2015--2016测绘学科发展综合报告(上)

2017-09-20 08:50:12    来源:中国勘测联合网

摘要:文章分上、下两部分,上半部分主要讲述我国测绘学科近年的最新研究进展,下半部分主要内容对测绘学科的国内外研究进展进行比较。

  2)数字地图制图与制图综合技术

  数字地图制图技术目前正朝着以地理空间数据库驱动的制图模式发展,采用先进的数据库驱动图技术和方法,实现了地理信息数据与制图数据的统一存储、集成管理和同步更新。基础地理信息持续更新促进了动态更新、增量更新、级联更新以及实时更新等技术的发展&在制图综合研究方面,新方法层出不穷,如将传统的尺度变换方法与在线环境相结合的多尺度可视化策略,动静态结合本国的尺度变换模型。空间数据安全与数字水印方面出现了若干新技术,如面向网络环境的地理空间数据数字水印模型、矢量地图的非盲数字水印算法等。

  3)地理信息系统

  在空间数据感知、获取与集成方面,主要在网络空间数据的获取、常规空间数据获取方法的完善DEM空间数据插值、空间数据集成等方面取得进展。对时空数据组织与管理的研究,主要集中在时空模型构建,空间关系查询、索引和处理,空间拓扑构建和拓扑检查。此外,还有在数据编码、数据压缩、离散格网及地址信息编码等方面取得一系列研究成果。地理表达与可视化方面的研究则集中于自动制图与矢量数据可视化,三维建模可视化、经济社会事件可视化等方面。

  4)地理信息基础框架建设与服务关键技术

  地理信息基础框架建设与服务关键技术获得突破,基础地理信息数据库规模化动态更新和制定形成了一系列的技术方案与标准规范,研发了相应的生产和管理软件系统,建立了一套适用于规模化动态更新工程的技术体系,解决了跨尺度和跨类型数据库之间的基于增量更新技术的工程化应用推广的难题,实现了跨数据库联动更新技术工程化应用,构建了基础地理信息的要素级多时态数据库模型,实现不同版本之间同名要素的自动关联,以及自动变化提取和统计分析。基于增量式入库模式,实现了三个尺度、四种类型、多个现势性版本的国家基础地理信息集成建库,以及基于C/S架构的动态管理和基于B/S架构的在线服务。

  5)移动地图与网络地图服务

  随着网络地图应用的普及和新媒体地图的发展,产生了智慧地图(或称智能地图)、公众参与地图、全息地图等地图新概念,提出了混搭地图、众包地图、个性化地图等在线地图服务的新模式,探索了面向地图的多模态人机交互模式%包括语音、手写、手势、表情感知等,也包括对位置、方位、速度的智能感知与服务驱动。在网络地图设计与表达方面,探讨了基于视觉感受的网络多尺度表达模型、基于个性化表达的网络地图符号设计模型和基于认知实验的旅游网络地图符号设计模型。在移动地图设计与表达方面,提出了基于情景体验的移动地图情景模型、基于用户需求的移动地图自适应表达模型和基于邻近区域的移动地图变比例尺表达模型等,构建了适用于用户偏好的移动导航地图主动表达规则。在线地图中多尺度可视化方法是合理显示地图信息的重要手段,已很好地解决了由于显示屏幕不同造成的信息载负量差异问题。导航地图也从单一的导航平台到综合信息服务平台和社交平台转变,使地图适用范围更加广泛

