学科报告▏测绘科学与技术学科发展研究（三）

主编：中国科学技术协会编著：中国测绘地理信息学会

（续报告中“本学科近年的最新研究进展”之“最新理论与技术”部分）

二、本学科近年的最新研究进展⒋ 地图制图与地理信息工程近年来这一学科领域的研究主要集中在现代地图学理论、数字地图制图与地理信息系统、移动地图与互联网地图等五个方面：⑴现代地图学与地理信息科学随着信息时代的到来，地图学所面临的变化主要体现在地图内容、形式和传播的现代化，提出了数字地图的新概念，地图与地图学内涵得到了拓展，出现了全息位置地图、智慧地图和新媒体地图等衍生新地图概念，为现代地图学及数字地图技术的发展提供一种新的视角与理论方法框架。在地图学与地理信息相关理论研究方面，空间认知理论、地图传输理论、地图语言学理论研究取得了若干进展，初步建立了一个能够具有解释和预测功能的完备理论和方法论体系，形成地理信息科学。⑵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制图技术和方法，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，提出一种面向城市设施POI数据的多尺度可视化策略；提出了保持曲线弯曲特征的线要素化简单算法和基于剖分思想的谷地弯曲识别及结构化方法；针对多尺度表达与变换中地理要素的不同几何形态和生命期特点，建立了动静态结合的尺度变换模型。空间数据安全与数字水印方面出现了若干新技术，如顾及网络环境中地理空间数据特性，构建了一种面向网络环境的地理空间数据数字水印模型；运用聚类思想，采用硬聚类算法（Ｋ-means），对矢量地图线图层进行聚类运算，在此基础上提出了矢量地图的一种非盲数字水印算法；通过研究投影变换和矢量地图数据的特点，设计了一种折线变换方案；分析了瓦片地图的特征，并依据这些特征提出了相应的水印算法要求等。⑶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。此外还有对数据编码、数据压缩、离散格网及地址信息编码等取得一系列研究成果；地理表达与可视化方面的研究集中于自动制图与矢量数据可视化、三维建模可视化和经济社会事件可视化方面。⑷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，制定和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。⑸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，能够很好地解决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。⒌ 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.⑴工程控制测量将全球导航卫星系统（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，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。⑵三维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，如运用优先次序分割的方法提取候选特征点，并连接成线来覆盖尖锐特征线；以可视化为基础，从密集点云数据的离散模型中提取特征；将点云数据划分成片，分步提取各部分数据特征，最后将每一部分所得信息汇总成为全局特征线。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、深度图像、三维线框模型、表面模型、实体模型、CSG模型、3D-TIN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，利用图形处理器（GPU）硬件加速等技术实现了海量精细空间数据快速绘制。⑶移动测量技术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，全景影像制作技术和图像模糊化处理技术已经取得阶段性成果。⑷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、计算机仿真学等多学科、多领域的融合渗透下，变形监测技术向一体化、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，这是当前的研究热点。地面雷达遥感成像系统（GBSAR）不断发展，通过GBSAR监测信号中静杂波的产生原因、影响及其去除方法的研究，利用 GBSAR 强度图像的配准方法提取变形信息，并在干涉图滤波、时间维相位解缠、空间维相位解、误差特征分析与改正模型等数据处理方面取得若干新成果。