劉超群+李貞

摘要：從傳統(tǒng)測繪學(xué)的發(fā)展概況及測繪技術(shù)和儀器工具的變革出發(fā)，探討了現(xiàn)代測繪地理信息理論與技術(shù)快速發(fā)展的動力源泉和模式。對當(dāng)前測繪地理信息理論與技術(shù)發(fā)展概況的詳細(xì)綜述以及對我國自主研制的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特別介紹，對未來測繪地理信息理論與技術(shù)發(fā)展的進(jìn)行了展望和定位即：與多學(xué)科進(jìn)行交叉融合，服務(wù)于現(xiàn)代化建設(shè)。

Abstract： Based on the development survey of the traditional surveying and mapping technology and the transformation of surveying and mapping technology and instruments， the power source and mode of modern surveying and mapping geographic information theory and technology are discussed. Overview of current surveying and mapping geographic information theory and technology development situation and on China has independently developed the Beidou navigation positioning system are especially introduced， for the future of Surveying and mapping geographic information theory and technology development of prospects and positioning：and the multi subject of cross fusion， service to the modernization construction.

關(guān)鍵詞： 傳統(tǒng)測繪學(xué)；信息化測繪；現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)；“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)；服務(wù)

Key words： traditional surveying and mapping；information mapping；modern geographic information technology；Beidou navigation satellite systems；services

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0245-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，測繪學(xué)理論和技術(shù)發(fā)生了天翻地覆的新變化，傳統(tǒng)測繪學(xué)理論和技術(shù)已不再能滿足當(dāng)前人類社會對于“智慧城市”、“數(shù)字地球”[1]的需求。近幾十年來，現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，我國已基本完成了從傳統(tǒng)測繪過度到數(shù)字化測繪的過渡，朝著信息化測繪前進(jìn)[2]。

1 傳統(tǒng)測繪學(xué)的發(fā)展概況

測繪學(xué)是一門有著悠久歷史的學(xué)科，古時(shí)期人類的測繪技術(shù)起源于土地丈量和洪水整治。古時(shí)期埃及人使用簡單測量工具進(jìn)行土地丈量。在古中國，大禹治水就運(yùn)用了一些簡單的測繪技術(shù)，“左準(zhǔn)繩，右規(guī)矩，載四時(shí)，以開九州、通九道、陂九澤、度九山”[3]。從公元前6世紀(jì)古希臘科學(xué)家最早提出“地球形概念”開始，其后，亞里士多德（Aristotle）、埃拉托斯特尼（Era-tosthenes）等進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并改名為“地圓說”?！暗乇庹f”被英國科學(xué)家牛頓和荷蘭惠更斯所提出，并用物理力學(xué)的方法證明地球是橢球體。經(jīng)過幾年后，地球是橢球體這一事實(shí)被當(dāng)時(shí)的科學(xué)界所認(rèn)同。“大地水準(zhǔn)面”（1873年提出）一詞被德國科學(xué)家利斯廷第一次命名并使用，用它來表示地球體的形態(tài)。蘇聯(lián)人提出“似大地水準(zhǔn)面”（1945年提出）的說法，從而解決了重力歸算這一難題，豐富了大地測量學(xué)科理論。人類花費(fèi)數(shù)千年，通過對地球形態(tài)的認(rèn)識和精確測定，來不斷豐富了測繪學(xué)的理論。