  6)多维时空环境认知与仿真

  多维时空环境认知与仿真面向多维时空环境,试图从理论和技术层面解决环境中各类要素极其复杂关系的认知与分析。该领域的研究进展主要体现在人文建模与地缘认知、时空推理与认知计算及多维时空环境建模与仿真三个方面。在人文建模与地缘认知方面,出现了地缘经济、地缘文化、地缘资源、地缘科技等新领域,地缘环境认知的理论、方法与技术成为相应领域亟待解决的瓶颈问题,受到广泛关注/时空推理由时态推理和空间推理发展而来,当前国内外关于时空推理研究的内容主要包括时空对象的建模与知识表示、定性时空推理及时空推理应用等问题;多维时空环境建模与仿真的研究进展主要表现在地理空间信息网格、室内外一体化建模、地理环境视景仿真及地理增强现实四个方面。地理空间信息格网提出了不同形式的球面空间格网和球体空间格网;室内外一体化建模研究如何用一个有效的室内外一体化描述模型去统一表达各类室内外对象;地理环境视景仿真方面的技术研究主要在数字地球浏览软件的开发、分布式虚拟地理环境平台的建立及其与GIS的集成,并实现一体化与实用化;地理增强现实,近年来主要在移动增强现实系统组成、硬件系统构成、地理信息服务体系架构、应用于增强现实的地理空间数据库系统构建,地理环境跟踪识别与配准、大范围地理环境增强现实系统构建与表达等方面取得了显著进展。

  4.工程测量与变形监测

  空间定位技术、激光技术、无线通信技术和计算机技术等新技术的发展与应用,极大地促进了工程测量技术的进步,使工程测量面貌发生了深刻变化,涌现了三维激光扫描仪、智能全站仪、全站扫描仪、磁悬浮陀螺仪、地质雷达、无人机、InSAR等先进技术和装备。同时针对体量大、结构复杂、空间变化不规则和精度要求高等工程技术难题展开深入研究,在理论、方法和应用上取得了重大进展。近几年,工程测量在理论、方法与技术上的进展主要有以下几个方面。

  1)工程控制测量

  将GNSS和全站仪相结合,快速建立工程控制网,形成了根据工程特点灵活建网的技术体系,如大比例尺测图控制网、高铁CPⅢ施工控制网和变形监测基准网等,全球导航卫星系统(GNSS)已成为布设工程控制网的主要技术方法。在高程控制方面,提出了精密三角高程测量系统、GNSS和大地水准面精化模型代替高精度水准测量的理论与方法解决大范围、长距离和跨海精密高程传递问题。随着完全自主知识产权的北斗卫星导航系统正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务,北斗卫星导航系统在城市控制测量和复杂地形环境下的高精度控制测量方面得到了很好的应用,同时在轨道交通,变形监测、城市规划等高精度工程测量项目中,测量精度已能够满足工程测量精密定位要求。

  2)三维测量技术

  地面三维激光扫描技术的测量能力、自动化程度、人工作业的劳动强度、测量速度、数据处理效率以及整体经济效益均明显地优于其他测量技术。在特征提取的研究中,针对点云数据散乱的特点,提出了不同的特征线提取方法;在表面重建方面,快速成型技术得到了广泛的应用,通过对IPCM算法进行改进,提出了自适应的切片方法,实现模型重建。在建模软件方面,将激光雷达和摄影测量二者有机结合,开展对数据融合技术、精细三维重建算法和海量数据管理方法等关键技术的攻关,研制了多源数据融合的精细三维重建系统。在海量精细空间数据管理方面,设计并实现了点云、数字影像、CSG模型、3D-TIN等模型的数据存储,提出了多级混合二、三维一体化空间索引技术,发明了点云数据的建模方法和深度图像数据处理系统,利用GPU硬件加速等技术实现了海量精细空间数据快速绘制。

  3)移动测量技术

  移动道路测量系统通过机动车上装配的GNSS、INS、数码相机、数码摄像机和激光雷达等设备,在车辆行进之中,快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据,特别适合于公路、铁路等带状地区的基础信息获取,在电子地图的制作与修测、城市三维建模等领域具有独特的优势。目前已成功研发出多个移动道路测量系统,多传感器集成与同步控制方法、基于惯性补偿的平整度测量算法、时间同步与空间同步等问题得以解决,形成了多传感器一体化、数据一体化、功能一体化的新兴测绘装备。移动测量技术已向多波谱段成像方向发展,红外、高光谱、微波等波谱段的成像传感器逐步得到应用和发展,全景影像制作技术、图像模糊化处理技术已经取得阶段性成果。

