GIS技术在工程勘察与测量中的应用探析

GIS技术在工程勘察与测量中的应用探析

刘舜卿

刘舜卿

武汉市政工程设计研究院有限责任公司

摘要：摄影测量方面要了解与飞行计划相关的坐标系统和高程基准，基本等高距，成图的平面和高程精度，摄区划分，摄影质量要求及摄影比例尺，像控点的测量和外业调绘等工作，了解数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图和数字栅格地图的生产的成图技术要求以及实施的解析空中三角测量、内业测图和编辑等工作。本文将对基于GIS技术的工程勘察与测量及其应用探讨。

关键词：遥感；GIS技术；工程测量

GIS（GeographicalInformationSystem）技术，即地理信息系统，是用来描述现实世界中地物在空间上的分布及其属性的一个信息系统。它利用计算机建立地理数据库，将地理环境的各种要素包括地理空间分布状况和所具有的属性数据，进行数字存储，发展各种分析和处理功能，建立起一套有效的数据管理系统。基于影像的方法所需设备较为便宜，亦可使用传统底片式的老旧照片来还原遗失损坏的物件。摄影测量有着高精度、高灵活性及高方便性的特性，因此可于地形起伏范围较大或不同的地理位置进行影像获取，这些特性是很重要的，因为有很多文化遗址?座?在障碍重重或者?径狭小的地区。

一、GIS技术概述

近景摄影技术与三维遥感扫描技术各有其优缺点，然而在许多案例里，单靠单一技术是很难满足模型的所有需求，特别是在环境复杂的场地或是模型需要不同的模型细致度要求时。不同量测技术之间的精密度，可靠度及可达到模型细致程度皆不同，因此为?还原复杂对象数位模型，通常会将基于影像的方法（如摄影测量）与基于测距的方法（如遥感扫描技术）互相结合。摄影测量于平面几何精度方面略高于遥感扫描；测距精度则属于地面遥感扫描略高；摄影测量所需作业时间略长于遥感扫描。文中提及如果使用自然目标物当作检核点将有可能影响地面遥感扫描的精度，因为难以得知由众多点云中所选取出的检核点是否正确，尚有其它因素如仪器本身的解析度，建物表面材质的反射特性，最后于结论处建议尽可能以人造标当作检核点可提高其检核点选取精度，由此可知地面遥感扫描的量测精度取决于是否正确取得相关点云信息。为了对三维模型进行精度评估，分别以地面遥感扫描与GIS技术对于古建筑的浮雕处进行模型还原，以相同控制点来比较两技术的精度，而由成果分析得知两技术的精度相差约为3mm，并于文中指出影像匹配方法的发展逐渐显示出摄影测量获取资料的潜?，其能从相当少数影像资料、达到少数人工干涉且精确的成果，对象的细致程度也相当接近遥感扫描技术，但较花费时间，同时更宣称只要有着合适的算法，摄影测量与遥感扫描技术将没有太大的差异，因此在于大多数的应用里，模型的精密度与细致度不再只可单一作选择。

地理信息系统（GIS）在工程勘察中的作用主要有四点。

1.地理信息系统（GIS）支持可视化操作，这样一来，就使得工程勘察具有可视化操作的功能。

2.地理信息系统（GIS）具备拓扑叠加、缓冲区分析、数字地形分析等空间分析能力，功能较为全面，从而为建立完善的辅助决策模型、评价分析模型提供了较好的借鉴。

3.工程勘察设计数据具有内容复杂化和形式多样化的突出特点，传统的工程勘察设计系统是完全无法满足这样的数据需求。而地理信息系统（GIS）却能够较好地满足这个要求，对工程勘查数据的全面信息能够通过高度集成的空间实体、图形图像数据、属性数据来进行管理。同时，地理信息系统（GIS）还能够提供全面的信息支持，便于构建决策系统与辅助评价系统，建立合理、科学的分析模型与设计模型。

