学科报告▏测绘仪器装备专业发展研究

主编：中国科学技术协会编著：中国测绘地理信息学会

一、引言测绘地理信息仪器装备已广泛应用于测绘地理空间信息获取、处理和输出等技术环节，是测绘地理信息技术发展不可或缺的重要组成部分。近年来，测绘地理信息产业迅速兴起并保持高速增长，仪器装备作为获取测绘地理信息数据的主要工具，对推动测绘地理信息产业发展发挥着至关重要的作用。随着激光技术、电子技术、计算机技术、空间技术、信息技术等高科技发展和在测绘中应用，测绘地理信息仪器装备的内涵和外延都发生了深刻变化：不再仅仅是简单地获取角度、距离、坐标等离散数据或模拟影像，还要完成以连续的数字化地理位置为载体的各种属性数据和数字影像的获取、处理、管理和服务；不再是仅仅从地面近距离地获取测量数据，还从空中远距离测量地面目标，从水下、陆地下获取目标数据。本专题报告主要围绕卫星定位测量、摄影测量与遥感测量、地面测量、地下空间测量、海洋测量、重力测量、测绘仪器计量检测的装备和测绘仪器装备专业的发展趋势及对策进行阐述。

二、本专业发展现状⒈ 卫星定位测量装备系列⑴全球卫星导航系统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。预计到2020年左右美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国BDS等4大GNSS系统将建设或改造完成。在未来几年，GNSS 领域将进入一个100多颗导航卫星并存且相互兼容的局面。“北斗”卫星导航定位系统（BDS）是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。为使北斗卫星导航系统更好地位全球服务，加强北斗卫星导航系统服务与其他导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面发展，中国愿意与其他国家合作，共同发展卫星导航事业。2014年中国与美国签署《民用卫星导航系统（GNSS）合作声明》，表达了双方探讨北斗与GPS及其增强系统的发展与应用合作事宜，加强合作，共同促进北斗和GPS的全球应用的意愿。另外，中俄双方在卫星导航领域的合作也十分积极，通过互相在对方境内建设GLONASS、“北斗”监测站，促进两个系统更好地融合，推动两个系统本身性能的提高。此外，“北斗”也与欧盟，澳大利亚等国家和地区有广泛的合作。同时“北斗”系统正在逐渐被国际组织认可，2014年国际海事组织已批准发布了《船载北斗接收机设备性能标准》，另外北斗系统成为国际海事组织认可的全球无线电导航系统的组成部分，这两项标准成果将对北斗船舶应用产业产生深远影响。全球卫星导航系统已经从单一的GPS时代发展到GPS、GLONASS、BDS以及Galileo四大GNSS并存与发展的新时代。另外日本的QZSS、印度IRNSS等区域导航系统也在逐步发展。“北斗”卫星导航系统作为我国自主研发的卫星导航系统正在迅猛发展，并已按计划实现区域定位达到预期指标。世界多国GNSS的发展必将导致其功能更全面、覆盖面更广、稳定性更靠、完备性更好以及应用领域越来越广。⑵GNSS仪器装备的发展随着 GNSS 技术进步和信息化时代的推进，GNSS测绘装备在精度不断提高的同时正朝着小型化、高集成度、多功能性方向发展。目前使用最广泛的GNSS测绘装备主要包括：基准站接收机、RTK 接收机、手持GNSS接收机三类。GNSS 接收机是卫星导航系统的重要组成部分，是卫星导航市场规模最大和产业化最核心的环节。目前卫星导航接收机的生产制造厂家约有70多家，接收机的型号为500余种。多模GNSS的发展和测绘装备制造技术的进步，不断有新的高性能测绘装备携带新的功能问世并不断向新的领域拓展。当前GNSS在大地测量领域的应用已扩展到地球物理、地球动力学等方面，除了地壳运动观测，随着GNSS连续观测站的不断增加，观测现象将更加丰富。高精度的GNSS技术将成为火山地震、构造地震、全球板块运动等监测的重要手段。GNSS手持机能够改善数据精度和工作效率、大大减弱劳动强度，在低精度地理信息采集中得到广泛的应用。例如电力、天然气、基础设施、水资源输送、废水处理以及土地管理等。国内外多家厂商都生产出GNSS手持机，包括手持机、GIS采集器、移动GIS、高精度GIS、i-PPPGIS、手持 RTK、测量型RTK、高精度移动GIS平板电脑等。随着海洋在军事和经济方面地位不断提高，以及通信技术和卫星导航技术的发展，GNSS正逐渐向海洋测绘领域扩展。将水声测量定位技术与GNSS测量相结合，由水声仪器负责测量水深而GNSS负责定位，完成海洋测绘任务。水下GPS定位系统可用于排雷潜水员跟踪和制导系统、石油与天然气浅水调查、海洋科学和水下考古应用、潜水员或潜水器及水下机器人跟踪，在500m×500m水域实现水下定位米级定位。海上导航定位主要采用GPS罗经、星级差分机等设备能够利用星基增强系统信号实现分米级定位和定向精度0.5°以下。GNSS测绘装备以其高精度、实时、全天候的定位优势为依托，融合数码相机、测高仪、罗盘、惯性导航系统等设备，其功能不断增加应用领域也不断扩，例如石油开采、森林防火、航空摄影测量、铁路建设和维护等领域。