  4)变形监测技术

  以计算机技术、网络技术、电子测量仪器技术、传感器技术、通信技术为一体的变形监测系统发展迅速,基本取代了传统的变形监测方法。变形监测已进入了自动化、智能化和信息化时代,在几何学,物理学和计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下,向一体化、自动化,数字化、智能化等方向发展。通过多元传感器及测量设备的数据采集控制管理,实现多种自动化数据采集系统的通用性和兼容性;对多源海量实测数据进行融合处理、实时分析,实现科学、可靠的测值预报和安全性评估。物联网和云计算与自动化监测技术融合,有力地推动了测量工作的一体化、自动化和智能化。地面雷达遥感成像系统(GBSAR)技术不断得到发展,通过研究GBSAR监测信号中静杂波的产生原因,影响及其去除方法,利用GBSAR强度图像的配准方法提取变形信息。

  5)大型特种工程测量技术

  提出了适用于月面环境的无高精度控制点的立体图像条带网定位方法,为嫦娥三号月面巡视探测器在月表实施科学探测任务提供了空间定位技术支撑;设计和实现了一种利用固定长度配合深度尺量高的方法,提高了三角高程测量精度,在大亚湾中微子实验工程中,解决了由于测区地势起伏,核电内路

  线交通弯曲导致的高程测量精度低的问题、在港珠澳大桥沉管隧道工程中,综合利用GNSS声呐和倾斜仪测量技术、先后研发了深水碎石基床铺设测控系统、外海长距离沉管浮运测控系统和深水测量塔法沉管安装测控系统等沉管施工测控系统/运用全站仪、激光扫描、数字工业摄影测量等多种测量技术,圆满解决了65m射电望远镜设计、制造、安装和校准全过程的测量难题,提出了一种无固定观测墩的精密施工控制网布设方法,克服了软土地质结构条件影响。将激光扫描技术引入65m背架整体检测。

  6)矿山与地下工程测量技术

  矿山测量以空间信息学和系统工程理论为基础,综合运用测绘遥感、地球物理、物联网等手段,观测并感知矿山全生命周期以及矿区全方位对象的几何、物理及其空间关系变化,处理并解决矿产资源保护、矿山开发优化、生产环境安全、开采沉陷控制、矿区生态修复等科学与技术难题。当前矿山测量正冲破传统认识,朝着由简单到复杂、由单一向多元化,以及由手工、半手工作业向数字化、自动化、智慧化方向迅速迈进。矿区变形监测技术,主要研究利用SBAS、永久散射体技术等时序InSAR技术,发展了老采空区地表残余沉降监测地基稳定性评价技术,并综合利用PPP、CORS及三维激光扫描等技术进行矿山沉陷监测。在数字矿山空间信息集成建模与应用方面,研究提出了一批矿山三维空间模型,处理方法与分析方法,开发了系列软件,建立了数字矿山体系框架及其关键技术体系。此外,在地下工程测量技术方面,热红外遥感技术和超导量子干涉器SQUID进行管线探测技术得到发展,利用无人机搭载热红外成像仪探测长距离输油管道,研制完成了超导地磁图仪,能够对地下15m 以内空洞、PVC和水泥管线进行探测。

