工程測量中的三維GIS技術研究

涂小青

江西省核工業地質調查院 江西 南昌 330038

傳統GIS技術在二維層面上完成空間數據分析，測量結果、測量范圍方面會受到諸多條件的限制。三維GIS技術具備強大的數據處理、分析、展示功能，可將測量結果以三維的形式呈現在受眾眼前。目前在工廠測量領域被廣泛應用。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 三維GIS概述

1.1 三維GIS技術分析

三維GIS（地理信息系統）是指在傳統二維GIS技術的基礎上，加入了第三個維度，即地理信息的深度。三維GIS技術通過引入高程數據來表示物體或地形的第三個維度，建立高程（DEM）或激光雷達測量數據進行建模。該類數據與地理空間的二維數據（如地圖坐標、信息等）結合在一起，構建出可視化三維環境。在數據獲取方面，三維地理信息系統使用激光雷達、航空攝影或衛星遙感等技術獲取高程數據和地理信息數據，其中包括地形、地物特征、建筑物外觀等。系統將采集的高程數據與地理信息數據融合處理，建立綜合的三維GIS數據庫。完成數據處理之后，三維地理信息系統通過幾何特性計算、可視化表示、空間關聯性分析。技術人員通過使用不同的分析算法和建模技術，獲得具有三維特性的地理現象描述。最終，系統能夠將分析結果以可視化的方式展示給用戶，并提供交互式操作功能。用戶在操作期間可以自由旋轉、傾斜或縮放地圖，以獲得不同角度的測量視圖，并與地理對象進行互動[1]。

三維GIS技術通過從高程數據中引入第三個維度，將地理信息與空間幾何信息結合起來，通過數據采集、處理、分析和展示等步驟，實現對三維地理空間對象的描述、分析和可視化展示。

1.2 三維GIS技術特點

三維GIS以三維方式呈現地理數據，提供更直觀的地理現象，揭示出在二維平面上無法獲得的信息和關聯關系。三維GIS技術在工程測量中的應用具有以下特點：

第一，高精度測量。三維GIS技術可以提供高精度的空間定位和幾何數據，使得工程測量可以更準確地描述和分析地理空間對象。技術人員通過激光掃描和精確測量方法的應用，可以獲取真實且準確的三維地形和地物信息。

第二，可視化展示。三維GIS技術能夠以立體圖像形式展示工程測量結果，使得測量數據更直觀、形象，并可以在三維環境中進行檢視和分析。這種可視化展示方式，有助于工程師更好地理解工程項目，識別潛在問題并做出正確決策。

第三，空間關聯性分析。三維GIS技術允許對不同要素之間的空間相互關系進行深入分析。技術人員利用系統的數據分析功能，可以對工程測量中的地物或地形要素進行空間關聯性分析，幫助工程師了解工程地理間的相互影響和交互作用，提高對工程環境的理解和預測。

第四，可視域分析。三維GIS技術可以進行可視域分析，即確定特定位置或觀察點等可見的區域的信息要素。在工程測量中，可視域所呈現的結果對于工程人員規劃和設計工程方案非常重要，工程人員可以根據可視域分析結果，準確繪制建筑物視野范圍，開展周邊環境的交通安全分析等工作。

第五，模型集成處理。三維GIS技術可以與建筑信息模型（BIM）集成，在工程測量過程中對建筑物、設備或結構展示，促進工程項目建設過程中的跨學科協作和數據共享。

三維GIS技術在工程測量中具有高精度、可視化表示、空間關聯性分析、可視域分析和與BIM集成等特點。三維GIS技術提供了一種強大的工具，幫助工程師理解和分析工程環境，優化工程規劃和設計，并支持工程過程決策。

2 三維GIS在工程測量中的應用

2.1 三維GIS在工程測量中的功能模塊應用

2.1.1 輔助作圖模塊

三維GIS技術在工程測量中應用具備輔助作圖的功能，可以將地理信息、工程信息以圖形的方式呈現給工程人員，并將圖像等數據成果輸入到數據庫之中，實現地理空間信息數據的網格化處理。在作圖功能實現過程中，技術人員利用輔助作圖功能，將地理數據以立體圖形的方式進行可視化展示。生成地理信息要素，其中包括地形參數、建筑物輪廓、道路網絡等。用戶可以在利用空間地理信息作圖過程中，使用自由旋轉、縮放和傾斜操作功能，根據不同角度和尺度進行視覺化呈現，并在地圖上作圖或標注。在輔助作圖模塊應用過程中，可以手動輸入并為數據庫提供處理便利，使得數據處理流程更加簡化、便捷，測量人員完成作圖任務的過程更加高效[2]。例如，在勘查工程中，技術人員利用三維GIS系統生成三維地形圖，具體三維作圖結果如下所示：

