现代测绘新技术的发展

1.1.2　现代测绘新技术的发展

当今社会已进入信息时代，世界各国都把加速信息化进程视为新型发展战略，测绘信息服务的方式和内容在国家信息化的大环境下发生了深刻变化，由此促进了测绘信息化的发展，推动测绘事业优化升级，充分发挥测绘在国家经济建设和社会发展中的作用，继而催生了信息化测绘的新概念，因此现阶段的测绘科学技术学科的发展现状和趋势，主要是以3S技术为代表的现代测绘技术作支撑，发展地理空间信息的快速获取、自动化处理、一体化管理和网络化服务，以此推进信息化测绘的建设进程。

传统的测绘技术由于受到观测仪器和方法的限制，只能在地球的某一局部区域进行测量工作，而空间导航定位、航空航天遥感、地理信息系统和数据通信等现代信息技术的发展及其相互渗透和集成，则为我们提供了对地球整体进行观察和测绘的工具。卫星航天观测技术能采集全球性、重复性的连续对地观测数据，数据的覆盖可达全球范围，因此这类数据可用于对地球整体的了解和研究，这就好像把地球放在实验室里进行观察、测绘和研究一样。现代测绘高新技术日新月异的迅猛发展，使得测绘学的理论基础、测绘工程技术体系、研究领域和科学目标等正在适应新形势的需要而发生深刻的变化。GPS等空间定位技术的引进，导致大地测量从分维式发展到整体式，从静态发展到动态，从描述地球的几何空间发展到描述地球的物理—几何空间，从地表层测量发展到地球内部结构的反演，从局部参考坐标系中的地区性测量发展到统一地心坐标系中的全球性测量。大地测量学已成为测绘学和地学领域的基础性学科。摄影测量本身已完成了“模拟摄影测量”与“解析摄影测量”的发展历程，现正在进入“数字摄影测量”阶段。由于现代航天技术和计算机技术的发展，当代卫星遥感技术可以提供比光学摄影所获得的黑白像片更加丰富的影像信息，因此在摄影测量中引进了卫星遥感技术，形成了航天测绘。摄影测量学中由于应用了遥感技术，并与计算机视觉等交叉融合，因此它已是基于电子计算机的现代图像信息学科。随着计算机地图制图和地图数据库技术的飞速发展，作为人们认知地理环境和利用地理条件的根据，地图制图学已进入数字(电子)制图和动态制图的阶段，并且成为地理信息系统的支撑技术。地图制图学已发展成为以图形和数字形式传输空间地理环境的学科。现代工程测量学也已远离了单纯为工程建设服务的狭隘概念，正向着所谓“广义工程测量学”方向发展，即“一切不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量和不属于公务测量的应用测量，都属于工程测量”。工程测量的发展可概括为内外业一体化、数据获取与处理自动化、测量工程控制和系统行为的智能化、测量成果和产品的数字化。同样，在海洋测量中，广泛应用先进的激光探测技术、空间定位与导航技术、计算机技术、网络技术、通信技术、数据库管理技术以及图形图像处理技术，使海洋测量的仪器和测量方法自动化和信息化。测绘学科的这些变化从技术层面上影响到测绘学科由传统的模拟测绘过渡到数字化测绘，例如测绘生产任务由纸上或类似介质的地图编制、生产和更新发展到对地理空间数据的采集、处理、分析和显示，出现了所谓的“4D”测绘系列产品，即数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字栅格地图(DRG)和数字线画图(DLG)。测绘学科和测绘工作正在向着信息采集、数据处理和成果应用的数字化、网络化、实时化和可视化的方向发展，生产中体力劳动得到解放，生产力得到很大的提高。今天的光缆通信、卫星通信、数字化多媒体网络技术可使测绘产品从单一的纸质信息转变为磁盘和光盘等电子信息，测绘生产产品分发方式从单一的邮路转到“电路”(数字通信和计算机网络、传真等)，测绘产品的形式和服务社会的方式由于信息技术的支持发生了很大的变化，表现为以高新技术为支撑和动力，测绘行业和地理信息产业正成为新世纪的朝阳产业。它的服务范围和对象正在不断扩大，不再是原来单纯从控制到测图，为国家制作基本地形图，而是扩大到国民经济和国防建设中与地理空间数据有关的各个领域。

