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测绘科学的学科介绍

归档日期:07-08       文本归类:知识发现      文章编辑:爱尚语录

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  现代测绘基准体系,是为地理空间信息的获取提供空间位置、高程以及重力等方面的起算依据。它由相应的参考系统及其相应的参考框架构成。提供空间位置起算依据的是大地测量参考系统和大地测量参考框架,国际上几乎所有发达国家都在采用国际地球参考系统(ITRS)和国际地球参考框架(ITRF)。近十年来,我国也在利用空间观测技术,建成了2000国家GPS大地控制网,并完成了该网与全国天文大地网的联合平差工作,使2000国家大地坐标系(即CGCS2000)不仅有明确的定义,而且具有高精度的参考框架。

  我国的高程基准采用1985黄海高程系统,基准是青岛水准原点及其高程值。其参考框架则为国家一、二等水准网。高程基准的另一种表现形式是海拔高程(正高或正常高)的起算面,我国采用CQG2000似大地水准面。关于重力基准,国际上有波茨坦重力系统和国际重力标准网(IGSN71)。我国目前采用2000国家重力基本网作为重力基准。

  GPS系统美国已制订出到2020年的“GPS现代化规划”。其实质可归纳为以下三个方面,即“3P”政策:一是保护(Protection);二是阻止(Prevention);三是保持(Preservation)。欧洲空间局( ESA) 已经最终确定了包括30颗Galileo卫星的空间构形和相应地面控制站布设的最有效的方案。同时确定了Galileo和外部系统的关系。预计2010年以后系统投入正式运行。俄罗斯目前正在着手GLONASS系统维护与更新建设工作,并进行了整体规划,开发新一代GLONASS-M卫星,增长卫星寿命和提高卫星性能,使星座卫星数量达到24颗。我国正在发展北斗二代卫星导航定位系统,卫星星座设计考虑到准备向全球导航定位系统过渡。

  GPS技术的定位方法的进展主要体现在,一是精密单点定位技术(Precise Point Positioning),可以利用国际GPS地球动力学服务局(IGS)预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据,同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测方程中的卫星钟差参数,这样用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千平方千米乃至全球范围内的任意位置,都可以2~4dm级精度进行实时动态定位,或以2~4cm级的精度进行快速的静态定位。二是网络RTK,它是在较大的区域内建立多个坐标已知的GPS基准站,对该地区构成网状覆盖,并以这些基准站为基准,计算和发播相位观测值误差改正信息,对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。国外一些发达国家和我国已经利用网络RTK技术建立了区域连续运行卫星定位服务系统。多频组合、多卫星系统集成的卫星导航定位已成为当今国际卫星导航定位领域的研究开发热点。

  确定地球重力场模型可以用地面已知的重力异常观测值解算出来。目前建立地球重力场模型多采用卫星重力法,一是观测人造卫星轨道对参考(正常)轨道的摄动,这可以是由地面观测卫星轨道摄动,也可以是由一颗高轨卫星(如GPS卫星)对低轨卫星(如CHAMP卫星)观测轨道摄动,然后根据卫星轨道摄动理论及其观测数据求解位系数;二是利用同一低轨上两颗卫星(如GRACE卫星)的相互跟踪,测出星间距离变化量,反演地球重力场的位系数;三是在低轨卫星中装有重力梯度仪(如GOCE卫星),直接测出卫星轨道上的重力梯度,以此求解位系数。

  确定大地水准面,一般还是解算适合某一区域或国家的相对大地水准面。现在国内外最常用的最好的一种求解重力大地水准面的方法就是移去——恢复技术。另外通过GPS的大地高和精密水准测量可以直接观测到大地水准面差距。为了最终获得一个既有高精度,又有高分辨率的大地水准面,可将高分辨率的重力大地水准面拟合到高精度GPS水准求得的大地水准面上。近年来,我国建立了全国和许多省、市的高精度高分辨率的似大地水准面,其中有的城市似大地水准面精度可达到cm级,分辨率可达到2’30”×2’30”。

