未來(lái)測(cè)繪發(fā)展方向展望

白小剛

（長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

測(cè)繪是運(yùn)用各種測(cè)量方法將目標(biāo)地形地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、標(biāo)注，形成地圖。傳統(tǒng)測(cè)繪由于技術(shù)、設(shè)備的限制，更多地是測(cè)繪人員到實(shí)地去采集相關(guān)數(shù)據(jù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，由于實(shí)地情況復(fù)雜多樣，對(duì)于作業(yè)人員存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，無(wú)論從測(cè)量方法還是設(shè)備方面，都發(fā)生了日新月異的變化，涌現(xiàn)了諸如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、三維激光掃描、傾斜攝影測(cè)量等一大批先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。

1 現(xiàn)階段測(cè)繪主要技術(shù)

隨著近現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，改變了整個(gè)測(cè)繪行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)模式。對(duì)比我院測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)際情況，從早期50年代到90代末，控制測(cè)量還是要靠人工讀數(shù)、記錄，測(cè)圖還是平板儀，數(shù)據(jù)成果還停留在紙質(zhì)時(shí)代。隨著改革開(kāi)放步伐逐漸加大，測(cè)繪市場(chǎng)需求加大，早期低效率的測(cè)量手段被市場(chǎng)拋棄，高效率的設(shè)備開(kāi)始不斷投入和使用，完成了技術(shù)和設(shè)備的更新?lián)Q代。

1.1 GPS技術(shù)

邁入到21世紀(jì)，美國(guó)在GPS基礎(chǔ)上推出了民用政策，依托這一政策，徹底改變了傳統(tǒng)控制測(cè)量的作業(yè)方法，極大地提高了工作效率。我院于20世紀(jì)初開(kāi)始購(gòu)入GPS設(shè)備進(jìn)行控制測(cè)量作業(yè)，主要采用了靜態(tài)測(cè)量的方法。并逐漸引入了電臺(tái)RTK技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，改變了基礎(chǔ)測(cè)量作業(yè)方法，加快了基礎(chǔ)測(cè)量的更新速度。2007年12月，我院完成了長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的建設(shè)，這標(biāo)志著在長(zhǎng)株潭范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一、基礎(chǔ)測(cè)量作業(yè)范圍的全覆蓋（圖1）。

圖1 長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站

現(xiàn)在GPS-RTK技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集的主力軍，它具有速度快，精度高，一人就可作業(yè)，所見(jiàn)即所得，在傳統(tǒng)測(cè)量中占據(jù)著主要位置，它與全站儀構(gòu)成了測(cè)量工作的中堅(jiān)力量。

1.2 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)主要采用高速激光掃描測(cè)量的方法，快速獲取大面積高分辨率的被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、大量的空間點(diǎn)位信息，建立物體的三維影像模型，是一種全新的技術(shù)手段[1]。

三維激光掃描技術(shù)，早期由于價(jià)格昂貴，技術(shù)始終得不到廣泛推廣，反而制約了技術(shù)發(fā)展。而伴隨著使用范圍的擴(kuò)大，使用頻率的提升，三維激光掃描儀也在不斷進(jìn)化，設(shè)備的便攜化，價(jià)格也不再高不可攀，使得這一技術(shù)得到了更多測(cè)量場(chǎng)景的應(yīng)用，例如在地下空間測(cè)量（圖2、圖3）、建筑密集區(qū)域、復(fù)雜建筑的竣工測(cè)量等，相信隨著使用的更加廣泛，也會(huì)促使這一技術(shù)和設(shè)備不斷得到進(jìn)化。

圖2 BLK360實(shí)地測(cè)量

圖3 三維激光掃描效果圖

1.3 傾斜攝影測(cè)量

攝影測(cè)量在經(jīng)過(guò)3個(gè)階段發(fā)展之后，來(lái)到了全面數(shù)字化階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字圖像處理等技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的采集同名點(diǎn)等工作，已經(jīng)逐漸被計(jì)算機(jī)所替代。在無(wú)人機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，攝影測(cè)量的使用從高空到低空、從大范圍到小范圍的轉(zhuǎn)變，尤其是傾斜攝影測(cè)量（圖4）發(fā)展迅速，它的數(shù)據(jù)處理過(guò)程更加智能化，其成果能夠快速反映地物周邊真實(shí)情況（圖5），可實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè)，建筑物側(cè)面紋理采集，有效降低城市三維建模成本[2]。

圖4 多旋翼無(wú)人機(jī)

圖5 三維模型效果圖

2 新測(cè)繪需求

隨著以5G、人工智能、自動(dòng)駕駛為代表的新技術(shù)陸續(xù)涌現(xiàn)，國(guó)家也提出了“中國(guó)制造2025”的概念,自然資源部也提出“向非尺度地理實(shí)體全息數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)變”的要求，在這種背景之下，測(cè)繪需要提供信息更加豐富，能夠滿足更多用戶需求地服務(wù)。

新測(cè)繪更多地為了滿足機(jī)器的需求，例如自動(dòng)駕駛等，傳統(tǒng)的二維平面地圖承載的信息量有限，不能夠滿足未來(lái)的需求，以長(zhǎng)沙市的萬(wàn)家麗高架橋?yàn)槔?，高架橋上有快速路，橋下有?fù)雜的普通城市干道，地下有城市地鐵，將這么多立體的信息在二維地圖上表達(dá)，顯然難以做到，即使采用顏色或特殊符號(hào)區(qū)別表示，那對(duì)于沒(méi)有專業(yè)知識(shí)為背景的普通人，它也不能夠分辨出哪里是橋、哪里是路，地圖不能夠抽象地表達(dá)實(shí)地事物，這也讓地圖失去了存在的基礎(chǔ)。這就要求我們采取一種新的方式—三維地圖，這也是未來(lái)的測(cè)繪發(fā)展方向。