1.1.2.1　卫星导航定位

1.现代测绘基准建设

现代测绘基准(又称地理空间信息基准)，是确定地理空间信息的几何形态和时空分布的基础，是反映真实世界空间位置的参考基准，它由大地测量坐标系统、高程系统/深度基准、重力系统和时间系统及其相应的参考框架组成。近年来我国现代测绘基准的建设取得了重要进展。基于现代理念和高新技术的新一代大地坐标系已进入实用阶段。经国务院批准，我国自2008年7月1日起启用“2000国家大地坐标系(简称CGS2000)”，并规定CGS2000与现行国家大地坐标系的转换、衔接过渡期为8～10年。关于我国的高程基准，除了建立新的一等精密水准网作为高程参考框架外，还可借助厘米级精度(似)大地水准面形成全国统一的高程基准。因此我国信息化测绘体系所要建立的现代测绘基准则是在多种现代大地测量技术支撑下的全国统一、高精度、地心、动态的几何—物理一体化的测绘基准。

“5·12”汶川大地震将灾区原有维护测绘基准的国家平面与高程系统以及城市坐标系的控制点摧毁殆尽，已完全不能满足救灾、抢险和灾后家园重建的要求，为此国家测绘局编制了汶川地震灾后重建测绘保障工作实施方案，对灾区及周边地形进行分析，并采用现代测绘技术，快速高效地恢复和建立了灾区应急测绘基准体系，为灾情评估、灾后重建规划和建设提供及时、可靠的测绘服务。此基准包含了24个GPS连续运行基准站和灾区厘米级精度似大地水准面。

2.全球导航卫星系统(GNSS)的组建

当今世界上全球导航卫星系统除美国的GPS和俄罗斯的GLONASS之外，现在正在建设的有欧盟的GALILEO和中国的北斗二代(COMPASS)。近年来，后两者的建设有较大进展。2008年欧盟通过了GALILEO的最终部署方案，标志着为期6年的伽利略计划基础设施建设正式启动。它分两阶段实施，即2008—2013年为建设阶段，2013年后为正式运行阶段。2008年4月27日发射升空的第二颗在轨验证元素卫星GIOVE-B，目前已开始在轨检测，将继续验证未来GALILEO有效载荷的关键技术。GIOVE之后下一步计划就是2010年发射4颗运行卫星，验证GALILEO太空设备与相关的地面段设备。一旦在轨验证阶段结束，则将发射其余26颗卫星，部署一套具有完全运行能力的由30颗星组成的星座。中国的北斗二代导航系统已开始组建。2007年2月3日，中国用长3甲火箭将北斗系统4号星发射升空，现在卫星转入正常运行。2007年4月14日，我国又再次用长3甲火箭将一颗北斗MEO导航卫星送入太空。这标志着我国将开始由区域导航卫星系统向全球导航卫星系统建设的过渡。

3.卫星定位技术的研究热点

网络RTK和精密单点定位技术仍是当前主要的研究热点。尤其是利用网络RTK技术在大区域内建立连续运行基准站网系统(CORS)，为用户全天候、全自动、实时地提供不同精度的定位/导航信息。这里主要研究其技术实现的方法。现在比较成熟的方法有虚拟基准点技术(VRS)、主辅站技术(FKP)以及数据通信模式等。由于当前出现了多种卫星和多种传感器导航定位系统，因此产生了多模组合导航和多传感器融合导航技术，前者如GPS/GLONASS/GALILEO/BD的组合导航，后者则是将GNSS同惯性、天文、多普勒、地形、影像等相融合的导航系统。它们都是按某种最优融合准则进行最优组合，以实现提高目标跟踪精度的目的。

4.GPS/重力相结合的高程测量新方法

这种新方法是在GPS出现之后逐渐发展到比较成熟的测定地面海拔高程(正高或正常高)的一种技术方法。GPS可测出地面一点的大地高，如果能在同一点上获得高程异常(或大地水准面差距)，那么就可将大地高通过高程异常(或大地水准面差距)很容易转换成正常高(或正高)，即通常水准测量测出的海拔高程。这里的关键技术就是高精度、高分辨(似)大地水准面数值模型的确定方法。由于这种方法可以替代费时、费力、费财的几何水准测量，因此要求(似)大地水准面数值模型达到同几何水准测量相当的厘米级精度水平，这就要在其确定理论和解算方法上不断改进和完善，用于实际解算的各种观测数据要不断丰富，例如目前在我国出现的顾及地球曲率的严密重力归算方法，采用曲率连续张量样条算法的格网空间异常内插方法以及(似)大地水准面的第二类赫尔默特凝聚算法等。采用这些理论和方法大大提高了(似)大地水准面数值模型的精度。