  随着空间大地测量观测手段的不断发展,地表可观测的覆盖面的扩大和精度的提高,研究对象由局部(如断层)扩展到地区(如板块)及至全球。目前我国的地壳运动监测与大地测量地球动力学的研究主要取得以下实践成果。求出了中国大陆现今地壳运动速度场和变形场及其水平应变率场;建立了中国大陆的二维DFEM模型;求解了五个主要板块的绝对和相对板块运动参数;得到了实测的板块运动模型GVMI。另外对我国某些区域如鄂尔多斯地块、青藏高原、川滇地区、华北地区等的地壳运动和昆仑山口MS8.1级地震也进行了相关的研究。

  我国正在着手建立新一代航空航天数字摄影测量数据处理平台,出现了刀片集群处理系统。它是由高性能刀片式计算机系统、磁盘阵列、后备电源等组成,是以最新影象匹配理论与实践为基础的自动数据处理系统,打破了传统的摄影测量流程,集生产、质量检测、管理为一体,可以进一步提高数字摄影测量的生产效率。

  2.基于DGPS/IMU组合导航技术和LIDAR激光雷达扫描技术的摄影测量

  利用在飞机上装载差分GPS和IMU构成的组合导航系统可以获取摄影相机的外方位元素和飞机的绝对位置,实现定点摄影成像和无地面控制的高精度对地直接定位。机载激光雷达(Light Detection and Ranging,LIDAR)是一种集激光,全球定位系统和惯性导航系统于一身的对地观测系统,能直接获取真实地表的高精度三维信息。我国集中在地表信息的获取、数据处理、与遥感影象及其它技术的整合等方面进行研究和应用。

  数码相机的最大优势在于不增加飞行成本的大重叠度(例如80%以上)影象获取能力,能大幅度提高影象匹配及三维重建(或立体测图)的精度和可靠性,并制作真正射影象。在我国已自主研发出大幅面数码相机。

  从大比例尺的航空影象获取城市房屋真三维模型是实现三维城市建模的有效途径之一。目前是利用低空飞行平台作为传感器载体,将数码相机安装在可以旋转的平台上,分多条航带拍摄城区影象,再结合地面车载或手持数码相机拍摄的影象进行整体处理,生成建筑物立面影象拼接图等产品,满足数码城市和三维场景可视化的需求。

  数字摄影测量技术和方法已经广泛用于高空间分辨率卫星影象的几何处理中,大量研究集中在稀少控制点和无控制点条件下如何提高影象的平面和高程精度。在我国西部至今尚有200万平方公里的国土没有1:5万地形图。我国将采用航天遥感、数字航空摄影、航空航天合成孔径雷达、卫星导航定位、地理信息系统、无控制点或稀少控制点测绘等现代地理空间信息技术的集成手段进行西部测绘工程。

  目前,中国已初步形成了五个遥感卫星系列——返回式遥感卫星系列、“风云”气象卫星系列、海洋卫星系列、地球资源卫星系列和环境与灾害监测小卫星群系列,开始组成长期稳定运行的卫星对地观测体系,实现对中国及周边地区甚至全球的陆地、大气、海洋的立体观测和动态监测。

  利用高光谱影像进行自动目标检测与识别是遥感信息处理领域比较活跃的研究课题。例如在一个复杂的未知背景中,因为人工目标与背景的光谱响应不同,且其尺寸相对很小,所以可将其视为异常目标。在没有足够多先验知识的情况下,如何从高光谱影像中检测这一类目标,我国有许多研究成果。

  任何来自单一遥感器的信息都只能反映地物目标某一个或几个方面的特征。数据融合技术一方面可有针对性地去除无用信息,减少数据处理量,提高效率,另一方面又能将海量多源数据中的有用信息集中起来,融合在一起,便于各种信息的特征互补,减少识别目标的模糊性和不确定性。

  地理信息系统是用于分析和显示空间数据的系统,而遥感影像是空间数据的一种形式,类似于GIS中的栅格数据。因而,很容易在数据层次上实现地理信息系统与遥感的集成,目前已在软件上实现了。

  在基础研究方面,我国开展了目标辐射特性、大气传播模型、反演方法和辐射定标以及在INSAR 和D-INSAR方法、成像光谱仪数据处理、遥感中的空间推理、专家系统和数据挖掘、多源遥感数据融合等领域的遥感数据处理的基础研究。