  5.海洋与江河湖泊测绘

  近两年来,海洋与江河湖泊测绘在海底地形地貌测量、机载海洋测绘、海岛礁陆海一体化测绘、海洋重磁测量、电子海图和数字海洋地理信息等六个技术领域取得较大进展。

  1)海底地形地貌测量

  随着卫星导航定位、声学探测、数据通信、计算机数据处理与可视化、图像学和图形学以及现代测量数据处理理论和方法等相关领域的发展,我国的海底地形地貌信息获取技术正在向高精度、高分辨率、自主集成、综合化和标准化方向发展。在海域高精度定位方面,正在构建沿岸、海岛礁及邻近水域高精度GNSS定位系统,自2015年开始对我国沿海现有22座RBN-DGNSS台站进行技术改造,将单一播发差分GPS信息的台站升级为兼容播发差分北斗信息的RBN-DGNSS系统,实现我国沿海200海里范围内GPS和北斗差分定位服务,并可向沿岸用户提供厘米级精度的北斗精密定位导航服务。随着卫星重力技术的发展,机载激光测深技术在海岛礁调查、岸滩水下地形地貌测量中的应用,以AUV/ROV为平台,携载多波束测深系统、侧扫声呐系统和水下摄影系统于一体的深海海底地形地貌测量系统的出现,我国已初步形成从太空、空中、水面到水下全海域立体获取与深海高分辨率观测技术体系。关于海底地形测量数据精化处理技术,重点开展了验潮零点漂移检测及修订、环境因素和观测过程的动态特性影响与补偿方法研究,进一步完善和改进了深度基准面确定和多波束测深数据处理方法,研发了海道测量水位改正通用软件,研制了具有自主知识产权的多波束测深数据处理软件,侧扫声呐条带图像数据处理软件。

  2)"陆海一体化测绘技术

  在海域无缝垂直基准构建方面,以地球椭球面作为根本的海域无缝垂直基准面,建立了深度基准面与地球椭球面差异的数值模型--深度基准分离模型,开展了陆海大地水准面拼接、高程基准面与深度基准面转换、基于卫星测高数据提取潮汐参数和构建潮汐模型、基于重力位差实现跨海高程基准传递的理论与方法研究。在海岸带地形测量方面,提出了以潮汐预报和水位推算技术为基础的岸线确定方法以及基于卫星影像的岸线确定方法;解决了GNSS无验潮水深测量技术的瓶颈问题,验证了该系统实施高精度水深测量的可行性/研究了无人船全自动化测深、低空无人机航空摄影测量、三维激光扫描、机载LiDAR等测量技术,研发了船载多传感器水上水下一体化测量系统,建立了较为完整的海岸带水上水下一体化测量方案。

  3)机载海洋测绘技术

  在机载重力测量方面,国产自主知识产权海洋航空重力测量系统的研发实现了关键技术的重大突破,进入工程样机试验阶段/组织实施了国内乃至国际上规模最大的多型航空重力仪同机测试试验,研究并验证了基于差分定位处理模式所获得的航空重力测量成果精度与基于GPS精密单点定位模式处理所获得的测量成果精度基本一致/研究了航空重力测量数据向下延拓技术,提出了一种独立于观测数据、基于外部数据源的向下延拓新思路。在海洋航空摄影测量与内业制图方面,研究了高精度POS直接定向技术在海岛礁航测生产中的应用,提出了一种海岸带水边线等高约束条件控制下的光束法区域网空三测量方法,基于GNSS差分技术与精密单点定位技术,提出了无控空三航摄作业方案。

  4)船载海洋重磁测量技术

  在船载重力测量方面,形成了引进、吸收和应用多型号国外设备,研发验证国产设备的态势。数据处理方面实现了数据采集与处理自动化及智能化、重力仪性能评价标准化和指标化、数据处理规范化。具体表现为:研发了基于电子海图的导航、数据采集、处理和成图软件;提出了重力仪零点趋势性漂移、有色观测噪声与随机误差的分离方法,形成了稳定性评估的标准化技术流程/推导了均方根误差、系统偏差、标准差等组合新的重复测线内符合精度评估公式,为重力仪动态性能评估提出了更精细的评估指标;提出了一种基于互相关的交叉耦合效应修正方法,对高动态海洋重力测量数据实施了综合补偿和精处理;基于Tikhonov正则化方法和移去;恢复技术,构建了多源重力数据融合模型,提出了融合多源重力数据的纯解析方法。