圖1 GIS三維地形圖生成結果

2.1.2 地圖管理模塊

三維GIS技術利用地理信息系統可以儲存大量的圖片信息，并支持地圖信息數據格式的靈活轉化，實現地圖格式的科學轉化。工程人員可以利用數據庫中的地理圖像，完成繪圖、制圖、分析工作，實現圖像的矢量化操作，糾正圖像迭代重構中的誤差，實現多個拼圖的無縫銜接和投影，實現地理信息測量結果的精準化。例如，三維GIS提供了地圖管理功能，用戶可通過創建、編輯和組織地理數據的方式，進行地圖繪制。在此過程中，用戶將采集的地圖數據導入、導出，創建三維地圖項目，進行地圖數據的操作和管理。同時，系統支持添加或刪除地理要素、設置符號樣式、定義顯示屬性等。地圖管理功能使得用戶能夠定制和優化地圖內容，滿足特定應用領域的需求。例如，在水利工程模型構建過程中，利用三維GIS的地圖管理模塊，實現多個圖像之間的重疊、修正，構建三維地理信息，具體模型結果如圖2所示。

圖2 地圖管理模塊應用圖

在地圖管理模塊應用過程中，三維GIS技術提供了查詢、定位、測量、路徑生產、標注等功能，用戶可以通過平移、縮放、傾斜、旋轉的方式，觀測地圖圖像。

2.1.3 設備管理模塊

三維GIS可以用于設備管理，該功能可以幫助用戶追蹤和管理各種設備的位置、狀態和屬性信息。工程人員通過將設備的三維模型與地理數據集成，直觀地查看設備的空間分布并獲得詳細信息。同時，用戶還能夠對設備進行查詢、過濾和分析，幫助用戶優化設備安排和維護計劃[3]。

2.2 數據查詢和管理

在工程測量中，三維GIS技術具備數據庫查詢、數據管理、數據更新等功能，可以根據不同的測量數據類型，建立數據庫。數據庫是三維GIS測量管理的核心，用戶主要使用數據庫來存儲和管理地理數據。常見的數據庫類型包括關系型數據庫（如MySQL、Oracle）和面向對象數據庫。用戶通過建立適當的數據庫架構和數據模型，可以有效組織和管理大量的三維地理數據。在數據索引和查詢方面，三維GIS系統使用四叉樹空間索引技術，用于組織和存儲地理對象，使得空間查詢操作更高效。用戶可以利用查詢語言（SQL）進行復雜的空間查詢，查詢在某個區域范圍內的所有三維對象或基于屬性條件進行數據的篩選。三維GIS還支持基于屬性的查詢和過濾。用戶根據特定屬性值或屬性條件，如分類、名稱、日期等，進行地理信息數據的查詢和篩選，幫助用戶快速定位所需的數據，并滿足特定的數據分析需求。

在工程測量中，用戶可以利用三維GIS系統的數據編輯功能，通過添加、刪除或修改地理對象的幾何形狀和屬性信息，確保數據的一致性和完整性。用戶利用三維GIS技術繪制新的三維對象、修正現有的地理數據或更新屬性信息，實現數據編輯與數據庫管理系統、事務處理相結合。在應用過程中，三維GIS提供了數據共享和權限管理的功能，允許多個用戶或組織共享和訪問地理數據。通過授權和權限設置，限制不同用戶或用戶組對數據的訪問級別和操作權限，以保護敏感數據和確保數據安全[4]。

三維GIS技術通過數據庫管理、空間索引、屬性查詢、數據編輯和權限管理等手段實現數據的查詢和管理功能，用戶能夠輕松地檢索和操作地理數據，并滿足用戶特定的分析需求，確保數據的準確性和一致性。