1.1.2.2　航空航天测绘

1.高分辨率卫星遥感影像测图

随着高分辨率立体测绘卫星数据处理技术的突破和我国民用测绘卫星“资源三号”的正式立项，如今卫星影像测图正在逐步走向实用化，呈现出航天与航空摄影测量并存的局面。高分辨率遥感卫星不断出现，成像方式也向多样化方向发展，由单线阵推扫式逐渐发展到多线阵推扫成像;更加合理的基高比和多像交会方式进一步提高了立体测图精度。通过获取大范围同轨或异轨立体影像，已引起地形测量和地形测绘技术的变革。高分辨率遥感卫星数据处理技术的进展，主要包括高精度的有理函数模型求解技术、稀少地面控制点的大范围区域网平差技术、基于多基线和多重匹配特征的自动匹配技术等。高分辨率卫星遥感影像已成为我国西部1∶50000地形图测图困难空白区的基础地理信息的重要数据源之一。在地面无控制条件下自动网平差技术还可以使大范围边境区域和境外地形图测绘成为现实。

2.航空数码相机的摄影测量数据获取

随着传统胶片式航测相机相继停产，航空数码相机已逐渐取代此类相机，成为大比例尺地理空间信息获取的主要手段，以适应信息化测绘的需求。我国自主研发的SWDC系列航空数码相机结束了国外数码航空相机的垄断局面，已经应用于我国基础航空摄影。该系统基于多台非量测型相机构建，经过严格的相机检校过程，可拼接生成高精度的虚拟影像，其大幅面航空数码相机的高程精度高达1/10000。2008年我国自主研制的另一个型号TOPDC-4四拼数码航空摄影仪试验成功，并应用于我国第二次全国土地调查。而在国外又推出了新型号的UitraCamXP和ADS80以及新的大幅面DiMAC WiDE、RolleiMetric AICX4、中幅面ApplaniX DSS439和三线阵Wehrli 3-DAS-2等数码相机，其硬件性能进一步提高。在“5·12”汶川特大地震中，利用中型通用航空飞机搭载ADS40等数码航影仪，在中高空获取大区域影像，实践证明，POS系统支持的高分辨率机载三线阵数码航空相机具有很好的快速反应能力。

3.轻小型低空摄影测量平台的实用化作业

轻小型低空摄影测量平台分为无人驾驶固定翼型飞机、有人驾驶小型飞机、直升机和无人飞艇等几种。由于其机动灵活、经济便捷等优势得到了迅速发展，并逐步进入实用阶段。低空摄影测量平台能够实现低空数码影像获取，可以满足大比例尺测图、高精度城市三维建模以及各种工程应用的需要。目前已有部分大比例尺测图任务由它完成。特别是无人机可在超低空进行飞行作业，对天气条件的要求较宽松，且无需专用机场，在“5·12”汶川特大地震灾害应急响应的应用中，展现出巨大的潜力。

4.数字摄影测量网格的大规模自动化快速数据处理

随着航空数码相机、机载激光雷达等新型传感器的迅猛发展，为有效解决海量遥感数据处理的瓶颈问题，将计算机网络技术、并行处理技术、高性能计算技术与数字摄影测量技术相结合，开发了新一代航空航天数字摄影测量数据处理平台，即数字摄影测量网格DPGrid。该平台实现了航空航天遥感数据的自动快速处理，建立了人机协同的网络全无缝测图系统，革新了现行摄影测量的生产流程，既能发挥自动化的高效率，又能大大提高人机协同的效率。目前DPGrid已进入实用化阶段，满足了超大范围摄影测量数据快速处理的需要。另外，像素工厂PF、INPHO等国外数字摄影测量平台逐步引入我国，提高了多源航空航天影像的处理能力和正射影像、数字高程模型等测绘产品的生产效率。DPGrid在“5·12”汶川特大地震的抗震救灾影像处理中发挥了重要作用，在110个小时内成功制作了4000余幅航空数码影像的DSM，与DOM产品一起为抗震救灾决策提供了现势资料。

1.1.2.3　数字化地图制图与地理信息工程

1.地图制图的数字化与一体化

地图制图生产全面完成了由手工模拟方式到计算机、数字化方式的转变，构建了地图制图与出版一体化系统，特别是结合地理信息系统软件和图形软件，形成了以符号图形为基础的地图制图系统。其技术手段主要采用全数字摄影测量技术、基于地图数据库或多种地图数字化的数字地图制图技术和数字印刷与电子出版技术。而产品形式主要有数字地图、电子地图和纸介质地图等多样产品，其服务方式是按照用户的不同需求提供多样化的产品服务。例如除了可提供以上地图产品服务之外，还可提供基于数字地图的各种应用信息系统。