  磁力测量方面,开展了南海海底地磁日变站布放选址方法研究,解决了远海磁力测量日变改正难题。研究了拖鱼入水深度计算与控制,建立了入水深度与配重、拖缆长度和船速间的影响机制。采用傅里叶谱分析,实现了磁平静日变和磁扰改正的分离,解决了强磁扰期日变改正问题;基于多台海洋磁力仪、测深仪和GPS,构建了一种阵列式海洋磁力测量系统。在海岛礁地磁测量方面,实现了地磁经纬仪、陀螺经纬仪、天文观测和GNSS高精度定位与定向等多系统一体化集成应用,提出了完整的地磁三分量测量技术流程,编制了技术规程,建立了地磁测量数据处理模型。

  5)电子海图技术

  基于IHO相关标准和规范,采用文本描述法,设计了“所见即所得”的海图符号编辑器;提出一种基于字符颜色扩展的海图水深注记方法,研究了海岛礁符号的概念、特征、功能及分类,形成了完整的分类体系,开发了符号库系统,设计了色彩管理方案,提出了一种英版航海通告信息自动搜集与处理技术,并研制了软件;提出了电子海图云服务概念,并设计了模型,提出了海图集合云存储策略,建立了空间索引模型,提出了全球电子海图的云可视化服务方案。综合应用电子海图技术、AIS技术、GPS技术、WiFi技术、网络云服务技术等多种技术手段,构建了一整套适合引航员便携应用的“口袋版”iPad移动引航系统。开展了中国海区e-航海原型系统技术架构研究,完成了技术架构和工程建设可行性研究。

  6)数字海洋地理信息技术

  针对海洋基础地理信息存储、管理与应用的特点,提出了命名要素的概念及归类原则;研究了海洋地理信息系统理论构成体系中的时空数据模型、时空场特征分析、信息可视化和信息服务等技术;研究了数字海洋系统中电子海图数据融合可视化问题,提出了温跃层数据的自动提取和三维表达的理论与实现方法,实现了可视化海洋环境空间数据的动态演示,采用面向服务的理念设计,提出了构建海洋空间地理信息网格服务平台的技术方案/基于云计算技术,提出海洋空间信息一体化架构服务平台;从数据特征和用户需求出发,研发了集成数据管理与查询、数据处理与分析和数据可视化功能于一体的南海海洋信息集成服务系统;积极推进了“数字海洋”建设,研发了数据库服务、三维全景实景显示漫游和渔政地图等子系统。研制了海洋多源异构数据转换系统,设计了可实现海洋数据解译与再存储的统一数据存储结构,搭建了海洋水文环境要素可视化系统,基于面向数字海洋应用的虚拟海洋三维可视化仿真引擎--i4Ocean模拟了海上溢油现象。

  6.空天地海一体化测绘

  空天地海一体化测绘体系是由陆地测量车、海上测量船、中低空的遥感测绘平台、航天测绘卫星及

  地下测量机器人等共同构成的一体化的信息化测量技术。目前,这一体系已经有了重要突破,研发了超过三种车载陆地测量系统,该系统是各种高科技传感器在车辆上的大集成,包括各种激光扫描仪、摄像机、数码相机、陀螺仪、北斗卫星接收机等,可以快捷、精密、准确地在陆地测量建筑设施和树木等,提供立体化的地理信息数据;海洋测量技术配备综合测量船,可以测海岛、测海底、测港口、测河道等;在航空测绘领域,不仅在中高空遥感测绘平台、中低空无人机和无人飞艇遥感测绘技术很成熟,超高空的平流层飞艇上也建立了遥感测绘平台,形成快速机动的航空遥感测绘手段;在太空有北斗卫星导航系统、资源三号卫星及其他系列的遥感卫星,在高分辨率遥感卫星上已取得突破,形成了系列化的自主测绘卫星体系,航天测绘、航空测绘与地面测绘相结合,构成中国的对地观测体系,实现全球范围的地理空间信息的获取;此外,利用地下测量机器人技术,促进地铁、山洞开挖、矿井安全等地下基础设施的建设快速发展。通过五个方面的整合,形成了空间、空中、地面、海洋、地下五位一体的测绘技术。

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