工程测量中的三维GIS技术分析

李序安

摘要：三维GIS技术在工程测量中得到了广泛的应用，对于传统的测量方式下产生的工作不足现象可以起到有效的弥补措施，是一种直观、实用且实时的技术测量解决方案手段，对于技术测量的成果准确率可以起到有效的作用；还可以缩短测量时间，提高工作效率，对于我国工程行业的发展具有积极的促进作用。以三维GIS技术的概述及特点为核心，探究工程测量现状，介绍工程测量中的三维GIS技术模块，以及该技术在工程测量中的有效应用。

关键词：工程测量；三维GIS；技术要点

一、前言

工程测量的准确性直接影响工程项目建设的质量和效率。传统的绘画方法已经不适应现代社会发展的要求。因此，为实现大地测绘项目的可持续发展，必须结合现代具体环境和社会发展，积极引进新的大地测绘技术，通过与网络信息技术的高度融合，提高工程测量自动化程度。此外，由于与数字技术的结合，绘图结果更加立体直观。新制图技术的应用也在不断完善。与传统测绘技术相比，新技术不仅能够有效提高测绘精度，而且使测绘更加便捷高效，为测绘事业的长远发展奠定坚实的基础。

二、三维GIS技术的概述及特点

（一）技术概述

三维GIS技术的概念相对复杂，从不同的角度有不同的解释。对于建筑业来说，它需要专注于3D视角。3D系统基于3D的概念。与二维系统相比，三维坐标可以直观地反映物体之间的平面关系和三维关系。三维系统基于X、Y和Z轴。三维GIS技术自身的数据处理能力较为强大，可以借助于数据信息的检测来向用户发送对应的图像和表格，实现对应的土地形状、位置坐标以及其他信息的再现。用户可以进行数据分析和计算，以此来实现城市的规划管理，进行合理化的土地资源利用和配置。有鉴于此，三维地理信息系统激素可以将计算机技术和地理数据实现有效的结合，以此来构成一个三维空间的信息模型。利用虚拟化的模型，我们可以对万物所呈现的地理空间和位置信息进行分析，提供工程测量的基础数据[1]。

（二）技术特点

1.三维GIS技术可以利用数据模拟现实世界中事物的三维空间关系，帮助用户更直观地感知事物在空间中的状态。三维GIS技術可以让物体按一定的比例进行缩放，从而真实、直观地显示虚拟物理图形属性的可视化。三维GIS技术还可以实现地形特征空间分布的可视化。在表示虚拟地形特征时，将充分显示地理空间信息和空间属性信息。

2.三维GIS技术不仅直观地模拟物体外部的三维空间，还提供物体所在空间的准确反馈，使人们能够从宏观角度了解物体的基本信息，确定其所在的区域。对象根据实际情况定位。这个功能与汽车的导航功能类似。当命名它时，可以使用导航显示该位置的所有方向。三维GIS的应用原理与此类似。通过使用该技术查看地图，可以看到周围的道路、山脉、河流和休闲区，并将结果信息显示为3D图像，还可以根据用户的需要缩放信息。将三维GIS技术应用到工程测量中，可以为工程测量的发展提供重要的指导和支持。