2.系列比例尺空间数据库的构建

目前在我国已构建了1∶50000比例尺空间数据库、各种比例尺的海洋测绘数据库、1∶3000000中国及周边地图数据库、1∶5000000世界地图数据库，另外正在建设中的还有政府大规模数字影像数据库和各省、区、直辖市的1∶10000数据库以及各城市的基础地理信息数据库。这些数据库为数字中国、数字省区、数字城市等的建设奠定了坚实的基础空间数据框架。此外还深入研究了空间数据库的更新技术，有效地支持了数据库的更新机制，保持了它的现势性和可用性。

3.可量测的实景影像产品

在机动车上装配GPS、CCD、INS或航位推算系统等传感器和设备，可在车辆行驶中快速采集道路及两旁地物的空间位置和属性数据，如道路中心线、目标地物的坐标、路宽、桥高、交通标志等。数据同步存储在车载计算机系统中，经事后编辑处理，形成内容丰富的道路空间信息数据库。它包含了街景影像视频及其内外方位元素，将它们与一般二维城市地图集成在一起，生成众多的与老百姓衣食住行相关的兴趣点(POI)，形成为城市居民服务的新的地理空间信息产品。

4.基于网格服务的地理信息资源共享与协同工作

网格(grid)是利用高速互联网把分布在不同地理位置的计算机组织成一台“虚拟超级计算机”，是在高速互联网上实现资源共享和协同工作的一种计算环境。代理(agent)是处于某种环境中的一个封装好的计算实体，它能在该环境中灵活、主动地活动，以达到为它设计好的目的。网格和代理的集成能实现真正意义上的跨平台、互操作、资源共享和协同工作。网格地理信息系统对政府跨部门的综合决策，特别是应急综合决策尤其重要，无论用户在何种服务终端上都能为政府综合决策提供综合集中的地理空间信息服务和协同解决问题的功能。在“5·12”汶川特大地震中，利用灾区震前基础地理信息和灾后遥感影像，快速开发了抗震救灾综合服务地理信息平台，对灾区房屋倒塌、道路交通等基础设施损毁以及泥石流、滑坡、堰塞湖等次生灾害进行解释分析。

5.基于“一站式”门户的地理空间信息网络自主服务系统

它是一个建立在分布式数据库管理与集成基础上的“一站式”地理空间信息服务平台，面向公众提供空间信息的自主加载、查询下载、维护、统计信息及其他非空间信息的空间化、公众信息处理与分析软件的自动插入与共享等一系列服务。它是基于网络地图服务和空间数据库互操作等新技术开发而成，将分布在各地不同机构、不同系统的空间数据库在统一标准和协议下连成一个整体，采用相同的标准和协议，进行互操作，使信息共享从数据交换提升到系统集成的共享。

1.1.2.4　精密工程与工业测量

1.基于卫星定位的工程控制测量

由于卫星定位具有速度快、精度均匀、无需站间通视、对控制网图形要求低等特点，已广泛应用于建立各种工程控制网，并且同高精度、高分辨率(似)大地水准面数据模型相结合，使工程控制网从二维发展到三维一体化建设，彻底改变了传统工程测量中将平面和高程控制网分别布设和多级控制的方法。

2.城市GPS连续运行基准站系统的多用途实用化服务

城市GPS连续运行基准站系统是一个将空间定位技术、现代通信技术、计算机网络技术、测绘新技术等集成，并与测绘学、气象学、水利学、地震学、建筑学等多学科领域相融合的实用化综合服务系统，可为城市规划、市政建设、交通管理、城市基础测绘、工程测量、气象预报、灾害监测等多种行业提供导航、定位和授时等多种信息服务，实现一网多用。

3.三维测绘技术的工程应用

三维测绘技术就是测量目标的空间三维坐标，确定目标的几何形态、空间位置和姿态，对目标进行三维重建，并在计算机上建立虚拟现实景观模型，真实再现目标。目前有多种三维测量仪器，其中三维激光扫描仪是近年发展起来的新型三维测绘仪器。

4.精密大型复杂工程的施工测量新技术

近年来我国完成了许多世界建筑史上具有开创意义的建筑工程。这些工程建筑物造型独特，设计新颖，结构复杂，施工困难。这对建筑施工测量技术与精度要求提出严峻的挑战，因此针对这些建筑的施工测量必须开展一系列技术开发，创造出相应新方法，攻克大量施工技术难关。如在国家大剧院施工测量中研制了一套复杂曲面计算程序与放样、检核方法;在奥运建筑工程“鸟巢”的施工测量中研制了超大型弯扭钢构件数据采集、三维拼装测量和高空三维定位测量等一整套测量方法;在国家游泳中心“水立方”施工测量中创造了空间无规则球形节点快速定位测量方法。这些新的施工测量技术和方法对提高测量质量、满足施工要求、保证施工周期等方面起到突出的保障作用。