2.3 可視化展示

在工程測量中，三維GIS技術具有可視化功能，可以確定在特定角度和海拔高度上可以觀察到的地理要素。三維GIS可以模擬人的視野，即從特定位置或觀察點能夠看到的范圍。這在工程測量規劃中，可以發揮巨大的應用價值，通過視線分析，可以評估在某個位置上可見的景觀，尋找最佳的觀景點或優化視野條件。三維GIS可以幫助識別在特定位置上阻擋視線的障礙物。例如，當測量無線通信基站時，需要確保沒有地貌或建筑物阻擋信號傳輸路徑。用戶通過可視障礙物分析，確定最佳的基站位置，以確保無障礙信號傳輸。

在利用三維GIS可視化功能實施工程測量時，用戶首先需要準備好三維地理數據，使用激光雷達掃描、衛星圖像、航空攝影或其他方式采集數據。數據應按照特定格式進行存儲，并加入幾何和屬性信息。隨后用戶將準備好的三維地理數據進行建模和渲染，用戶可使用光照模型、紋理貼圖、透明度調整等方式，產生使得模型產生逼真的視覺效果。在可視化呈現過程中，用戶能夠指定一個固定的觀察者位置，交互式地進行觀察點的調整，以獲得不同角度和尺度的視圖。在用戶界面中，用戶使用平移、縮放、旋轉等操作來控制場景的視圖和可見范圍，通過添加標記、繪制線條或區域，突出顯示特定的地理要素。在部分工程測量中，可以模擬時間變化，模擬行車路徑等，以動態化的方式呈現出三維數據信息。

2.4 空間分析結果描述

在工程測量中應用三維GIS技術，可利用系統的數據組織、數據查詢、數據計算功能，實現空間數據的全面分析，數據組織和管理。在查詢期間，用戶使用查詢位置或關系方式來提取并選擇地理對象，幫助用戶快速定位和篩選所需的數據。在計算期間，可通過緩沖區分析和距離計算方法，評估地理對象之間的關系和影響范圍。工程測量中空間分析功能主要基于數據分析實現，例如，技術人員通過三維GIS技術，對地理對象的屬性進行統計和聚合分析，計算工程區域內地面的平均高度、人口密度或土地使用類型分布等。隨后，建立空間模型，分析地理對象之間的空間關系和相互影響。這可以揭示出在二維平面上無法直觀理解的空間關聯性，分析工程區域地貌特征與生態環境之間的關系，設備分布與工程建設之間的聯系等。

同時，三維GIS技術具備強大的數據決策功能，幫助用戶更加直觀分析和理解地理空間數據。在工程測量期間，建立多個評估標準，幫助決策者權衡不同要素與利益之間的內在聯系，其中包括工程與環境之間的關系，工程建設與土地利用之間的關系等。此外，三維GIS技術可應用到風險分析中，識別工程項目中的風險因子，確保最終測量結果的科學性、全面性。

2.5 地理動態信息采集

三維GIS技術具備強大的信息采集和信息分析功能，確保工程測量結果的動態化。在測量過程中，技術人員可以利用遙感技術、定位系統、激光掃描技術等獲取地理空間信息，使用傳感器裝置進行工程測量。例如，使用全球定位系統（GPS）可以提供工程車輛或設備的位置、速度和方向等信息。使用慣性導航系統能夠收集運動信息，包括加速度和角速度等參數。激光掃描儀、攝像機等能夠用于捕捉周圍環境的動態特征。將采集到的地理動態信息進行處理和集成，按照工程測量數據處理過程進行數據清洗、校正和配準等，通過算法和模型數據的整合，建立一致且準確的地理物體動態模型。為了將地理動態信息存儲和管理，在編碼和標注方面需要制定適當的標準和規范。例如，使用國際通用的地理數據標準如CityGML和OpenStreetMap格式，對地理動態信息編碼和描述。此外，利用添加時態屬性和關聯關系等附加信息以記錄動態變化。由于地理動態經常發生改變，因此，三維GIS技術應支持數據實時更新和采集。用戶通過將系統與傳感器、監測設備或工程設備的接口連接，實現自動或半自動的數據采集，使得地理動態信息及時準確。

3 結語

綜上所述，三維GIS技術在工程測量中的應用彌補了以往平面測量的不足之處，且信息收集更加全面，可實現空間立體數據的可視化、動態化，空間輪廓和空間屬性更加具體，測量結果更加準確。三維地理空間系統的建立實現了定位、遙感、測繪、實景模型構建的結合，可以實現地理信息數據的動態化處理，為工程項目建設提供技術支撐。