伴随测绘行业的需求更新，高精度GNSS接收机未来将会向着多星座、集成化、小型化、智能化、国产化方向发展：①多系统组合兼容互操作。伴随GPS与GLONASS的现代化以及Galileo和BDS的空间布局完成，将在十年内形成卫星数量达100余个的GNSS系统，广播多个民用信号，GNSS接收机向多系统组合与互操作方向发展已成为卫星导航系统不可逆转的总趋势。②卫星导航与无线通信相融合。卫星导航与通信等其他系统的融合和渗透，是其生命力强大的体现，随着卫星导航与蜂窝通信的逐步融合和移动位置服务（LBS）不断进步，实现室内外平滑过渡的无缝导航定位将是未来GNSS接收机发展的又一方向。③小型化、低功耗、高集成、简易测量。目前高精度GNSS接收技术的发展始终是向着低功耗、小型化和芯片组的商业化，以及系统功能的透明化（嵌入式）和集成化方向发展。④核心板卡国产化。国外进口的高精度GNSS板卡的可用性严重受到政治、军事等因素的影响，不能满足国民经济关键领域对可靠性和信息安全性的需求。随着我国北斗导航系统的全球化布局实现及国产高精度GNSS板卡的蓬勃发展与日趋成熟，国产高精度GNSS接收机终将彻底摆脱国外卫星导航板卡的控制与技术制约，向着符合我国特色市场需求及灵活定制的完全国产化路线迈进。⑤从功能型转为智能型接收机。传统的测地型 GNSS 接收机主要用于实现高精度空间位置数据定位功能，需要使用专业的移动终端，不能随便更换终端设备，导致系统升级代价高，系统使用范围受限，且作业需要专业人员实现，伴随着现代IT应用服务的普及发展潮流，与在测绘应用领域，注重用户体验，从功能化向智能化的应用服务需求日趋明显，未来通过在测量型接收机设备上内置操作系统，开放开发平台，可灵活实现不同测量应用的创新与扩充，通过网络方式与系统进行数据互联通信，可远程操作配置与升级，取消对测量专业采集器的依赖，轻松实现测量作业。⑥GNSS软件接收机。就是在接收机设计中融入软件无线电思想，尽可能接近接收机天线处实现灵活可配置的软件化数字处理。突破了以往接收机功能单一，可扩展性差和以硬件为核心的设计局限，凭借其可升级性、功能的可配置性，以及平台的通用性、灵活性、开放性等众多优点，成为卫星导航接收机的新的发展方向。近年来，国内高精度卫星导航产业也有了突飞猛进的发展，在高精度终端产品方面，最初国内厂家以代理外国产品为主，逐渐过渡到使用国外核心板卡部件进行终端自主集成的产品研制模式。伴随我国自主北斗系统的建立，国产自主研制的高精度GNSS板卡日趋成熟，目前部分企业已经采用了自主国产GNSS板卡实现进口替代，随着国产GNSS终端设备性能的不断改进和完善，已经实现了由零到80%的国内市场份额跃进，并纷纷成功实现了海外测绘市场的拓展。⑶连续运行参考站系统国外具有代表性的包括国际GNSS服务局的IGS跟踪站网络、欧洲永久性连续网（EPN）等洲际CORS，美国的连续运行基准站系统（CORS）、加拿大的主动控制网系统（CACS）、德国的卫星定位与导航服务计划（SOPAC）、日本的GPS连续应变监测系统（COSMOS）、英国的连续运行GPS基准站系统（COGRS）等国家级CORS，澳大利亚悉尼网络RTK系统（SydNet）等城市级CORS，美国CUE、ACCQPOINT等公司的区域定位导航服务网络，以及其他欧洲国家，即使领土面积比较小的，芬兰、瑞士等也已建成具有类似功能的永久性GPS跟踪网，作为国家地理信息系统的基准，为GPS差分定位、导航、地球动力学和大气提供科学数据。对于国外的发展，可以从国家级系统和企业系统两个层次进行分析：前者是政府或公益性研究机构投资和管理的，由社会支持的网络，一般是提供无偿的源数据服务，个别地区提供有偿的实时定位服务；后者是由企业或研究机构投资并管理的，采用商业化运营的系统。中国卫星导航系统管理办公室已经完成了在全国建设北斗地基增强系统的论证，将充分依托行业部门及地方政府现有 GNSS 监测资源，借助各系统陆续升级使用北斗监测接收机的时机，建成性能先进、稳定可靠的北斗地基增强系统，在我国陆地形成北斗高精度优势服务能力，满足行业部门、地方政府以及大众和市场对北斗高精度位置服务的需求，培育高精度位置服务产业，支撑北斗产业快速发展。⒉ 摄影测量与遥感测量装备系列⑴遥感平台对于传感器平台，它作为搭载传感器的载体，也可理解为支持传感器。这些年来，除了传统的卫星和飞机平台不断优化外，新型的传感器平台或系统也层出不穷：遥感平台有地球同步轨道卫星（35000km）、太阳同步卫星（600～1000km）、太空飞船（200～300km）、航天飞机（240～350km）、探空火箭（200～1000km），并且还有高、中、低空飞机、升空气球、无人飞机（微型无人机、固定翼无人机、无人直升机、滑翔机等）、移动测量车、GPS/IMU直接定位定向平台、地理互联网等的也在不断发展，它们将会引领摄影测量与遥感迈向新层次。⑵成像传感器①高分辨率遥感卫星随着航天技术的持续发展和遥感观测系统性能的不断改进，遥感技术的发展出现了新的高潮，世界各国竞相研究、开发和发射高分辨率遥感卫星。目前在轨运行的各种民用高分辨率遥感卫星就有十多颗。其中法国SPOT6/7提高到1.5m，俄罗斯的 Resource系列卫星所用的 KVR-1000、DK-5和 KFA-3000型的分辨率均达到了2m～3m；美国数字地球公司继QuikBird系列卫星成功运作后，先后分别发射了具备优秀机动性和几何定位精度、分辨率优于0.5m的商业卫星World-1、WorldView-2和WorldView-3卫星。