測繪工程中三維城市測量技術的應用探究

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，在基礎建設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進入高速發展階段，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量、精度、效率以及安全性成為工程測繪領域面臨的主要問題。三維激光掃描技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術作為基于現代科技手段發展起來的測繪技術，具有精度高、效率高、環境適應性強以及安全性高等優勢，在數字城市、基礎測繪、建筑、鐵路、公路以及水利工程測繪領域得到了廣泛應用。與此同時，關于三維城市測量技術的作業方式、深度開發與應用也成為工程測繪領域研究的重要課題。

2 三維城市測量技術的應用價值

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、準確的測繪數據的前提下，這就意味著工程測繪作業必須滿足高精度的要求[1]。而三維城市測量技術的發展以及廣泛應用有效解決了傳統測繪作業精度不足的問題。以三維激光掃描技術為例，其采用逆向三維數據采集與模型重構技術，通過獲取掃描對象的三維坐標數據與數碼照片的方式準確、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、準確地再現掃描對象的真實形態或者特性，可以有效確保測繪精度。

2.2 有助于提升工程測繪效率

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

3 測繪工程中常見的三維城市測量技術

3.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術在工程測繪領域中主要被應用于地形圖測繪、土方與體積測量等方面，采用三維激光掃描技術進行工程測繪時，不需要進行大量的人工作業，可以有效控制測繪過程中人為因素以及環境因素的干擾，能夠準確、全面地獲取地形特征、等高線等相關數據信息，作業效率高、數據準確性高，大幅減少了測繪人員的作業強度，在一定程度上節省了成本[3]。此外，在涉及復雜地形時，三維激光掃描技術可以突破傳統測繪手段的局限性，能夠在不接觸測量區域的條件下獲取相關數據信息，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的應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容，采用傳統測繪手段繪制地形圖需要大量的作業人員，并且部分復雜地形無法勘測，但三維激光掃描技術并無這方面的限制，并且繪制的地形圖精度更高，作業效率也明顯優于傳統測繪手段。利用傳統測繪手段時，受環境因素的影響，易導致實時動態差分法（PTK）手段失效，因此，測量效率不高，需要反復選擇測量點，并且如何合理控制測量點的數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具備非接觸掃描以及快速采集點云數據等優勢，針對一些復雜地形不需要架設測繪儀器，測繪人員也不需要進入危險區域采集數據。

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

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的重要內容之一，相較于傳統的計算方法，三維激光掃描技術的計算效率更高且更為精確。傳統的測量與計算手段在數據采集方面與三維激光掃描技術相差不大，但三維激光掃描技術的優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采用的是面試數據采集，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，數據采集效率更高。此外，三維激光掃描技術在數據采集過程中雖然會因為環境干擾或者植被遮擋等因素導致精度損失，但是可以通過對采集數據進行去噪處理來提升計算精度，而傳統手段容易在測圖過程中出現漏掉測區關鍵特征點，從而導致精度損失，而且若需要提高精度就必須重新進行測繪，費時費力，會直接影響作業效率。

3.2 衛星定位測量技術

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

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

2）布網工作。這主要與工程類型有關，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發展的三角鎖同步圖形；若為施工控制網或者變形監測網，則多采用網連式或者邊連式布設。

3）結果輸出。由流動站負責接收衛星信號，并通過網絡接收基準站傳輸數據信息，根據相對定位原理進行差分結算，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

3.3.1 控制測量

全站儀的基本功能是控制測量，需要按照要求布設導線，適用于線路或者帶狀工程以及隱蔽地區，比如，城市控制測量、線路控制測量、引水工程等。其優勢是導線網與邊角網的布設相對比較靈活，測量精度高，觀測便捷，而且能夠與衛星定位測量技術配合使用。需要注意的是，開展控制測量作業時必須根據相應等級的測量規范進行觀測、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。在測量作業過程中，利用網絡可以連接全站儀、計算機以及繪圖機，從而構成完整的測繪系統，能夠有效提升測繪效率與質量，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，根據項目設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。尤其是一些造型較為復雜、規模較大的工程項目，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 變形監測

在工程施工過程中，采用全站儀可以對構筑物以及地質活動進行動態化監測，工作人員可以根據監測結果及時分析掌握變形規律，適時發出預警，對于保障工程結構安全具有重要意義。

4 三維城市測量技術的未來發展前景

4.1 智能化、自動化

目前，三維激光掃描測量技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術已經成為工程測繪領域的主要手段，并且在實踐中表現出了各自的優越性，在作業方式、操作流程等方面已經形成了相對完備的體系。以當前的發展趨勢來看，包括三維激光掃描測量技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術在內的三維城市測量技術，未來將向自動化、智能化、高精度、高效率方向發展。以全站儀測量技術為例，其經歷了組合式全站儀、經典型全站儀、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與衛星定位測量技術發展迅速，但是其以價格低、選點靈活、體積小以及實用性強等優勢仍被廣泛應用。同時隨著計算機軟件的應用，全站儀的工作效率以及測量精度也大幅提升，能夠適用于更多領域。

4.2 一體化

以三維激光掃描測量技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術為代表的三維城市測量技術未來將向一體化趨勢發展，在工程測繪領域，三維激光掃描測量技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術具備一定的優勢，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。隨著工程建設領域的不斷發展，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的重要發展趨勢。

5 結語

綜上所述，以三維激光掃描測量技術、衛星定位測量技術以及全站儀測量技術為代表的三維城市測量技術是當前工程測繪領域的重要手段，在地形圖繪制、土方與體積測量、變形監測、控制測量、三維坐標測量等方面具有明顯優勢。結合當前三維城市測量技術的應用與發展情況，其未來必然向智能化、自動化以及一體化發展，其應用范圍也將進一步擴大。