  在遥感应用研究方面,我国在日常的天气、海洋、环境预报及灾害监测、资源调查、土地利用、城市规划、作物估产、国土普查、荒漠化监测、环境保护、气候变化及国防等方面研制了一些遥感数据处理的新方法和新系统。

  地图制图生产实现了由传统的手工地图制图技术向现代计算机数字制图技术的跨越式发展。地图制图和出版的数字化与一体化已成为中国地图制图生产的基本技术手段,彻底改变了地图制图技术的落后状况,增强了地图制图与出版的科学性。

  我国的GIS软件由2004年的51个增加到2005的66个,GIS产品种类从开始主要是综合性GIS基础平台软件,发展到现在的基础平台软件、应用开发平台软件、专项工具软件和应用软件的系列产品。各种专业应用GIS中的电子地图、多媒体电子地图、网络电子地图、移动设备导航电子地图等多种地图可视化系统应运而生,用户范围也更加大众化。

  我国在解决自动综合的许多难题方面取得了充分体现自主创新精神的优秀成果,为电子计算机按照模型来模拟人在制图综合过程中的思维方式创造了十分有利的条件,比较客观和正确地反映了人脑思维特点。尽管计算机不可能百分之百地模拟在制图综合过程中人脑思维的过程,但可以最大限度的逼近这个目标。

  主要探讨和研究引起GIS空间数据不确定性的原因和表现、GIS空间数据不确定性的处理方法、GIS分析处理过程中空间数据不确定性的传播机理等,例如,基于Web Service数据质量信息服务系统,数字高程模型(DEM)的不确定性等成果在深化GIS空间数据不确定性的研究方面具有重要理论和实际意义。

  对于虚拟地理环境,现在注重研究构建统一的分布式虚拟地理环境系统框架,目的是实现不同类型仿真系统间的互操作和部件的重用,体现了层次化、抽象的数据类型、隐含激活及支持分布式的特点。通过对虚拟现实技术中场景的建模和控制的深入研究,使系统具有线维性、交互性,多媒体集成性和境界逼真性,从而更接近实用。

  近年来,空间数据挖掘和知识发现的研究取得了显著进展。在其算法研究方面,如针对目前忽视GIS数据库中存在的小部分新颖的、与常规数据模式显著不同的新的数据模式的情况,给出了空间离群点检测算法。

  地球空间信息科学或测绘科学技术领域提出了空间信息网格,它实质上是网格技术与空间信息技术的融合与集成。在我国对它从广义和狭义两个层面进行了研究。

  地图制图学与地理信息工程学科中除了地图投影、地图综合和地图符号等传统理论外,又增加了如地图空间认知理论、地理信息传输理论、地图视觉感受理论等现代理论,地图制图学与地理信息工程科学的理论体系正在逐步形成。

  卫星定位技术已被广泛用于各种类型工程控制网。特别是随着大地水准面精化工作的深入开展,使工程控制网从二维发展到三维,彻底改变了传统工程控制网的缺陷。在精密大型工程测量中高精度实时RTK技术用于施工放样。并结合工程特点设计和制造出一些专用的仪器和工具,使众多学科技术在施工测量中渗透与融合,并在施工测量中得到应用。GPS、GIS技术将紧密结合工程项目,在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。

  当前城市大比例尺地形图、地籍图、房产图、竣工图、地下管网图、导航电子地图等基本上都已经实现了数字化测绘,出现了各种类型的数字化测图系统。这些测图系统与常用地理信息系统的接口,实现了野外采集数据与GIS数据间的交换,使野外数字测图系统成为GIS系统前端数据获取的一个子系统。现在城市规划、建筑设计正在推行三维规划和三维设计;房地产业在网上推行三维立体房销售;导航电子地图也出现三维导航地图。这些都对测绘提出绘制三维现状图的要求。全面应用数字测图技术,发展内、外业一体化数据采集与制图系统,对于大型工程建设的工程勘察、设计、施工和竣工存档,提供高质量、多形式的空间基础信息支持。

  全国省会以上城市和部分地级市都建立了城市基础地理信息系统。市政设施现代化管理越来越重要,现在国内外都十分重视市政设施现代化管理中的空间信息网格技术的研究,将市政设施信息按网格建库进行管理,并进行动态变化监测。