4.地理信息系统（GIS）具有强大的数据采集能力与数据处理能力，能够对工程勘察提供更加优质、更加广泛的信息数据。

二、GIS技术在工程勘察与测量中的应用

所谓摄影测量，是指利用摄影或遥测的手段获取目标物影像资料，再从中提取目标物的相关几何或物理信息，并以图形、图像与数字形式表达测绘成果的一门学科，其基本原理来自于传统测量的交会方法，在空间物体前两已知位置，放置两台经纬仪，利用望远镜分别在测站1、2照准同一影像点A，再根据两测站的已知坐标与相应夹角求得点A的三维空间坐标。在类比摄影测量阶段，摄影测量只能使用量测性相机。量测性相机的特点为：具有框标、内方位元素值稳定、同时透镜畸变程度较小、使用几何稳定性及平坦度较胶卷佳的玻璃片为成像片等。影像获取后将其安置在专门为摄影测量设计的立体测图仪上，利用光学导杆重建及恢复影像的几何行为，而由于立体测图仪等设备限制，无法处理倾斜或大角度交会的立体像对，且无法对一些系统误差进行校正，因此成果精度较低。摄影测量的基本原理来自于传统测量的交会方法，且为?由影像点位推测出物点的空间坐标，投影光线必须经由透视中心通过对应像点及三维空间点，使三点连接成线，于数学意义上称为三点共线，其可由共线方程式描述。为?达成三点共线，就必须恢复摄影时的影像内、外方位参数，否则将无法进行空间交会以得到正确三维空间点位坐标。传统光学式量测性相机皆以影像框标的连线为影像中心，但事实上，真正影像中心常存在着微量偏差，该偏差量分别为（x0，y0），而以此偏差量所决定之点位称为像主点，像主点与投影中心S的距离为距焦（f）。因此，如果要恢复投影中心至物间点位的光束投射状态，首先必须将摄影机进行率定以还原内方位参数（f，x0，y0）。对于现今的数位相机，其成像面为规则排?的CCD，无所谓框标连线问题，且其成像面为固定于相机内，所以可根据CCD画素大小及影像尺寸来推算内方位参数，内方位参数（f，x0，y0）及CCD成像面示意图。由于摄影机物镜为一非平面的凸镜构造，会使得投影光线产生折射现象，因而无法将光线正确投射至成像面，使得影像产生变形，这一类的系统误差称为透镜畸变差，因此除?内方位参数之外，仍需求解各项透镜畸变差参数。

在数位摄影测量系统中，资料处理效?与可靠度一直是被关注的话题。以共面条件式为基础所建立的核线几何并搭配已知相机站的外方位参数，即可快速地由影像中搜寻出相应共轭点位，大幅减少?传统以人工量取影像点所需时间。互相转换是常见情形，以全球卫星定位系统（GPS）、近景摄影测量、地面遥感扫描等众多测量技术为例，其坐标系统是各不相同的，但在很多情形下，这些不同来源的空间信息往往皆必须进行互相整合及应用。针对此一目的，通常须以坐标转换程序将各种来源的信息同时转换到相同坐标系统内，以便资料整合及后续应用。首先于左影像上确定一目标点，并以目标点为中心设定一个目标窗口，窗口内的影像包含?目标点周围信息，计算机再将目标窗放置在搜寻窗中，计算灰度变化的相似性，再逐行、逐列地移动目标窗（每次移动距离为一个画素），计算相关系数，以确保找出最相似的位置。大量点云资料可详细地描述对象表面信息，经后制处理后即可应用于各项土木建设与防灾工程、边坡分析、隧道或油槽真圆度分析、文化遗产及古迹的数化与保存等各种用途。

结论

根据项目要求，确定摄影测量与遥感成果的类型、规格以及航空、航天影像资料的空间分辨率、波段组合、重叠度和获取时间等技术指标，进行技术设计。根据技术设计和测区情况，选择、收集合适的影像数据源，并对其进行必要的预处理。

三维GIS技术的应用不仅提高了企业的整体管理水平，而且还在很大程度上促进了整体的可持续发展性，这些都是设计与开发数据传输系统最重要的目的。三维GIS技术在勘测开发中的成功应用，使得地理信息数据能够在网上进行实时动态管理与发布，同时还减少了整个系统运行过程中所消耗的人力、物力，使得地理空间信息在勘测过程中的准确性与安全性得到了更大的保障。从长远来看，三维GIS在现代勘察与测量中将具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

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[2]廖中林.分析GIS技术对工程测量的影响[J].江西建材，2013，05：268-269.

[3]冯昌添.GIS技术和数字化测绘技术在工程测量中的应用研究[J].科技创新与应用，2014，23：300.