而中国卫星的发展也是有目共睹的，1999年中国和巴西联合研制的中巴地球资源卫星即资源一号卫星也发射成功，2012年中国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星资源三号成功发射，2013年分辨率为2m的高分一号发射成功，2014年亚米级别的高分二号也发射成功。②干涉合成孔径雷达（InSAR）目前可提供干涉测量数据源的星载InSAR系统有日本的地球资源卫星JERS-1、美国的“航天飞机成像雷达飞行任务”SIR-C/X-SAR、加拿大的资源调查卫星RADARSAT-1和欧洲空间局的环境卫星ENVISAT等，其中以欧空局和美国的系统影响最大。加拿大的Radarsat系列雷达卫星在精细模式下已经能达到3m的分辨能力。而德国发射的Terra-SAR雷达卫星，其点模式地面分辨率达到1m～3m，幅宽为10km；而条带模式地面分辨率为3m～15m，幅宽40～60km；宽扫描式地面分辨率为15～30km，幅宽为100～200km。InSAR是近年来迅速发展起来的一种微波遥感技术，它是利用SAR的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术，目前已成为国际遥感界的一个研究热点。③航摄仪航空摄影测量已经从模拟、解析发展到了全数字阶段，航摄相机也从原来的感光胶片模式发展为航空数字相机，航空数字相机按成像原理可分为2类，即框幅式相机与推扫式相机。航空数字相机按成像幅面区分大致可分为3类，即小于1500万像素的小幅面成像系统、4000像素×4000像素CCD阵列的中幅面数字成像系统和较为复杂及昂贵的大幅面数字成像系统。数字航空摄影相机的发展趋势是：大幅面、高精度、推扫式；一次获取全色与多光谱影像；数字相机与GPS/IMU紧耦合集成。目前国内外的差距主要体现在：第一，国内的数字航空摄影相机，还处于购买国内外的零部件进行集成组装阶段，如购买国外的相机镜头、面阵CCD等进行作坊式的设计、生产，没有真正进入产业化阶段；第二，国内可以制造普通的单镜头、多镜头框幅式数字航空摄影相机，但是还没有能力设计、制造如Leica ADS80那样的高精度、大幅面、推扫式数字航空摄影相机。④激光雷达测量系统（LiDAR）机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。近几年，欧美等发达国家许多公司和科研机构先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。我国的学者也投入道路激光雷达技术的研究中，也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。但总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和实践应用方面都落后与发达国家。 虽然目前已有多种激光雷达系统在使用，但激光雷达仍是一项处在不断发展中的高新技术，许多新体制激光雷达仍在研制或探索之中。在今后的一段时期内，激光雷达的研究工作将主要集中在不断开发新的激光辐射源、多传感器系统集成和不断探索新的工作体制和用途方面。⒊ 地面测量装备系列⑴地面测量仪器①全站仪全站型电子速测仪简称全站仪目前依然是地面测量的主流仪器。它能直接测量水平角、竖直角、空间斜距、水平距离、高差及三维坐标。按出厂标称的测角精度分级，全站仪可划分为：0.5″级、1″级、2″级和6″级。全站仪的核心技术包括：电子测角技术、光电测距技术、倾斜自动补偿技术、轴系设计与精密加工技术、减光马达技术、发光管与接收管技术、目标自动识别技术等。中国生产的全站仪也发展迅速，在高端全站仪方面，短期内难以赶上国外产品。在中端全站仪方面，已经完全达到了国际先进水平，并且以价格优势占领着中国市场的主要分额。无论国内产全站仪还是国外产全站仪，都呈现如下技术进步特点：❶使用Window CE操作系统（简称Win智能全站仪）的越来越多。Win全站仪不仅是彩色屏幕和具备常规全站仪的测量功能，它还具备掌上机的大部分功能，特别是信息管理以及基于无限数据通信的浏览器和电子邮件功能，还可以安装第三方软件，进行图片浏览。❷彩色触摸屏，除Win CE全站仪外，有的非Win CE全站仪也配置了彩色触摸屏。这些仪器配置键盘背景光照明功能，有的还配置环境亮光传感器，自动调节显示屏亮度自动感光窗口。❸高精度，多功能。在高端全站仪里，往往配置多种功能，以满足复杂的应用需要。如自动跟踪、自动目标识别或超级搜索。❹驱动技术先进，速度快，噪声小。如采用了磁驱伺服技术和压电陶瓷技术等。正倒镜转动时间由过去近10秒改进到2～3秒。❺图像全站仪崭露头角，试图取代传统的人工瞄准测量模式。这些仪器可获取目标的数据影像，通过在影像上点击目标，实现仪器自动旋转，再配合自动目标识别功能，轻松准确地完成测量任务。❻多种形式通讯。从单一数据内存发展为内存、U盘、CF卡、SD卡；从单一的RS232发展为 RS232、蓝牙、USB等通讯接口；从支持近距离通信发展为支持因特网远程通信。