  变形监测,是为了保证构筑物在施工、使用过程中的设备和人员的安全所必须进行的测量工作。现在超大型建筑物、构筑物、地库等工程不断出现,变形监测精度要求也很高,一般都在1mm左右,有的要求亚毫米。其数据处理要根据实际情况建立反映变形量与变形因子的数学模型,对引起变形的原因进行分析,必要时还要对变形趋势进行预报。现代变形监测往往是将现代大地测量仪器和空间技术、激光技术、无线通信技术相结合实现连续、动态、实时、自动化监测,具有自动照准、自动观测、自动记录、自动数据处理、自动生成各种图形和报表。

  现代工业生产要求对产品的设计、模拟、生产自动化流程,生产过程控制,产品质量检验与监控等进行快速的,高精度的测量、定位,并给出复杂形体的数字模型或运行轨迹等,因此,兴起了为工业生产服务的测量技术。其手段和仪器设备,主要是以电子经纬仪或全站仪、摄影仪或显微摄影仪、激光扫描仪等传感器在电子计算机硬件和软件的支持下形成的三维测量系统。这些技术的引进,使工业现场精密测量自动化水平大大提高。

  地下管线探测、检测与评估技术为摸清城市已有地下管线的现状,以及评估地下管线的风险提供了一种快捷、经济和有效的手段。非金属管线探测技术中的探地雷达弥补了常规地下管线探测仪在探测非金属地下管线方面的缺陷,已成为探测非金属地下管线的重要技术方法之一。电子标识器的使用为探测非金属地下管线提供了一种新的方法。城市地下管线信息管理系统建设已由原来孤立的系统建设模式,逐步发展成为充分整合城市已有的地下管线信息资源,建立城市地下管线信息共享平台。

  在海洋测深过程中,为解决回声测深仪波束角效应使记录的测深图象失真问题,提出了波束角效应的改进模型及其改正算法。针对多波束测深数据集,采用改进的距离反比权重算法和多细节层次模型技术来建立海底数字地形模型(DTM)。应用双频GPS动态后处理高精度定位技术建立了一套完整的GPS无验潮海洋深度测量作业模式,显著提高水深测量成果的精度。

  有关海洋重力的确定,首先研究了建立我国陆海新一代平均重力异常数字模型问题:基于重力场的频谱理论,给出了扰动引力在全球平均意义下的功率谱表达式;推导了垂线偏差同大地水准面差距偏导数的转换公式;推导了水平重力梯度边值问题的级数解。

  对海洋磁力测量的研究,从磁偶极子磁场出发,推导出一个简单的测线间距计算公式。基于磁力线定义和均匀磁化球体周围的磁场分布,推导出一个简单的磁力线簇公式。以陆用地磁日变站为基础,结合DGPS系统和浮标技术,自行设计开发数据实时采集与传输系统。采用布设海底地磁日变观测锚系的技术方法,解决了远海区磁测日变改正观测资料问题。

  首先重点研究了利用有理函数模型实现高分辨率卫星CCD影象的单片定位的方法;其次提出了一种遥感图象半自动提取建筑物的方法;第三提出了一种基于多分辨率小波高频特征系数的高光谱遥感影象亚像素目标识别方法;第四针对IKONOS高分辨率卫星影象处理中的不适应性,提出一种更为精确细致的图象融合方法—自适应小波包分析法;第五从测高卫星飞行轨道的规律出发,提出了采用“距离加权平均”计算正常点海面高的新方法;第六研究了观测卫星的选择对基线解算质量的影响,提出了提高基线解算质量的人工选星的基线处理方法。

  首先提出了基于Circle原理和“优胜劣汰”思想的地图综合新算法;其次探讨了数字测图中的坐标变换方法,总结了一套作业思路和方法;第三提出了基于Flash技术制作多媒体电子地图的解决方案及实现过程;第四研究了一种由计算机自动生成Delaunay三角网的增点生长构造法;第五实现了MapInfo图形数据在IE中的显示与浏览,从而验证了用VML实现地理空间数据可视化的可行性;第六建立了计算机海图档案系统。

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