⑸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，解决了大亚湾中微子实验工程中由于测区地势起伏，核电内路线交通弯曲，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65米射电望远镜设计、制造、安装、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65米背架整体检测。⑹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和矿区全方位对象的几何、物性及其空间关系变化，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、由手工到半手工作业向数字化、自动化、智慧化方向迅速迈进。近年来的进展主要体现在以下几个方面：①矿区地表沉陷监测及控制。利用实时动态控制系统（RTK）与三维激光扫描进行集成，SBAS、永久散射体等时序InSAR技术对矿区进行形变监测，判断井下开采位置、方向及速度，对井下开采可能遇到的危险进行预警；采用DInSAR技术对老采空区地表残余沉降监测地基稳定性进行评价；基于logistic模型估计矿区地表时序形变；提出融合水准监测和 InSAR监测值反演概率积分法模型与下沉值有关的参数，并以此预计矿区全盆地垂直沉降；基于InSAR干涉测量技术，对监测矿区地表三维形变、开采沉陷参数沉陷规律分析、概率积分法参数反演等技术进行研究，实现非法开采监测预警；引入数学形态学算子对多光谱遥感图像进行端元提取，根据煤矿塌陷区域内地物类型实际情况，设定水体、建筑用地、农田和土壤四种端元类型，利用多时相 CBERS CCD图像对某煤矿塌陷地进行土地利用与土地腹背变化（LUCC）检测与分析。联合国际全球导航卫星系统服务（IGS）跟踪站，开展矿山CORS平台及其协同灾害监测、预警系统的关键理论及技术系统研究。②数字矿山空间信息集成建模。针对矿山地上地下多源异构空间数据分裂、地层矿体模型与井巷模型不耦合、三维空间模型与采矿安全分析模型不统一、矿山三维模型更新维护极其困难等数字矿山技术难题，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；提出适用于煤矿与金属矿山的三维空间分析系列方法，针对复杂地层、地质结构、矿体及井巷工程三维空间进行集成建模，并研制了系列模型；提出适用于煤矿与金属矿山的三维空间分析系列方法；结合我国煤矿与金属矿山储量动态管理、金属矿体采场顶板可视化维护、中东部煤矿“三下”压煤开采优化，以及煤矿安全集成监控与隐患可视化分析需要，基于数字矿山基础平台开发了多个应用系统。③地表火灾综合监测。构建煤火区的无人机、遥感、GPS、InSAR、热红外成像仪、三维激光扫描仪等立体监测技术体系，建立了 TM/MODIS不同分辨率的热红外波段STARTM融合温度反演模型，以及采用热红外成像仪测量煤层露头、废弃小煤窑及浅部煤火温度场的方法，提出一种温度场监测方案，建立了基于无人机的火灾构造裂隙的精准监测技术，开发了基于灰度值、分形特征、植被覆盖等知识的构造裂隙遥感影像自动提取法，以及同煤火与地裂信息系统及废弃物裂隙充填新技术，并对火区与地裂缝进行了治理。④矿地统筹的矿区塌陷地生态修复集成技术。基于CORS系统和Landsat、SPORT多源遥感影像数据，结合现场调研、实地踏勘，探测矿区采煤塌陷地的成因、数量、分布、生态状况、土地利用现状及其演替规律，建立了矿区采煤塌陷地基础数据库及示范区遥感影像库；利用3S技术和开采沉陷预计理论，研发了开采沉陷预计系统，全面定量预测了实验区各矿煤炭开采结束后采煤塌陷地的范围、开采破坏情况、地表移动变形及下沉稳定状况；分析影响采煤塌陷区建设适宜性的各种因素，建立了采煤塌陷区建设适宜性评价体系，采用GIS软件分析对实验区采煤塌陷地的建设适宜性进行评价，针对不同类型的建设区域提出了适宜的结构形式及抗变形措施。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，可应用于地下管线、道路空洞和采空区探测，桥梁、山体和堤坝监测，工程施工前测量和竣工验收测量，以及古文化遗址勘测。（未完，待续）

■文章来源：《2014～2015测绘科学与技术学科发展报告》，中国科学技术出版社出版，科学普及出版社发行部发行，出版时间为2016年4月。共有本行业101位专家学者分专题完成本书编纂（成员名单略），本书首席科学家为宁津生院士。考虑到整个报告很长，我们分篇进行不定期编发，提供给本行业相关专业人士阅读了解。如其他平台转发本文，务请备注出处，版权归中国测绘地理信息学会所有。

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