数字测图发展与展望

数字测图发展与展望一、数字测图技术的发展过程数字测图首先是由机助地图制图开始的。机助地图制图技术酝酿于２０世纪５０年代。１９５０年第一台能显示简单图形的图形显示器作为美国麻省理工学院旋风１号计算机的附件问世。５０年代末，数控绘图仪首先在美国出现，于此同时出现了第二、第三代电子计算机，从而促进了机助制图的研究和发展，很快就形成了一种“从图上采集数据进行自动制图”的系统。１９６４年第一次在数控绘图仪上绘出了地图。１９６５－１９７０年第一批计算机地图制图系统开始运行，用模拟手工制图的方法绘制了一些地图产品。１９７０一１９８０年，在新技术条件下，对机助制图的理论和应用问题，如地图图形的数字表示和数学描述、地图资料的数字化和数据处理方法、地图数据库、制图综合和图形输出等方面的问题进行了深入的研究，许多国家建立了硬软件结合的交互式计算机地图制图系统，进一步推动了地理信息的发展。８０年代进入推广应用阶段，各种类型的地图数据库和地理信息系统相继建立起来，计算机地图制图，尤其是机助专题地图制图得到了极大的发展和广泛的应用。７０年代末和８０年代初自动制图主要包括数字化仪、扫描仪、计算机及显示系统四个部分，数字化仪数字化成图成为主要的自动成图方法。２０世纪５０年代末，航空摄影测量都是使用立体测图仪及机械连动坐标绘图仪，采用模拟法测图原理，利用航测像对测绘出线划地形图。到６０年代就有了解析测图仪，它是由精密立体坐标仪、电子计算机和数控绘图仪３个主要部分组成，将模拟测图创新为解析测图，其成果依然是图解地形图。威特（Ｗｉｌｄ）公司生成的ＢＣ2、ＢＣ３，ＯＰｔｏｎ公司生产的Ｐ３等解析测图仪，我国也研制和生产了解析测图仪。后来在解析测图仪直接量测并自动解算测图点坐标的基础上，再键人相关信息，经过人机交互的编辑工作，由计算机处理，便可生成数字地形图。为了满足数字测图的需要，我国在生产、使用解析测图仪的同时，对原有模拟立体测图仪和立体坐标量测仪，逐渐地改装成数字测图仪。将量测的模拟信息经编码器转换为数字信息，由计算机接受并处理，最终输出数字地形图。９０年代初，又出现了全数字摄影测量系统。我国武汉测绘科技大学张祖勋教授主持研制出了具有世界先进水平的全数字摄影测量系统。全数字摄影测量系统大致作业过程：将影像扫描数字化，利用立体观测系统观测立体模型（计算机视觉），利用系统提供的一系列进行量测的软件——扫描数据处理、测量数据管理、数字走向、立体显示、地物采集、自动提取（或交互采集）ＤＴＭ（数字地面模型）、自动生成正射影像等软件（其中利用了影像相关技术、核线影像匹配技术）使量测过程自动化。全数字摄影测量系统在我国迅速推广和普及，目前已基本上取代了解析摄影测量。大比例尺地面数字测图是在20世纪70年代轻小型、自动化、多功能的电子速测仪问世后发展起来的。80年代全站型电子速测仪（电子速测仪十电子记录器，简称全站仪）的迅猛发展，加速了数字测图的研究与应用。如80年代后期国际上有较优秀的用全站仪采集、电子手簿记录、成图的测图系统，国内一些单位也引进了Geocomp软件试用。我国从1983年开始，北京市测绘院、解放军测绘学院、武汉测绘科技大学和清华大学等数十个单位相继都开展了数字测图的研究工作。综观国际、国内野外数字测图技术，其发展的过程大体可分为两个阶段。1.内外业独立作业阶段。“在20世纪70年代末到80年代初，数字测图技术尚处于起步阶段，限于当时全站仪的普及程度和计算机技术的发展水平，数字测图采取内外业独立作业的模式。先用全站仪实地测定地形数据，并用电子手簿进行记录，同时配合以人工绘制的草图用来记录点号、点与点之间的相关位置和点与点之间的连接关系，再到室内将测量数据由电子手簿传输到计算机，并由人工按草图输人和编辑生成图形文件，经计算机进行数据处理后，生成数字地图，最后由绘图仪绘图输出地形图。在这一时期，由于全站仪的价格昂贵，应用还很不普及，有些研究单位甚至还采用了由光学经纬仪、测距仪和PC－1500袖珍计算机作为野外采集数据的设备。野外采集的数据虽可自动记录，但仍模仿手工测图的单点记录方式，对草图绘制的准确性也有较高要求，同时还须人工输人和编辑图形文件，整体工作量甚至比手工测图还大，工序也更为复杂和繁琐。尽管如此，但毕竟野外直接测制数字地形图同时绘制纸质地形图的目标还是达到了，实践也证明了野外数字测图的技术途径是可行的，由此人们看到了数字测图的美好前景。到了80年代中、后期，随着计算机软硬件技术的发展，数字测图的软件在性能上得到了明显提高。利用野外数据采集软件，不仅可以对单点点位进行自动记录，还可记录绘图所需的其他信息，并且一些记录项可由软件自动缺省记录，使必须由作业人员输人的数据大为减少。