三維測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

丘玲玲

摘要：三維技術(shù)使數(shù)字地球空間變得更加現(xiàn)實(shí)，三維測(cè)繪技術(shù)大大提高了工程測(cè)量的水平，為工程建設(shè)提供精確的數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)的地圖，保證工程建設(shè)合理選址，促進(jìn)工程建設(shè)的有序進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：三維測(cè)繪；工程測(cè)量；地圖繪制

1.引言

三維測(cè)繪就是測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，確定三維目標(biāo)的幾何形狀、空間位置和空間姿態(tài)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維重建并盡可能真實(shí)地在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)。目前的測(cè)繪都是基于 2+1 維理論而建立起來(lái)的測(cè)量體系：二維確定目標(biāo)的平面位置，一維確定目標(biāo)的高程。2+1 維測(cè)繪技術(shù)經(jīng)過(guò)幾百年的發(fā)展，已達(dá)到了比較完善的程度 ；但隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，2+1維測(cè)繪的成果已不能完全滿足社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要?，F(xiàn)在三維工程設(shè)計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)，三維 CAD 的軟件已經(jīng)普及。工程設(shè)計(jì)要再現(xiàn)狀圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以現(xiàn)狀圖也應(yīng)是三維圖，這也要求我們必須實(shí)現(xiàn)三維測(cè)繪。三維測(cè)量技術(shù)在儀器方面已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備，但在標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定、理論方面的研究、軟件方面的研制、三維地理信息系統(tǒng)研究、三維測(cè)量與 2+1 維測(cè)量的關(guān)系等方面還有很多問(wèn)題需要研究。

2三維數(shù)據(jù)的采集方法

三維測(cè)量?jī)x器有衛(wèi)星定位測(cè)量系統(tǒng)、全站儀、攝影測(cè)量?jī)x器、三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)量測(cè)儀。前三種儀器是大家所熟悉的三維測(cè)量?jī)x器。三維激光掃描儀是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型三維測(cè)繪儀器。后兩種儀器是工業(yè)測(cè)量中常用的儀器。

2.1衛(wèi)星定位測(cè)量系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)所獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)是地心直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，是真正的三維測(cè)量系統(tǒng)。其測(cè)量精度非常高，雙頻 GPS 的點(diǎn)差分測(cè)量精度可到業(yè)毫米級(jí)。目前有一種錯(cuò)誤的做法，將衛(wèi)星定位的結(jié)果轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系，與傳統(tǒng)的 2+1 維測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，其差值肯定很大。原因是二維測(cè)量受大地水準(zhǔn)面不精確的影響，精度較差。

2.2全站儀

全站儀可以同時(shí)測(cè)量角度和距離，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維測(cè)量?jī)x器。但在傳統(tǒng)的 2+1 維測(cè)量中，采用水準(zhǔn)面作為基準(zhǔn)面，使其結(jié)果受到大地水準(zhǔn)面精度的影響。

2.3三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種三維測(cè)量?jī)x器，由于其掃描速度快、點(diǎn)位精度高、點(diǎn)密度高，應(yīng)用普及速度非常快。該儀器不依賴于水準(zhǔn)面，不受大地水準(zhǔn)面精度的影響。

3三維空間數(shù)據(jù)

三維空間信息是指與所研究對(duì)象的空間三維分布有關(guān)的時(shí)間與空間信息，它表示地表物體及其環(huán)境固有的地理位置、形體特征、相互關(guān)系。三維空間信息主要包括三維地形、三維建筑數(shù)據(jù)以及地表和建筑物的紋理圖像數(shù)據(jù)，是三維模型的展示，也是虛擬環(huán)境建設(shè)的基礎(chǔ)工程。構(gòu)建三維模型需要真三維的空間數(shù)據(jù)（包括平面位置、高度數(shù)據(jù)）和真實(shí)影像數(shù)據(jù)（包括建筑物頂部和側(cè)面紋理）。所需獲取的數(shù)據(jù)具體包括三維地形數(shù)據(jù)，建筑物三維空間數(shù)據(jù)以及紋理圖片等。

三維空間數(shù)據(jù)信息包括三維地形數(shù)據(jù)信息、三維地物數(shù)據(jù)信息和真實(shí)影像數(shù)據(jù)（包括建筑物頂部和側(cè)面紋理信息）。所需獲取的數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃地圖數(shù)據(jù)、建筑物高度數(shù)據(jù)、航攝像片、地面近景照片以及紋理圖片等。將其抽象為數(shù)學(xué)表達(dá)可以歸結(jié)為三大類(lèi)：數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)字地面高程模型數(shù)據(jù)。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)是將空間地物直接抽象為點(diǎn)、線、面的實(shí)體，用坐標(biāo)描述它的位置和形狀。在計(jì)算機(jī)表達(dá)中，即用抽象圖形表達(dá)地理空間實(shí)體。因此三維數(shù)字線劃圖是獲取三維空間信息的一個(gè)重要內(nèi)容。