❼补偿范围在不断扩大。除部分全站仪的补偿范围仍保持在3′～4′外，其他新产品的补偿范围则最大达到6′。②经纬仪经纬仪可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测量，是测量装备中历史最悠久的产品，也是现代测绘的基础。根据读数方式不同，经纬仪分为光学经纬仪和电子经纬仪，随着全站仪的价格降低、体积减小，经纬仪可能会逐渐被全站仪替代。光学经纬仪几乎没有什么发展，越来越少的用户仍然使用着20世纪出产的仪器。但电子经纬仪则随着全站仪的发展也在不断出现新产品，在天文测量、精密工业测量领域得到广泛应用。在中低端电子经纬仪方面，国产仪器占居着绝对市场优势。许多国产电子经纬仪上加装了与望远镜同轴的激光指向器，在工程领域得到广泛应用。③水准仪及水准标尺水准仪自诞生以来，凭借其精度高、速度快、操作简单等优点得到普及，由于水准仪的高程测量精度大大高于全站仪等其他测量仪器，到目前为止在精密高程控制测量中，还没有其他仪器可以替代。水准仪可分为三种：❶水准管水准仪，也称气泡式水准仪；❷自动安平水准仪；❸数字水准仪，也称电子水准仪。前两种统称光学水准仪，都需要配合均匀刻划的水准标尺。水准管式水准仪因为操作麻烦，已经基本淘汰，国内外市场上的光学水准仪几乎都是自动安平水准仪，动安平水准仪的核心技术是自动安平补偿技术，国内仪器生产厂家已经完全掌握。由于我国劳动力资源优势，光学水准仪产品质优价低，不仅占领了国内绝大部分市场份额，而且走向了世界，每年产量数以十万计，已达世界第一，国际市场90%的中低精度光学水准仪都是中国制造。④陀螺经纬仪陀螺经纬仪是陀螺寻北仪器和经纬仪的结合产品，在地下工程测量领域广泛使用。最近几年，出现很多陀螺寻北仪与全站仪结合的产品，有人称其为陀螺全站仪。国际上陀螺经纬仪10分钟的定向标准差可达到3″～6″；国内陀螺经纬仪10分钟的定向标准差可达到5″～10″。⑤手持激光测距仪手持式激光测距仪是一种以激光为载波，以目标表面漫反射测量为特点，通过脉冲法、相位法等方法测定空间距离的便携式长度测量仪器。按最大测程可分为近程手持式激光测距仪和远程手持式激光测距仪。近程手持式激光测距仪最大测程一般在100m左右，体积小、重量轻，采用了数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到mm级精度。远程手持式激光测距仪最大测程一般在1km～5km，国内也称望远镜式测距仪，其测距误差一般在0.1m～2m。⑥地面三维激光扫描仪利用激光测距技术快速获取扫描点三维坐标的测量系统称为激光扫描仪，按照搭载平台分类，划分为四类：星载激光扫描仪、机载激光扫描仪、车载激光扫描仪和地面激光扫描仪。地面激光扫描仪类似一台超高速自动运转的全站仪，是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统。能以每秒数以万计的速度，获取周围目标点的厘米或毫米级精度三维坐标，广泛应用于矿山测量、考古测量、工业制造、建筑安全监测等领域。地面三维激光扫描仪的测角精度一般在5″左右，测距模式有相位式和脉冲式，相位式的测程一般在100m以内，点位精度在5mm左右，脉冲式的测程可达2000m，距离100m处的点位精度在10mm左右。国产地面三维激光扫描仪产品已经出现，可以预计，象全站仪的发展历程一样，国产三维激光扫描仪从底端产品开始，也会很快向高端发展。⑧激光干涉仪激光干涉仪是利用激光干涉原理测量长度的精密仪器。它以波长作为标准对被测长度进行度量，即使不做细分也可达到μm量级，细分后更可达到nm量级。测程一般在100m以内，测长相对误差在0.5ppm量级（注：1ppm＝10^-6）。在测绘领域，激光干涉仪主要用于对因瓦水准标尺进行检测。⑧垂准仪垂准仪能够建立铅垂的视准线，将仪器中心点向上或向下投影，主要用在高层建筑施工或竖井开挖工作上。垂准仪按工作原理可分为水准泡型和自动补偿型。按其一测回垂准测量标准差可分为精密型（1/100000）、普通型（1/40000）和简易型（1/5000）三种。早期的垂准仪主要依靠精密管气泡和人工瞄准建立铅垂线，现代垂准仪一般都具有自动补偿器和激光指向器，很多人称其为激光垂准仪。我国北京、西安、广州、大连、江浙等地均有生产。国产垂准仪技术已经达到国际先进水平，完全满足了国内建设需求。⑵地面测量系统①激光跟踪测量系统激光跟踪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成。工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。激光跟踪仪的发展趋势是跟踪范围、跟踪速度和测量精度逐步提高，仪器重量和尺寸逐步下降。②近景摄影测量系统近景摄影测量系统的核心技术与关键部件有：量测摄像机、测量标志与附件、数码相机检校、相片概略定向、像点自动匹配。以数码相机作为图像采集传感器、对所摄图像进行数字处理的系统称为数字近景摄影测量系统。数字近景摄影测量系统一般分为单台像机的脱机测量系统、多台像机的联机测量系统。此类系统与其他类系统一样具有精度高、非接触测量和便携等特点。数字摄影测量技术在精密测量领域得到了迅猛发展和广泛应用，其典型测量精度为摄影距离的1/100000。