三、工程测量现状

从工程测量的实际发展来看，工程测量的发展与测量方法密切相关，既满足现代工程测量的实际需要，又充分认识到技术手段在工程测量中的重要性。实际工程测量中采用的技术手段对被测结构的稳定性和精度有比较大的影响。通过应用数字绘图技术，可将300米左右的地图测量过程中产生的内部误差控制在3mm以内，有效满足工程建设的基本要求。同时，科学合理的测量方法也能充分检验项目的基本结构和项目环境。数据和信息是未来建设项目的先决条件，也将对项目的整体质量和建设效率产生重大影响。在当前社会环境下，我国采用的测量技术具有GIS技术、GPS技术、RS技术等诸多特点，在工程测量领域得到广泛应用，市场发展空间十分广阔。GIS技术具有高精度、高效率的特点。从本质上讲，地理信息系统技术是以各个地理信息系统学科为技术核心，通过互联网和计算机技术来实现，它保证了与地理信息系统学科相关的基础知识相互交叉。在GIS技术中，其主要内容是基于实测的施工数据。它不仅具有工程数据采集和管理的技术功能，还根据工程数据的基本特征，为工程制图人员提供决策管理、空间查询等辅助功能。由于新一代测量技术的发展，GIS技术在工程测量中得到广泛应用。设计工程师在工程测量中可以利用地理信息系统技术提高工程测量数据的准确性，有助于准确了解施工关键要素，从而更准确地确定设施的具体特征，使地理信息系统技术更好地发挥其作用。工程测量的主要工作是施工测量和变形监测，而测量网络的优化设计是整个工程中比较重要的部分。在这项工作中，必须遵循投入产出最大化和高精度的原则，以确保工程测量结果具有更高的精度[2]。

四、工程测量中的三维GIS技术模块

（一）地图管理技术模块

GIS技术可以智能、快速地整合大量的数据库和地图数据并进行快速转换，同时以各种形式保存地图和数据。GIS技术具有快速数据纠错、图像矢量化、投影变换等特点，能很好地满足我国现代测量技术的要求。

（二）设备管理技术模块

设备管理模块的主要功能是在不影响工作的情况下支持GIS和其他系统同时正常工作，并快速修复错误和丢失的数据。它的工作原理是：①能够确定被测区域的具体位置，并使用相关的规范和设备类型，便于后期发现不确定性；②快速寻找待衡量的Goals并模拟上线listing。此外，GIS技术本身具有图形、打印和制表功能，大大提高I波段测量的质量和效率[3]。

（三）辅助制图技术模块

辅助绘图功能单元可以有效地辅助工作人员进行工程设计和绘图，从而提高绘图项目的效率，对于员工手动录入信息也很有帮助。它简化了数据库录入过程，大大减少了调查人员的工作量。

（四）分析技术模块

该模块可以为工程测量决策者有效测量缓冲区和空间结构提供很大帮助，为工程测量提供可靠的数据，提高工程测量的效率。分析功能模块还可以为GIS系统在工程测量过程中提供有效实现和理论依据，更好地支持GIS系统的运行。

五、工程测量中三維GIS技术的有效应用

（一）数据管理应用

绘制地形图是进行地形测量的重要依据。通过技术优化，地形图绘制从传统的平面、经纬仪绘制模式优化为三维激光扫描、航拍等数字绘制技术。随着GIS的进一步发展，GIS的空间功能也越来越丰富。地形图不是以点、线和面的单一数字地图的形式绘制，而是更加强调测量值的共享。对于测量数据的处理过程可以应用三维GIS技术，以此确保数据实现智能化的录入，可以最大限度地避免传统的测量模型中由于人为因素所造成的失误。三维GIS技术具备强大的数据管理功能，可以对传统的测量模型中存在的问题进行科学有效的解决。对于制图，三维GIS技术可以利用电子地图的模式代替传统的手绘地图，实现地图比例尺、投影、地理坐标以及对应数据形式的变换，简化制图流程，减少工作量，还可以提升工作效率和准确性。此外，利用三维GIS技术还可以实现空间定位信息和属性信息的高效存储，定位和定性对应的空间数据，实现信息系统基本特点的呈现。在三维GIS技术的信息存储过程中，数据属于主要的资产，需要对数据做出科学的分类和组织检索，比如可以根据颜色、线条、符号等形式呈现不同的空间对象属性信息，确保专题图自身的表现效果，对于不同的地理对象可以实现多个属性的反馈，提升表现力[4]。