影像數(shù)據(jù)包括遙感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像。影像數(shù)據(jù)，尤其是高分辨率影像數(shù)據(jù)在三維空間數(shù)據(jù)獲取中的作用和地位越來(lái)越重要。主要原因表現(xiàn)在：一是數(shù)據(jù)源豐富，二是生產(chǎn)效率高，三是直觀而又詳細(xì)的記錄了地表的自然現(xiàn)象，可以利用它加工出各種信息。在三維可視化模型建設(shè)中影像數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)幾何和灰度加工處理，生成數(shù)字正射影像。數(shù)字高程模型，即三維地形數(shù)據(jù)，實(shí)際上是地表物體的高度信息。高程數(shù)據(jù)的采集和處理相對(duì)比較特殊。它可以由數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法直接得到，也可以由其他測(cè)量方法，如野外測(cè)量或機(jī)載激光三維掃描之后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到。

4 三維建模方法

目前三維建模大致有兩種方法， 一是直接使用三維制作軟件， 比如利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建筑物模型和動(dòng)畫(huà)的三維建模。利用這些軟件可以在各建筑物表面進(jìn)行加圖設(shè)計(jì) （AUTOCAD）， 在三維動(dòng)畫(huà)模型上進(jìn)行相應(yīng)的紋理映射（3Dmax）等。此外一種方法利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合攝影測(cè)量技術(shù)， 三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景的三維建模。這種方法有自動(dòng)化， 沉浸程度高、建模速度快、易實(shí)時(shí)更新等特點(diǎn)，特別是對(duì)于那些自然物， 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和激光掃描技術(shù)能方便快捷地進(jìn)行數(shù)字建模。目前使用比較多的是AutoCAD建模方法。下面具體介紹AutoCAD建模方法。

4.1線框建模

線框模型最簡(jiǎn)單，只包含三維物體的頂點(diǎn)、邊信息，即只能反映物體的邊界輪廓，不能進(jìn)行消隱、渲染等。用 AutoCAD 可在三維空間的任何位置放置二維對(duì)象來(lái)創(chuàng)建線框模型。AutoCAD 也提供了一些三維線框?qū)ο?，如三維多段線和樣條曲線。在道路工程三維建模過(guò)程中，線框模型只用于某些中間環(huán)節(jié)，如創(chuàng)建物體的邊界輪廓、拉伸、旋轉(zhuǎn)軸、對(duì)稱軸等。

4.2面模型

面模型包含三維物體的頂點(diǎn)、邊、面信息，可反映物體表面外觀形狀。AutoCAD的曲面模型使用多邊形網(wǎng)格定義鑲嵌面。由于網(wǎng)格面是平面，所以網(wǎng)格只能近似于曲面。常用的曲面模型有三維多邊形網(wǎng)格（包括由 3D 命令創(chuàng)建的長(zhǎng)方體、圓錐體、球體、圓環(huán)體和棱錐體的外表面）、自由形式多邊形網(wǎng)格、多面網(wǎng)格、直紋曲面、平移曲面、旋轉(zhuǎn)曲面、邊界曲面、三維面等。AutoCAD 的三維平面模型主要是面域，它是以封閉邊界創(chuàng)建的封閉區(qū)域。邊界可以是一條曲線或一系列相連的曲線，組成邊界的對(duì)象可以是直線、多段線、圓、圓弧、橢圓弧、樣條曲線等。這些對(duì)象或者是自行封閉的，或者與其他對(duì)象有公共端點(diǎn)從而形成封閉的區(qū)域，但它們必須共面，即在同一平面上。

4.3實(shí)體模型

實(shí)體模型包含三維物體所有的頂點(diǎn)、邊、面體信息，不僅可對(duì)其頂點(diǎn)、邊、面進(jìn)行操作，而且可以定義物體的物理及材料性質(zhì)，計(jì)算體積、重心等質(zhì)量特性，以用于工程分析。實(shí)體建模方法是先創(chuàng)建基本實(shí)體，包括實(shí)體體素、旋轉(zhuǎn)實(shí)體和拉伸實(shí)體，再通過(guò)實(shí)體間的布爾運(yùn)算得到任意形狀的組合實(shí)體。另外，共面的面域之間也可進(jìn)行布爾運(yùn)算，從而創(chuàng)建任意形狀的組合面域。

5維測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展前景展望

21 世紀(jì)初是實(shí)現(xiàn)地圖生產(chǎn)為主向，地理信息服務(wù)為主的轉(zhuǎn)變階段，即向信息化測(cè)繪發(fā)展的階段。信息化測(cè)繪是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，充分利用空間技術(shù)和信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速靈活地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)提供地理信息綜合服務(wù)的一種現(xiàn)代化測(cè)繪模式，它是繼傳統(tǒng)測(cè)繪和數(shù)字化測(cè)繪后，測(cè)繪發(fā)展的一個(gè)新階段。它具有數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用社會(huì)化等特征。在這樣的形勢(shì)下，三維測(cè)繪技術(shù)正向高科技和數(shù)字化方向發(fā)展，其中“3S”技術(shù)是現(xiàn)代三維測(cè)繪技術(shù)的代表。三維測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)繪技術(shù)的核心技術(shù)，需要不斷的更新和發(fā)展才能滿足社會(huì)日新月異高速發(fā)展的需要。

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