国内也多家单位也开展了数字工业摄影测量的研发，典型点位测量精度优于摄影距离的1/80000。随着电子化集成的发展与普及，掌上处理终端在运算速度上已经有望代替台式计算机，将相机与掌上处理终端相结合，配合更高速简便的处理软件，达到现场拍摄实时显示结果。③经纬仪交会测量系统经纬仪交会测量系统是由两台或两台以上高精度电子经纬仪与计算机联机构成，利用经纬仪的高精度角度测量特点，根据角度空间前方交会测量原理解算空间点的三维坐标，系统的尺度通过对基准尺的测量来确定。可实现高精度、无接触测量。④室内GPS测量系统室内GPS（英文indoor GPS，简称iGPS），iGPS测量时需要不少于两个以上的信号发射器，通过交会测量空间点的三维坐标，其工作模式类似于GPS定位模式，属于小范围实时的高精度三维坐标测量技术。其测量原理更接近经纬仪角度交会测量原理，各个发射器之间的定位定向原理为光束法平差模型（Bundling Adjustment），每个iGPS发射器相当于一台具有无度盘测角功能的电子经纬仪，但它是通过旋转向四周发射红外光线信号，发出的信号被iGPS接收器接收，同时测量发射器到接收器的水平角和垂直角。iGPS系统可实现高精度、无接触的自动化测量，测量效率高、动态性能好，测量范围可达几十米，测量精度为亚毫米，采样频率达到20Hz，在10m范围内，如果采用四个发射器，其空间点位测量精度可以达到±0.1mm，在30m范围内单点精度可以达到±0.125mm（2σ），空间坐标测量精度随着发射器数量增加而提高。⑤移动测量系统移动测量系统（Mobile Surveying System，MSS）是把GNSS接收机、惯性导航装置（IMU）、三维激光扫描仪、全景式近景摄影测量相机等多种测量仪器集合在一个运动载体内，由计算机统一控制构成的综合测量系统。小型的可以由单人背载、三轮车搭载，大型的可由船舶、汽车或小型飞机搭载。能在移动状态下，对周围目标自动进行信息采集，快速获取带状区域内目标的空间位置数据和属性数据，点位精度一般在0.1m左右。国产的移动测量系统也已达到国际先进水平，与国外产品比较，毫不逊色。移动测量系统主要有两大发展趋势：第一，高精度、小型化和集成化；第二，多功能、实时性和自动化。⒋ 地下空间测量装备系列地下空间测量使用较多的是全站仪和三维激光扫描仪，能够对测量的物体进行综合的观测和准确的定位。地下管线信息是城市建设的重要信息源，是城市规划、设计、建设、管理、应急，以及地下管线运行维护的信息支撑，地下管线探测工作已在保障城市各种建设工程中成为重要的支撑手段。地下管线探测仪器分为电磁式探测仪和探地雷达两大类。⑴探测仪器①地下管线探测仪地下管线探测仪经历了电子管和单一线圈时代、晶体管和双线圈时代，目前已经发展到微处理器和组合线圈时代和多元化时代等阶段。从地下管线探测仪器的发展历史看，国外起步较早，技术水平高，品种多，已有许多成熟的产品在不同测量领域得到广泛的应用。20 世纪80年代后，由于采用了新型磁敏元件、各种滤波技术及天线技术，使仪器的信噪比、精度和分辨率大为提高，并更加轻便和易于操作，实现了地下管线的高精度和高效率的探测。国内地下管线仪器的生产起步较晚，技术水平较低，发射频率单一，发射功率较小，稳定性、分辨率较差，因此生产的产品很难在实际工作中得以广泛的应用。②探地雷达探地雷达（ground pentrating/probing radar，简称GPR），是通过对地下目标物及地质状况进行高频电磁波扫描来确定其结构形态及位置的地球物理探测方法，用于探测电磁法不能探测的目标体。探地雷达从20世纪初，随电子技术和数据处理技术的发展，其体积越来越小，从起初的肩扛手抬，到现在一个人就可以轻便的操作和检测；其功能从探测冰层厚度（当时的工作信号频率较低）到现在的“全面开花”，在军事和众多民用部门都可见到它的影子；其技术指标也得到极大的提高，如利用高频天线进行公路面层厚度检测时，垂向分辨率可达到毫米级，利用低频天线探侧深层目标时，探测深度可达到几十米。随现场检测指标要求的不断提高，探地雷达对付强衰减介质的本领、解决地下目标的复合反映及多解性的能力方面亟待提高，这也为探地雷达技术的发展指明了方向。⑵数据处理软件随着我国城镇化进程的不断深入，传统的城市地下管线二维管理模式，已根本无法满足当今人们对地下管网、管线大数据信息分析、表达、应用的实际需要。全新的地下管线数据资源汇集管理信息平台可有效地将各类地下管线资源融入在系统之中，全面实现了地下管线数据信息的二三维一体化，以及动态更新与专业属性数据的整体同步。此外，还可融地理信息、业务办公和辅助决策等地上、地下建筑规划管理模块于一体，采用虚拟仿真技术一揽子解决地下管线管理中所发生的诸多问题。不仅有助于避免市政建设过程中道路的多次开挖，而且还可大大降低施工中地下设施的矛盾与事故隐患，提高管线工程规划设计、施工与管理的准确性和科学性。⒌ 海洋测量装备系列⑴水下地形测量仪器②单波束测深仪该类仪器是水深测量的传统仪器，目前仍然得到广泛应用。仪器的技术比较成熟，国外的产品有测深精度1cm﹢0.1%深度，测量范围0.2～200m；我国的国产化水平也比较高。目前测深仪研发已重点向数字化发展，特别是采用最新数字信号处理技术，结合先进计算机图形显示技术，实现操作、监控与控制的高智能化。