2 測繪技術(shù)和儀器工具的變革

測繪儀器工具經(jīng)歷了從機(jī)械式測量儀器到光學(xué)測繪儀器，再到電子自動化測繪儀器的變革。

在中國宋代，工匠用繩尺以較曲直、量長短，人們就開始使用簡單的量測距離的工具。17世紀(jì)初荷蘭人造出了世界上第一架望遠(yuǎn)鏡。隨著望遠(yuǎn)鏡的出世，英國誕生了第一架經(jīng)緯儀（大約在1730年）。其后近300年至今，測繪儀器出現(xiàn)了大變革，從水準(zhǔn)儀、平板儀、電子測距儀、全站儀、航測無人機(jī)、三維激光掃描儀，而今出現(xiàn)了“無所不能”的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNNS）、遙感衛(wèi)星[4]等，現(xiàn)代測繪儀器具備了數(shù)字化，智能化，信息化等優(yōu)勢。測繪儀器智能化、數(shù)字化使測繪作業(yè)自動化成為了可能，大大減少了人工操作所帶來的誤差，而且改變了傳統(tǒng)的測繪學(xué)理論和技術(shù)，測繪的對象也由地球擴(kuò)展到月球和其他星球。

3 現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)簡介

信息化測繪是現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)，知識創(chuàng)新和技術(shù)帶動能力是其主要的發(fā)展特征。目前，它發(fā)展成為以建立航空航天、地面和海洋等平臺來獲取外界及其目標(biāo)物的特征、位置、屬性及其相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科[5]?，F(xiàn)代空間定位技術(shù)（GNSS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展極大限度的推動了現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。因此，現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)主要分為地面測量技術(shù)和空間測量技術(shù)。

3.1 地面測量技術(shù)

現(xiàn)代測繪工作中使用的地面經(jīng)典儀器已從光學(xué)儀器，發(fā)展成為光、機(jī)、電、算一體化和智能化的現(xiàn)代光學(xué)儀器。地面測量技術(shù)主要包括：測量機(jī)器人、三維激光掃描儀、移動測量系統(tǒng)[6]、數(shù)字近景攝影測量[7]。

①測量機(jī)器人是一種智能型電子全站儀[8]。2016年3月，人工智能“谷歌AlphaGo”以4：1的絕對優(yōu)勢戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍選手李世石，標(biāo)志著人工智能技術(shù)取得的跨時(shí)代進(jìn)步?，F(xiàn)代測繪儀器中測量機(jī)器人類似于“谷歌AlphaGo”，它集多種現(xiàn)代高技術(shù)于一身，通過多種傳感器對現(xiàn)實(shí)世界中的“測量目標(biāo)物”進(jìn)行識別，作出分析，得出推理結(jié)果，實(shí)行全自動操作，取代人工測量操作來完成某項(xiàng)特定的測量任務(wù)。目前最新的、最前沿的測量機(jī)器人產(chǎn)品有TCA2003（Laica公司生產(chǎn)）、Elta S系列（蔡司生產(chǎn)）、GTS-750/GPT7500系列（Topcon生產(chǎn)）等。endprint

②三維激光掃描儀通過不接觸目標(biāo)物本身采用激光測量的方法，通過采集大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)來描述目標(biāo)物表面的形態(tài)位置特征。其工作原理為發(fā)射器發(fā)出高速激光來掃描目標(biāo)物，接收器接收信號，并對信號進(jìn)行處理，把處理的數(shù)據(jù)用軟件進(jìn)行后處理，最后獲取最終測量成果數(shù)據(jù)。地面三維激光掃描中的關(guān)鍵技術(shù)有：1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪及平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡化。2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割。3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型重建[9]。

③移動測量系統(tǒng)是一種通過把先進(jìn)的傳感器和攝影儀安放在車載（通常指火車、汽車）、機(jī)載（通常指飛機(jī)）等上來快速高效地獲取測量影像數(shù)據(jù)的攝影測量系統(tǒng)，可以說，當(dāng)前移動測量技術(shù)代表著當(dāng)今世界最尖端的測繪科技。就一般而言，大部分移動測量系統(tǒng)都是運(yùn)用3S（即GNNS全球定位系統(tǒng)，RS遙感技術(shù)，GIS地理信息系統(tǒng)）集成原理，其典型代表有：測繪車。我國于2011年9月研制出第一臺測繪車叫國家地理信息應(yīng)急監(jiān)測車[10]，它利用3S技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等先進(jìn)測繪地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速自動構(gòu)建三維立體模型，對災(zāi)情進(jìn)行立體判別和解讀，為緊急救災(zāi)現(xiàn)場預(yù)急等提供輔助決策。