5.精密工业测量系统的建立与应用

工业测量已成为现代工业生产不可缺少的重要生产环节。工业测量的技术手段和仪器设备主要以电子经纬仪或全站仪、投影仪或显微投影仪、激光扫描仪等为传感器，在电子计算机和软件的支持下形成三维测量系统，按其传感器不同分为以下几类:工业大地测量系统，工业摄影测量系统，激光扫描测量系统，基于莫尔条纹的工业测量系统，基于磁力场的三维量测系统和用于空间抛物体运动轨迹测定的全球定位系统等。工业测量系统归纳起来主要应用于众多工业目标的外形、容积、运动状态测量，现在工业生产流水线上产品的直径、厚度、斑痕、平整度等的快速检测，动态目标的运动轨迹、姿态等的测定。工业测量技术设备正向着自动化、智能化和信息化的方向发展。

1.1.2.5　海洋与航道测绘新技术

1.海洋与航道中的卫星定位测量

在海洋测量中，目前着手探讨将提高定位精度后的北斗二代卫星定位系统的应用范围扩展到海上。研究的问题有:北斗二代卫星定位系统用于船只姿态测量的可行性、利用多频观测消除电离层折射误差的方法、模糊度的三频和矩阵变换的解算法以及利用姿态矩阵的正交特性进行模糊度的有效分析等。经仿真计算证明，利用北斗多频观测进行船只姿态测量具有很高的精度和效率。另外，基于GPS测速的基本原理，采用单点定位、无线电信标/差分GPS和RTK GPS等模式，研究运动物体速度测量的方法和精度，可为声学多普勒海流剖面仪作业提供准确的位置信息。在航道测量中，GPS定位技术的应用，根本改变了原来传统经纬仪测量的人工操作方式，保证了水上(特别是洪水期)测量的安全和效率。目前长江航道已全部采用空间定位技术，将GPS与测深仪结合进行水上测量，不仅极大提高了航道测量的生产效率，且成果精度高、质量好。

2.水深测量

在运动平台上进行水深测量，由于受到测量船与仪器噪声、海况和测深仪参数设置等因素影响，会导致异常深度和虚假地形现象，因此对单波速或多波速测深技术的研究，主要集中在提高测量效率和精度以及测深数据的处理。例如航测线数据跳点的剔除、海洋表层声速对多波速测深的影响、统计滤波估计检测海洋测深异常数据以及利用趋势面滤波法进行粗差标定等方法。采用这些方法可以消除不同水下地形测量的粗差，较好地保留了真实水下地形信息。

3.海洋与航道的遥感遥测技术

海洋与航道的遥感遥测技术的研究同陆地航空航天测绘技术相似。这里的研究主要集中在该技术在海洋与航道测绘中的应用上。如水域界限的提取、海岸带监测、浅海障碍物探测、声呐图像处理、影像制图以及航道水下地形和水文因子的实时更新、助航标志的动态变化监测等。不同的对象则有不同的技术方法。例如采用基于IKONOS卫星影像的面向对象的信息提取技术，获取红树林、其他植被和非植被覆盖分类结果;依据合成孔径雷达(SAR)成像机理分析水下障碍物SAR成像数字物理模型，依此模型设计水下障碍物的通用仿真计算流程，由此模拟仿真水下沙波、沙丘、暗礁、沉船等典型障碍物。另外，声呐探测及其图像分析与判读也是海洋测绘技术的重点研究方向之一。

4.基于“数字海洋”与“数字航道”的测绘信息化服务

海洋地理信息系统是在海洋测绘、海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋地质等学科研究成果的基础上建立起来的面向海洋的地理信息系统。它集合了GIS、数据库和实用数字模型等技术，可以为遥感数据、海图数据、GIS和数字模型信息提供协调坐标、数据存储、管理和集成信息的系统结构。要在海洋地理信息系统上实现海洋信息服务，还必须建立统一的海洋信息管理网络系统，在现有相关部门局域网的基础上，进行统一规划，实现网络互联，建立集成化的海洋信息服务门户网站，提供海洋信息的社会化、网络化的应用服务。同样，为了提供航道信息服务，则必须建立“数字航道”。它是以航道为对象，以地理坐标为依据，将江河干流航道及相关的附属设施，以多维、多尺度、多分辨率的信息进行描述，实现真实航道的虚拟化、数字化、网络化、智能化和可视化的规划、设计、建设、养护、管理和综合应用。