此外，由于声波发射波束角大小和换能器声学发射接收阵布设决定测量的精度和分辨率，因此进一步减小发射波束角和科学布设换能器，也成为未来的研究方向。②多波束测深仪与传统的单波束回声测深仪相比，多波速测深系统具有水深全覆盖无遗漏扫测，测量范围大、速度快，测深精度和分辨率高等优点，适用于2～500m海域的海底地形地貌测绘。多波束测深系统在高桩码头扫测中具有单波束无法比拟的优势，采用垂直地形模式波束导向技术解决高桩码头等。多波束测深系统可以实现宽覆盖范围的高精度海底深度测量，是一种具有高测量效率、高测量精度、高分辨率的海底地形测量设备，特别适合于大面积的扫海测量作业，在海洋测绘等领域具有广泛的应用。目前多波束系统国内市场主要被国外厂商的产品所占据。为推动国内多波束测深设备产业化，打破国外产品的垄断地位，国内企业研发多波束测深仪面向高端水声设备技术发展趋势，开发出具有国际先进水平的多波束测量系统。③侧扫声纳扫描仪侧扫声纳技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像，在海底测绘、海底地质勘测、海底工程施工、海底障碍物和沉积物的探测，以及海底矿产勘测等方面得到广泛应用。根据声学探头安装位置的不同，侧扫声纳可以分为船载和拖体两类。现在的侧扫声纳技术有两个缺点：首先它的横向分辨率取决于声纳阵的水平角宽，分辨率随距离的增加而线性增大；其次它给不出海底的准确深度。当前只有两种声纳可做海底三维成像，即等深线成像和反向散射声成像，前一种是多波束测深声纳（如Multi-beamSonar System），后一种是测深侧扫声纳。总体说来，前者适宜于安装在船上做大面积测量，后者适宜于安装在各类水下载体上，包括拖体、水下机器人（AUV）、遥控潜水器（ROV）和载人潜水器（HUV），进行细致的测量。侧扫声成像技术是一种重要的声成像技术。侧扫声纳技术进一步发展的方向有两个，一个是发展测深侧扫声纳技术，它可以在获得海底形态的同时获得海底的深度；另一个是发展合成孔径声纳技术，它的横向分辨率理论上等于声纳阵物理长度的一半，不随距离的增加而增大。④遥感测深系统遥感测深的主要技术有SAR、多光谱及高度计。SAR的测深原理是根据水下地形SAR成像模式，建立水下地形与SAR影像的映射模型（数学物理正问题），然后根据求解数学物理反问题的方法，由SAR影像探测水下地形。对SAR影像需要进行图像增强和信息分离，通过海表面SAR影像的纹理特征分析，将反映多种海洋和大气动力过程的多尺度运动综合信息加以处理，把图像中的水深信息分离出来。多光谱的测深原理是根据可见光穿透海水的主要波段蓝绿波段的波谱特性，将遥感图像的像素灰度值，转化成光辐射强度，经过大气校正，把与大气的成分和厚度有关的天空和大气光辐射强度的影响除去，并利用统计方法滤掉随机变化的海面反射辐射强度，获取反映水体及水底光学性质的海面以下的向上辐射强度。然后根据水深定性分析方法，利用物理光学理论分析辐射传输过程，通过光谱反射率与水深的关系，建立水深遥感算法，把水深反演出来。航空三维激光扫描探测（LIDAR）集激光测距技术、计算机技术、IMU/DGPS技术于一体，是一种崭新的革命性的测量工具，在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。LIDAR综合运用连续运行参考站卫星定位综合服务系统以 及数字计算机处理技术结合似大地水准面精化成果，实现直接利用POS机载系统精确定位定向数据制作各种比例尺DEM、等高线、高程注记点图、DOM和DLG产品，减少了基站布设工作，减轻了地面控制和外业测量工作，从而大大减少了测图外业工作量，并实现了无地面控制测图能力。⑵水下定位测量仪器人类探索和研究海洋的过程中，水下定位导航技术是一个重要的研究方向。随着人类对海洋开发工作的深入开展，载人潜器、水下机器人、海洋勘探、水下作业以及其他各种探测设备等都需要高精度的水下定位技术支持。目前，水声定位系统是水下定位的主流技术。水声定位系统指利用声学信号对水下目标进行定位的系统。水声定位系统主要用于局部区域的水下目标进行精确定位及导航。根据测量基线的长度不同，水声定位系统分为超短基线（USBL／SSBL）、短基线（SBL）和长基线（LBL）方式。随着技术的发展，未来的海洋测绘对水下定位系统提出了更高的要求，水下测绘作业需要达到分米甚至厘米级的定位精度。为实现对目标在水下工作时的精确定位，不同工作方式的水声定位系统之间协同工作以及声学定位系统与其他传感器协同作业成为一种趋势。随着潜艇技术的发展，融合惯性导航技术、声学导航技术和水面卫星导航技术，实现工作范围更广，精度更高的水下导航定位已经成为水下定位技术发展的一个重要研究方向。⑶海洋测绘数据处理软件目前，国内外的多尺度海洋测绘信息基础数据库、数字海图和海洋地理信息系统已成为海洋测绘的热点。多国已形成较完善的数字海图生产、管理和发布体系。未来海洋测量将发展到以水下机器人、船只、飞机和卫星为平台的立体测量框架。海洋测量仪器也出现了小型化、标准化化、数字化和智能化发展趋势。综合单波束、多波束、激光测量等多种技术的海洋测绘逐渐成为主要测量方式。