（二）数据获取

目前，具体的数据采集方法可分为两类：一类是点基数据采集技术，主要是利用常规测量手段，如台站仪、天文大地测量仪、GPS接收机，以及激光雷达等其他技术实现空间坐标点对面的属性采集；二类是区域数据收集技术。它主要利用航空遥感获取范围广泛的图像，并从中提取物理和几何特征。传统的测量方法在收集和更新3D空间数据方面存在一些局限性。大多数不同的数据采集方法是互补的。因此，可以使用多个传感器获取更多原始数据，并将其组合起来创建3D模型。这也是当前研究的热点。不同的传感器组合提供不同的空间数据收集系统。最具代表性的研究成果包括结合地面摄影测量和航空摄影获取三维空间数据；通过结合“地图、激光扫描和地面摄影”，从平面和数字飞机激光扫描（DSM）表面模型中获取3D信息；利用3DMAX、OpenGL、AutoCAD、VRML等专业建模工具制作3D模型，将CCD获取的信息插入或嵌入到3D模型中，生成真实的数字景观地图；利用CSG方法建立真实的3D模型，利用3S技术建立一体化的地面或车载数据系统；使用AutoCAD创建几何模型，以真实照片纹理显示模型，创建真实的3D模型，然后从地面照片中获取纹理信息。如图1所示。

（三）空间分析应用

在三维GIS技术中，可以实现空间的分析，对其信息进行提取、表示和传输。在三维GIS的技术内，具备多个核心功能，涉及空间查询计算、路径分析、缓冲区分析等。利用三维地理信息系统技术，可以勘察海量的数据且进行综合化管理，实现数据的分类分级表达。在空间索引功能方面，还可以实现空间对象和属性信息的及时化检索，根据实际情况做出科学的计算和统计。现阶段，数字模型的分析技术被广泛应用于建筑工程内，可以用数字化的方式来进行地形信息的表达，比如对坡度和面积等地形的因子数据都可以实现更加便捷的自动化计算。数字地形模型具备空间位置和地形特点，属于数字描述的概念。地形的属性又叫作高度，则模型可以被称为高度模型。在制图学中，主要用于绘制等深线和坡度，以及三维透视。在工程勘察设计中，主要用于选择施工路线和选址[5]。

（四）测绘技术应用

当前，数字测绘技术在我国已逐步得到广泛应用，并取得显著成效，尤其是在科技高速发展的背景下，数字测绘取得的成果得到大家的认可。随着计算机技术和激光技术的逐渐出现，数字制图技术在建筑工程中的效率提高，使其更加可靠，便于建筑工程的快速施工。当今时代，我国数字地图技术仍以数字化、自动化为导向。与传统绘图技术相比，数字绘图技术的发展具有很好的优势。当然，在数字制图技术中，传统的制图方法不会被遗忘。将数字地图技术与传统地图技术相结合，促进共同发展。

（五）可视化技术应用

只有设计良好的地图模型，才能有效地进行工程测量，将测量对象的数据信息整合起来，制作可视化地图，方便人员分析研究。工程测量利用三维GIS技术绘制地图，创建3D可视化结构模型，使测量人员更容易直观、具体地了解实物。此外，与以往的GIS技术不同，三维GIS技术可以传递空间信息，通过动画、音视频等方式增强测量的数字化和智能化，真实地展示空间物体的三维结构。

（六）结果描述

三维GIS空间分析包括网络分析、地形分析、缓冲区分析和叠加分析。借助可视化技术，可以更加清晰直观地表达地理现象的空间分析结果。例如，如果使用视觉分析方法测量地形，则可以用不连续或连续的线段表示明显的普遍性，甚至时间或空间的变化，例如，不同地图页面上任何元素在不同时间发生变化的缓冲区，都可以使用三维GIS技术进行描述。

（七）数据显示

传统方法获取的地理数据通常是静态的，而三维GIS获取的数据则直观、动态。过去，人们通过文本或表格级别识别地理数据。使用三维GIS技术后，他们不仅可以通过声音感知地理形状，还可以沉浸在视频中。同时，获取的信息也非常直观，避免工程测量中的麻烦，提高测量效率。

（八）动画采集

可视化是调查数据的静态表示，地图动画属于动态的表达方式，主要是对事物进行传统二维或者三维空间的表达，根据时间来确保地图内涉及时间的相关内容处于不断的变化状态中。地图的动画可以有效弥补地图静态产生的不足，确保观察者可以对时空数据进行更加自然且直观的分析和理解。