电子手簿中的测量数据传输到计算机后，可由计算机自动生成图形文件，人工绘制草图的必要性和对草图准确性的要求也降低了。另外，为了在野外及时发现和纠正错测和漏测现象，有些单位还在野外数据采集设备中配置了袖珍绘图仪，由PC－1500袖珍计算机控制在测站上实时绘制具有一定精度的地形图。应该说，这些方法和措施使得数字测图技术有了实质性的进展。这一时期具有代表性的内外业独立作业模式的数字测图软件主要有美国的Geomap、英国的Penmap以及我国北京测绘院研制的大比例尺机助测图系统（DJHT）和解放军测绘学院研制的数字地形坝量系统等.2.内外业一体化阶段。20世纪90年代，便携式计算机的应用逐步得到普及，这给数字测图技术提供了这一机遇，国内外数字测图技术的研究人员敏锐地抓住了这一机遇，将便携机及时地应用到数字测图中，形成了由全站仪、便携机和测图软件组成的数字测图系统，为数字测图内外业一体化创造了条件。内外业一体化的数字测图模式有效地克服了前一阶段内外业独立作业模式的缺点，实现了现场实时成图，地形要素误测和漏测现象得以有效避免，从而保证了测量成果的正确性。由于这一数字测图模式在自动成图的基础上，同时也体现了传统平板仪测图现场成图的特点，人们习惯上也将这种数字测图系统称为电子平板。电子平板测图软件既有与全站仪通信和数据记录的功能，又在测量方法、数据处理和图形实时编辑方面有了突破性的进展，完全取代了图板、图纸、铅笔。橡皮、三角板和复比例尺等平板仪测图绘图工具。高分辨率的显示屏可清晰准确地显示图形，实现了所显即所测。数字测图的成果质量和作业效率全面超过了传统手工测图，使数字测图技术走向了实用化，数字测图系统实现了商品化。1993年以后，内外业一体化的数等测图系统相继问世。具有代表性的产品主要有清华大学的EPSW系统和南方测绘仪器公司CASS系统等。同一时期，英国的Penmap、瑞士的徕卡、日本的杰科也都推同了类似的数字测图系统，电子平板已成为数字测图系统发展的主流。在数字测图系统发展的过程中，日本杰科公司和我国广州开思公司还对野外测图方式进行了改进，把便携机放在棱镜站，通过在测站与棱镜站之间建立无线数据传输的方法，将全站仪的测量数据传输到便携机中。这种方法突破了便携机随全站仪放在测站的固有模式，由作图人员亲自判定所测点的属性和点与点之间的连接关系，大大减少了漏测、错测和漏绘、错绘的可能性。二、数字测图技术的展望数字测图技术的发展主要取决于数据采集和与之相应的数据处理方法的发展。今后数字测图系统的发展趋势主要体现在以下几个方面：1.全站仪自动跟踪测量模式。普通的全站仪在进行点位测量时，测站上仍要依靠作业员来完成寻找目标和照准，随着科学技术的发展，瑞士捷创力（Geotronic）、日本拓普康（Topocon）等公司推出了自动跟踪全站仪，瑞士徕卡（Leica）公司推出了遥控测量。利用自动跟踪全站仪，可以实现测站的无人操作，测量的数据由测站自动无线传输到位于棱镜站的便携机中，这样就可减少野外数字测图人员的数量。从理论上讲，按照这种全站仪自动跟踪测量方法，可以实现单人数字测图。尽管目前这种仪器价格昂贵，还仅适用于特定的应用场合，但随着科学技术的不断发展，它必将在数字测图中得到广泛应用。2.GPS测量模式。利用全站仪来进行点位测量必须要求测站和待测点之间通视从这个意义上讲在测量方式上与传统方法并没有本质区别，这在很大程度上影响了野外数据采集的作业效率。随着GPS技术的发展，利用RTK实时动态定位技术能够实时提供待测点的三维坐标，在测程几十公里以内可达厘米级的测量精度。目前，高精度、轻小型的GPS接收机，将对野外数字测图系统的发展起到积极的推动作用。可以预见，利用GPS作为数据采集手段的数字测图系统将会得到进一步发展，并以其较高的作业效率受到广大用户的青睐。3.野外数字摄影测量模式。利用全站仪进行数据采集时，每次只能测定一个点，而利用摄影测量的方法则可同时测定多个点，这是摄影测量方法的最大优点。随着技术的进步，充分利用野外测量的灵活性和摄影测量快速高效特点的测量方式成为野外测图的又一发展趋势。4.三维激光扫描测量模式。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。它是通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，突破了传统的单点测量方法，由于其具有实时动态高效率、高密度、高精度，自动化等特性，可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。总之，野外数字测图系统未来的发展主要在改进野外数据采集手段方面，从而不断提高野外数字测图的作业效率。