海洋测绘数据处理软件也将发生相应的变化：地理信息系统和电子海图将成为基本的应用；测量数据的处理与成图将更加自动化、标准化和智能化；数字海图的生产体系、质量控制体系和发布体系将更加健全；海洋测绘数据库软件建设、发布和使用将更加安全、方便和快捷。⒍ 重力测量装备系列地球表面上任何一点的重力值都可以用仪器测量出来。从方法和原理上划分，重力测量可分为绝对重力测量和相对重力测量；从观测方式上划分，重力测量可分为地面、海洋和航空重力测量以及卫星重力测量。地面重力测量是比较重要的传统观测方法，海洋重力测量即用船搭载测量仪器进行重力测量，航空重力测量是指在飞机上搭载重力测量仪器所进行的测量，而卫星重力测量则是通过卫星上搭载的有关设备得到的观测值推算重力的方法。⑴陆地重力仪地面重力测量是比较重要的传统观测方法，也是重力测量应用范围最广、用途最多的一种重力测量方式。常用的陆地重力仪主要是美国Micro-g LaCoste公司生产的FG5、FG5-X、A-10 和FG5-L等绝对重力仪，美国Micro-g LaCoste公司生产的gPhone、加拿大Scintrex公司生产的CG-5和国产的Z400等相对重力仪。此外，还有美国GWR公司生产的OSG标准型超导重力仪和iGrav新型超导重力仪等超导重力仪。⑵海洋重力仪海洋重力测量即用船搭载测量仪器进行重力测量。船载重力测量的特殊性之一就是船体的摇摆与振动，它和测量的重力值混合在一起。但是由于船体的振动与摇摆具有特殊的周期与频率，适当的滤波处理便可以将其分离。由于无法在同一点上进行重复测量，所以要利用交叉点分析来评估精度。船载重力测量与陆地种测量的不同在于：陆地上采用离散点测量，船载则是采用测线型连续点测量；陆地上可以在固定位置上埋设点位，海洋则无法固定点位；陆地上可对同一点进行重复测量，海洋上则无法保证。常用的海洋重力仪有美国Micro-g LaCoste 司生产的SystemⅡ型海洋/航空重力仪和MGS-6型海洋重力仪，加拿大Scintrex公司生产的INO型海底重力仪等。⑶航空重力仪从20世纪90年代开始，航空重力测量进入实用阶段。美国、加拿大、法国、丹麦等先后利用航空重力测量方法完成了北极、阿尔卑斯山、瑞士等国家和地区的局部重力场探测，分辨率和精度分别为6～10km、2～10mGal。从2005年起，我国利用航空重力测量方法获取了海岸带的大量重力场数据，台湾省利用丹麦的航空重力测量系统于2007年完成了整个台湾岛的航空重力测量，分辨率和精度分别为6～10km、2～6mGal。可以说，近20年来，航空重力测量得到了迅猛发展和广泛应用。除大地测量和地球物理等领域的需求推动，这些发展主要得益于三个方面：一是航空重力仪的持续发展，从海洋重力仪的改进、升级到新型航空重力仪的研发；二是基于GPS的飞机位置、速度、加速度确定精度的不断提高；三是航空重力测量数据处理算法的日臻完善。国外航空重力仪的总体发展趋势是精度在不断提高，体积和重量更适用于多种运载平台，稳定性和可靠性更适宜于各种飞行作业条件。目前，我国还没有已经投入使用的国产航空重力仪，中科院测量与地球物理研究所正在改进和升级上世纪80年代的CHZ型海洋重力仪，以使其能够适用于海洋和航空应用。所以，加快研发国产航空重力仪是当务之急。⑷卫星重力仪在卫星大地测量出现以前，陆地、船载和机载重力测量是获取重力信息的基本手段，但这些方法均费时费力，且观测数据无法均匀覆盖全球。1957年，第一颗人造地球卫星Sputnik发射成功，拉开了卫星大地测量的序幕。卫星重力探测技术的发展与定轨技术密切相关。20世纪60年代初期，主要探测手段为光学卫星三角测量法，该方法以恒星为背景，利用光学摄影仪或卫星摄影仪测定卫星在天球坐标系中的方向，以已知地心坐标的地面站为基线，利用方向交会法确定卫星的位置，利用该方法测量卫星方向的精度为±0.2s～±2s，卫星轨道高度一般为1000km～4000km，定轨误差在几米到几十米的量级，由此解算的地球重力场模型一般低于 8 阶，如1966年史密松天体物理台发布的地球重力场模型SE1，虽然其大地水准面的精度仅为几米甚至几十米，但这一时期的重力场模型在全球地心坐标系建立的初期起到了重要作用。⑸井中重力仪井中重力仪是测量地层体积密度变化的仪器。由于它的径向探测深度很大，在裸眼井中，不受泥饼、侵入带和井壁不规则等因素的影响；在套管井中，也不受套管和水泥环的影响。井中重力仪主要有两种类型：一种设计原理与陆上重力仪相同，经缩小改装后装在常平架上，仪器外径从10～15cm不等，恒温温度100～200℃，仪器灵敏度0.03～0.05重力单位，测量精度0.1重力单位，井斜不超过14°时，仍可保持水平。另一种为振弦井中重力仪，这类仪器测量精度近0.1重力单位。如ESS0型振弦重力仪，在实际工作中，每个测点读4次数，所需总时间约20分钟，其外径10.2cm，恒温温度保持在125℃。井中重力仪已向全自动读数方向发展，灵敏系统在井中的调平、定向、开闭和读数都靠微机控制。井中重力仪所测定岩层的视密度精度达到0.01g/cm³，孔隙度精度可达0.5%，已广泛应用在金属矿与油气田的勘探与开发中。⒎ 测绘仪器计量检测装备系列测绘计量是指对各类测绘仪器装备的检定、校准和测试，以确保测绘量值准确溯源和可靠传递。根据我国测绘法、计量法和测绘质量监督管理等法规和规章，用于测绘生产的仪器（装备）必须按要求，由法定计量或授权计量技术机构进行检测并且合格有效。