3 新一代測(cè)繪技術(shù)

隨著新的需求出現(xiàn)，傳統(tǒng)低效的數(shù)據(jù)采集工作將被舍棄，能夠同時(shí)采集多種數(shù)據(jù)并能有效融合的設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多的投入使用，新的高效方法也將嶄露頭角，數(shù)據(jù)采集工作將會(huì)變得簡(jiǎn)單、輕松、高效。就目前發(fā)展方向來(lái)看，運(yùn)用小型性的測(cè)量設(shè)備，采用非接觸測(cè)量的方法已經(jīng)逐漸成為主流，主要體現(xiàn)在SLAM技術(shù)和消費(fèi)型測(cè)量設(shè)備等。

3.1 SLAM技術(shù)

SLAM是指搭載特定傳感器的主體，在完全未知環(huán)境中通過(guò)自身傳感器感知周圍環(huán)境和位姿信息進(jìn)行自身定位，并構(gòu)建環(huán)境的增量式地圖，最終完成自身定位與導(dǎo)航。它經(jīng)歷了傳統(tǒng)時(shí)代（狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題）、算法分析時(shí)代、魯棒性-預(yù)測(cè)性時(shí)代，隨著計(jì)算能力的提升及算法的改進(jìn)，BA優(yōu)化、位姿優(yōu)化等手段逐漸成為主流。在人工智能技術(shù)的加入下，基于深度學(xué)習(xí)的SLAM越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。

多傳感器融合SLAM極大的提高了未知環(huán)境下創(chuàng)建地圖的能力，如何提高多傳感器融合的數(shù)據(jù)耦合度、提高算法的實(shí)時(shí)性、與深度學(xué)習(xí)和多機(jī)器人協(xié)同相結(jié)合將是多傳感器融合SLAM未來(lái)一段時(shí)間的研究方向?？梢韵嘈旁谖磥?lái)攜帶式SLAM幫助人們實(shí)時(shí)創(chuàng)建地圖，不需要人工處理，直接輸出實(shí)時(shí)地圖，這將徹底改變測(cè)繪行業(yè)現(xiàn)狀，對(duì)測(cè)繪行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

3.2 消費(fèi)型測(cè)量設(shè)備

蘋果公司前不久新推出的2020款iPad Pro上運(yùn)用全新的攝像頭模組（增加了激光雷達(dá)傳感器圖6），激光雷達(dá)傳感器采用的是直接飛行時(shí)間測(cè)量（Direct-ToF，簡(jiǎn)稱DToF），通過(guò)發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間，直接計(jì)算確定距離，它擁有響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。可以將激光雷達(dá)傳感器的深度數(shù)據(jù)與來(lái)自攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，以及來(lái)自其傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)融合在一起，從而構(gòu)建環(huán)境的空間映射。

將激光雷達(dá)技術(shù)小型化并帶入到消費(fèi)級(jí)電子設(shè)備中，未來(lái)這一技術(shù)有望引入到安卓陣營(yíng)中，到那時(shí)人人手中一部手機(jī)就可以完成小范圍內(nèi)的三維建模（圖7），不需要專業(yè)設(shè)備，不需要專業(yè)知識(shí)，每個(gè)人都可以繪制三維實(shí)時(shí)地圖，帶來(lái)的不僅僅是效率的提高，更是人們對(duì)未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)的大量需求。相信這一技術(shù)的進(jìn)步，將對(duì)三維建模技術(shù)帶來(lái)深遠(yuǎn)的變革，也給未來(lái)的測(cè)繪工作帶來(lái)無(wú)限的可能。

圖6 iPad Pro攝像頭模組

圖7 三維建模模擬圖

4 結(jié)論

未來(lái)的測(cè)繪工作主要是通過(guò)多種傳感器大量地獲取原始地形地貌數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)智能化處理，輔以少量的人工干預(yù)，得以重建實(shí)地三維模型，通過(guò)對(duì)三維模型的再加工、再分析，就可針對(duì)不同行業(yè)快速輸出與之相對(duì)的測(cè)量成果。

未來(lái)的測(cè)繪設(shè)備一定會(huì)具備小型化、便攜化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，對(duì)測(cè)繪設(shè)備的使用者的要求會(huì)越來(lái)越低，設(shè)備的使用將更加智能、傻瓜，例如現(xiàn)在的三維激光掃描儀已經(jīng)無(wú)需整平對(duì)中等操作，獲取數(shù)據(jù)的工作將越來(lái)越加簡(jiǎn)單；無(wú)人機(jī)航拍從內(nèi)到外已經(jīng)從原來(lái)傳統(tǒng)的作業(yè)模式徹底改變，流程更加簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)笨重、精密的測(cè)繪設(shè)備將會(huì)逐漸消失，取而代之的是依靠大量傳感器獲取數(shù)據(jù)，依靠強(qiáng)大的智能軟件、算法處理數(shù)據(jù)，依靠無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)分享數(shù)據(jù)。科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力，對(duì)設(shè)備如此，對(duì)人員也是如此，這就要求我們測(cè)繪行業(yè)人員改變自己?jiǎn)我坏闹R(shí)、技能架構(gòu)，從多方面豐富自己的技能水平，作一個(gè)融合性人材，去適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展、擁抱未來(lái)。