准、法规。建立一个能够支持分布式地下管线集成应用和共享的框架,一方面使得处于异构环境、分布存放的各种专业地下管线数据库协同工作,满足人们对地下管线信息不断增加的需求;另一方面,由于信息的共享,各部门不需要再对同一目标重复进行数据采集、处理和建库,极大地降低了数据更新的成本。
三、数字城市地理空间框架
1.数字城市地理空间框架数据体系建设
数据体系是数字城市地理空间框架的核心,是被多数用户使用、依据通用标准要求建立与维护、可以共享的核心数据集,是信息化建设中数据量最大、覆盖面最宽、应用面最广的信息资源之一。
(1) 测绘基准体系建设
数字城市地理空间框架中的所有基础地理信息数据必须以全国统一的测绘基准为基础。为此,首先需要在国家测绘基准体系下建立并不断完善地方测绘基准体系,包括确定采用的空间定位基准、建立覆盖地区的空间大地控制网和连续运行卫星定位服务系统,要求精度高、现势性好,为区域地理信息的获取、处理、开发利用和实现地理信息资源共享奠定坚实的基础。
(2) 基础地理信息数据
基础地理信息数据是数字城市地理空间框架的重要基础和核心内容,具有多尺度、多分辨率、多数据源、多时相、标准化、基础性、一致性等特点。基础地
理信息的数据类型主要分为两大类,即矢量数据与栅格数据及其相应的元数据,其中,矢量数据主要表达地形要素、地籍要素等图形、属性及其关系特征,栅格数据主要描述地表的影像特征与高程特征等。 (3) 数据生产
数据生产,一般是指第一代基础地理信息的数据采集。此后,在已有数据基础上的数据采集,其性质将属于“数据更新”。数据生产在总体技术上要符合数据的标准化要求和数据的特性要求。数据生产的技术路线由数据生产体系、数据生产流程和数据生产的规划实施三大部分组成。基础地理信息的数据生产体系一般由数据源获取、数据处理加工、数据质量检查评定三个阶段构成。
(4) 数据库建设
地理空间数据库建设是整个数字城市地理空间框架建设的核心,应遵循系统工程的方法论和软件工程的建设规范进行设计实施。数据库建设的过程一般可分为六个阶段:立项规划、需求分析、系统设计、系统实施、运行维护和验收评价。
(5) 数据更新
数据更新的主要目的是确保数据的现势性,同时提高数据的准确性与完整性。数据更新的技术方法主要有: ①DOM采用全面更新,利用新影像数据源,通过正射纠正制作新一代DOM;②DEM主要采取局部更新; ③DLG,DRG采取主要要素分层更新与全面更新相结合。
2.数字城市地理空间框架数据交换体系建设
(1) 数据目录
数字城市地理空间框架数据目录是数字城市地理空间框架信息管理发布的重要手段,在相应的软硬件设备和网络技术支撑基础上,按照一定的法律、法规和规章制度,通过签订网络协议,向社会发布数字城市基础地理信息产品目录、元数据以及可公开浏览和查询的地理空间框架数据,从而有助于地理空间信息共建共享。
(2) 交换网络
数字城市地理空间框架数据交换网络系统由数据生产网络、办公自动化网络、接入的互联网和广域网四网组成,是数字城市地理空间框架的整个网络架构,这个网络架构的中心也是国家基础地理信息系统数据传输网络的一级节点和国家级数据交换网络体系的主节点。它分为两个层次,一是纵向的网络连接,主要是国家、省市级地理空间信息数据交换网络;二是横向的网络连接,市域各委办局之间地理空间信息和行业专题数据交换网络。
(3) 交换中心
城市地理空间框架数据交换中心的建设以地理空间基础信息框架建设工程为依托,建立以元数据信息导航的网络查询与应用机制,使各方面的用户都能够在线查询并获得所需要的数据,最终实现在线分析和集成地理空间信息数据。基于对象关系数据模型和WebGIS技术,通过各地区基础测绘信息网上发布系统的建设,建立各级地理空间信息4数据交换中心网站,区分内外网连接,集地理空间信息发布、成果目录信息和产品元数据交換,以及测绘资料档案管理、窗口服务等功能于一体。
3.数字城市地理空间框架政策法规标准体系建设
数字城市地理空间框架建设是地理空间信息产业建设的重要内容,与之相关的地理空间信息产业政策和法规非常少,加快地理空间信息产业的相关政策法规的制定是当务之急。具体来讲,政策方面主要包括:立项投资政策、共建共享政策、版权保护政策、信息产业政策、发展战略政策等;法规建设方面主要包括:测绘法规、成果汇交和管理法规、安全保密法规、价格法规等。政策法规体系建设是确保数字城市地理空间框架的建立和正常运行的保障,有待有关主管部门进行立法或出台相关政策。
4.数字城市地理空间框架公共服务体系建设
按照地理信息产品的表现形式,数字城市地理空间框架的公共产品可以分为数字形式的产品、模拟形式的产品、网络地图产品和特种地图产品等。为了方便用户查找地理信息及提供有关信息加工处理等服务,需要建立网络化地理信息服务设施,它一般要具备四个方面的功能:一是向用户提供地理信息的元数据信息;二是对地理信息进行网络浏览与制图,满足普通大众对地理信息的需要;三是允许用户根据规定或授权直接下载地理信息,并提供相应的技术支持;四是提供开放式访问接口。数字城市地理空间框架公共服务平台是一种重要的区域级网络化地理信息服务设施,其功能体系构成包括门户网站系统、信息认证系统、信息分发服务系统、产品制作管理系统等四部分。但其功能体系都不健全,有的也有待开发或改进。
四、结束语
三维测绘技术、地下管线智能化探测与管理技术、数字城市地理空间框架是工程测量技术今后几年的重要发展方向。由于工程测量技术领域涉及的范围广,还有可能出现新的重要发展领域,我们要随时关注工程测量新技术的出现和发展,努力推动和促进我国的工程测量技术赶上和超过世界先进水平。