3.2 空間測量技術(shù)

自古以來，人類向往太空。1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)，從此開啟了人類探索太空的新紀(jì)元[10]。近110多年來，航天航空技術(shù)得到了飛速發(fā)展，同時(shí)帶動了現(xiàn)代空間測量技術(shù)的快速發(fā)展和變革。1964年，美國軍方出于軍事目的建成并使用全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS），從此開啟了衛(wèi)星導(dǎo)航定位新時(shí)代，現(xiàn)代空間測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，最主要的空間測量技術(shù)有5種，即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，CORS系統(tǒng)[11]，遙感技術(shù)，SAR技術(shù)[12]，機(jī)載Lidar技術(shù)[13]。其中CORS系統(tǒng)是在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立永久基站，用戶可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)地理位置。我國在遙感技術(shù)方面處于世界前列，目前我國已發(fā)射天匯一號01、02號，資源一號02C，資源三號，高分一號，高分二號等高分辨遙感衛(wèi)星。SAR技術(shù)又叫做合成孔徑雷達(dá)技術(shù)是一種新型的高分辨率微波成像遙感技術(shù)以其特有全天候、全天時(shí)的對地觀測優(yōu)勢可以和傳統(tǒng)的遙感技術(shù)形成互補(bǔ)。下面著重介紹我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，簡稱GNSS[14]，是所有在軌工作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱；我國的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（COMPASS）、美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、歐盟的“伽利略”（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及俄羅斯的“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）一起被聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會確認(rèn)為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中以美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）建立最早，系統(tǒng)最為完善，導(dǎo)航定位服務(wù)最好，全球用戶最多。美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）由空間部分，地面控制系統(tǒng)，用戶設(shè)備部分三部分組成，其中空間部分由24顆衛(wèi)星組成（其中有3顆是備用衛(wèi)星），24顆衛(wèi)星均勻分布在傾角為55°的6個(gè)軌道面上。不考慮其他因素，理論上的GPS用戶只要接收其中任意的4顆衛(wèi)星就可以獲取位置坐標(biāo)信息。近幾十年來，GPS得到了廣泛應(yīng)用。我國從2000年開始建立本國自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2015年9月底共發(fā)射了20顆導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，服務(wù)方式為免費(fèi)開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩大方式，定位精度為平面25m，高程30m，測速精度0.4m/s，授時(shí)精度為50ns（納秒）。目前我國有很多測繪公司，正在研究與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能兼容的北斗用戶終端。中國工程院院士劉經(jīng)南介紹，2016年年底將建成北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，該套系統(tǒng)建成后，能向國內(nèi)各行業(yè)提供1m以內(nèi)的高精度定位導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。目前北伽導(dǎo)航正在開展高精度芯片研發(fā)，與北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對接。

4 現(xiàn)代測繪地理信息理論與技術(shù)發(fā)展的展望

從測繪學(xué)發(fā)展到測繪地理信息學(xué)，經(jīng)歷了學(xué)科的大交叉大融合，從單一學(xué)科走向多學(xué)科的交叉，顯示現(xiàn)代測繪學(xué)正向著近年來興起的一門新興學(xué)科——地理空間信息科學(xué)（Geo-Spatial Information Science，簡稱Geomatics）跨越和融合[15]。目前測繪地理信息理論與技術(shù)取得的巨大成就離不開空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測未來測繪地理信息理論與技術(shù)的發(fā)展同樣離不開先進(jìn)測繪儀器的出現(xiàn)和與測繪地理信息其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。21世紀(jì)是服務(wù)業(yè)的時(shí)代，我國現(xiàn)代化建設(shè)離不開測繪地理信息理論與技術(shù)，希望測繪地理信息學(xué)能把服務(wù)的宗旨發(fā)揚(yáng)光大。

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