六、三维GIS技术应用

（一）3D数据信息的精确获取

目前，三维GIS技术在工程测量中最重要的特点是测量结果的数字化、集成化和动态实时处理。获取信息有两种方法，其一是点数据采集技术，即以全站仪、空间大地测量技术和全球定位接收器等传统测量方法相继获取空间数据坐标；其二是以平面形式获得信息，即使用航空航天物体的遥感来获得广泛的数据和图像，从中可以获得物体的物理和几何特征。

（二）数据信息的可视化和计算

使用三维GIS技术，可以对不同的处理模型进行分类和管理，并将处理后的数据显示为单独的主题图。例如，可以使用不同的颜色或纹理来显示分类图，或者使用相同配色方案中的不同饱和度来显示分类地图。数据信息的分层可视化可以帮助人们更好地理解和使用它。

（三）优化数据和信息请求的管理

通过三维GIS技术支持的查询功能，可以更深入地了解数据和信息，使评估更加直观和准确。通过比较数据分析和几个测试结果之间的误差，可以集成一个完整的工程测量系统。借助三维GIS技术，数据可以以文本、图像或动态视频的形式显示，从而节省了之前数据处理的效率。

（四）实现数据和信息的三维可视化

数据和信息的三维可视化主要是指利用建模技术和地理信息系统技术，以三维仿真模型的形式表示工程相关数据，帮助用户更直观、更立体地体验工程的实际结果。地下管道管理信息系统的功能允许用户以三维方式查看地下综合管道。同时加载和显示地面信息模型和地下综合管道模型，并以3D模式执行搜索和分析功能。随着数字地图技术的进一步创新，基于三维地理信息系统的地理信息可视化形式越来越多样化，不仅限于文本、表格或图像。现代GIS技术还可以通过集成动画、音频和视频来显示空间信息。

（五）描述数据信息的空间分析结果

三维GIS技术使我们能够更好地利用数据和信息的空间分析能力，包括数据分析、缓冲区分析、地形分析和网络分析。借助三维GIS技术，我们可以将技术调查中获得的地球数据可视化，并通过可视化分析不断显示地表信息的变化。即使时间和空间发生了变化，在三维GIS技术的支持下，事物的基本信息仍然可以被描述。

（六）事物空间动态信息的动态收集与组织

过去，测量和工程信息是用二维技术收集的静态信息，而信息的收集和使用则滞后。三维GIS技术也可以是一种与BIM技术相结合的动态技术形式，通过调整时间线，在3D空间中真正显示地理空间信息。它还可以在动画模式下显示这些不断变化的信息，并提供动态的电子地图收集和组织。

七、结语

总之，工程测量在整个建设项目中非常重要，工程测量的准确性直接影响工程建设。传统的测量方法主要采用手工测量。由于地理信息资源及相关数据的采集和处理相对复杂，传统测量效率低下，难以满足工程实际测量需求。对于三维GIS技术来说，需要在工程测量的领域实现对二维平面技术的局限突破，以此来确保工程测量工作可以逐步达到高端科技水平，在工程测量效率效果得到提升的同时，还可以实现其空间轮廓、空间属性的具体化和导向性，为测绘地理信息的可持续健康发展提供有力的数据支撑。

参考文献

[1]周粉，王颖慧.倾斜摄影测量技术在数字城市建设中的应用探究[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（4）：80-83.

[2]吴宏正，李杰卫，张武军，等.3D GIS与BIM数据融合在城市轨道交通工程中的应用研究[J].安徽地质，2021，31（1）：86-88.

[3]周小蓉，王晓璐，孙璨，等.无人机倾斜摄影技术结合BIM+GIS在城市隧道建设中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2021，301（12）：149-151.

[4]刘志中，王旭.BIM技术与倾斜摄影测量技术在兰州某互通立交工程中的应用[J].工程与建设，2021，35（2）：324-326.

[5]杨新生.工程测量中地理信息系统（GIS）技术的应用[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（10）：96-98.

作者单位：重庆市勘测院