因此，测绘仪器检测是保证测量数据准确性与可靠性，最终保证测绘成果质量的基础与前提。⑴传统测绘仪器计量检测技术装备对于传统测绘仪器，比如经纬仪、全站仪、测距仪、水准仪等列入国家法定计量器具管理目录的测绘仪器，所使用的法定计量检测设备（设施）主要包括室内角度检定装置（函多齿分度台）、室内检测平台、野外比长基线场和测尺频率检测装置以及经纬仪、水准仪综合检验仪等。目前，位于芬兰首都赫尔辛基西北约40km的Nummela标准基线，是采用Väisälä光干涉测量法建立的野外标准长度基线，精度达到了7×10^-8，五十年来变化不到0.6mm，是世界上迄今为止精度最高的基线，能满足所有高精度光电测距仪等长度测量和测绘仪器检测的需要。此外，世界上很多国家或地区都建立了高精度Väisälä，比如匈牙利的Gödöllö标准基线、立陶宛Kyviškes标准基线和我国台湾桃园标准基线等。而我国野外标准长度基线场则采用24m铟钢尺进行量值传递，其精度可以达到1×10^-6（每千米相对精度）。全球导航卫星系统（GNSS）接收机（以下简称“GNSS 接收机”）的检定/校准装置服务于GNSS接收机计量性能评定和量值传递工作，在检定/校准工作中宜采用实际卫星信号。法定的检定/校准装置包括：由超短基线、短基线和中长基线组成的GNSS接收机野外综合检定场，此外、随着检测技术的发展，环境适应性实验室、GNSS信号转发器、GNSS信号模拟器、GNSS信号采集回放器、天线相位中心校准机器人等检测设施（装备），在GNSS接收机的检测中也逐步得以应用。⑵新型测绘仪器计量检测技术装备①航摄仪计量检定技术装备近年来，随着航摄仪在测绘地理信息行业的广泛应用，航摄仪计量检定技术装备也在不断发展，为了对航摄仪的几何性能和影像质量进行检测，出现了航摄仪器、实验室几何检定装置、航摄仪影像质量场、航摄仪野外检测场等检测装备。❶航摄仪实验室检定装置航摄仪实验室检定装置主要由高精度的转台、平行光管、工控机等部分组成，可以用于对传统胶片航摄仪和单镜头面阵数字仪进行内方位元素和光学畸变差的检定，为摄影测量后续数据处理提供高精度的内方位和几何畸变参数，以保证摄影测量的精度。航摄仪检定设备检测精度应达到：主距误差不大于5μm（RMS）；主点位置误差不大于5μm（RMS）；径向畸变误差不大于3μm（RMS）。❷航摄仪影像质量检定场影像质量检定场可以用于对航摄仪的影像质量进行评定，结合太阳光度计、光谱仪等设备，可以测定航摄仪的动态摄影分辨率、系统调制传递函数（MTF）、线性度、动态范围、信噪比等参数。航摄仪影像质量检定场通常布设有不同反射率的灰度比例尺和矩形反射目标、西门子星、高低对比度的反射率棒等各种目标，用来实施野外辐射检定和分辨率检定。❸航摄仪摄影测量精度检定场航摄仪摄影测量精度检定场可以为分析评估航摄仪的摄影测量精度提供高精度平台，其方法是将检测场内的大量控制点作为独立检查点，依据空中三角测量的结果，通过与已知检查点的坐标比对，从而评价航摄仪的摄影测量精度和单像对摄影测量精度。摄影测量精度检测场检测法即在具有一定起伏的场地内布设有大量精确已知坐标的标志点（一般标志点的平面坐标精度应优于5mm，高程精度应优于1cm），用待检测的航摄仪对几何精度检测场进行航空摄影，从最终获取的影像上经过空三加密和网平差数据处理后，得到检查点的坐标，并将其与坐标的已知值进行比较，从而判断该航摄仪是否满足航空摄影测量作业的要求，是否达到该航摄仪的标称精度。这种方法采用实际航空摄影测量的作业条件，最具有通用性，且检测结果真实可靠。同时，几何精度检测场也提供了对机载LiDAR、机载SAR等航空传感器进行检测的高精度平台，该方法的推广和使用是航空航天摄影传感器检测发展的必然趋势。②移动测量系统计量检定技术装备随着移动测量技术的快速发展，国内外的移动测量系统装备日趋成熟，其在测绘领域数据采集中发挥了越来越重要的作用。为了满足其检定的需要，必须依靠相应的检测装置以及检定场。移动测量系统的检定主要分为传感器检定和整体精度检定。❶移动测量系统传感器检定移动测量系统是兼有GNSS、IMU、扫描仪、数字相机等多传感器集成系统，因此需要分别对各传感器进行检测。a)GNSS检测。GNSS检测主要分为GNSS后处理动态检测和GNSS时间精度检测，其检测装置主要是高精度的原子钟以及频谱仪。b)IMU检测。IMU的检测主要分为转台检测和比对检测，转台主要测量IMU的姿态精度，比对检测，可以利用高精度的IMU作为计量标准器，输出位置和姿态作为标准值与被检设备进行比对。c)扫描仪。扫描仪的检测主要分为测距精度和测角精度，测距检测主要依靠高精度的全站仪和长度标准平台，测角检测主要依靠全站仪和多齿分度台。D)数字相机。数字相机的检测主要是数字相机的主点、主距和畸变系数，主要通过航摄影检定装置进行检测。❷移动测量系统整体精度检定移动测量系统整体精度检定主要依靠室外三维检测场，该检测场位于丰台区大瓦窑中路和大瓦窑西一街交接处，该场地全长约3km，有200左右的标靶点，其精度为2cm，可以满足移动测量系统的整体精度检测要求。随着集成了最新高科技成果的测量仪器不断涌现，用于运动载体姿态测量的惯性测量单元（IMU）、实现快速测量建模的三维激光扫描仪、机载激光雷达（LiDAR）、合成孔径雷达（SAR）等已有成熟的产品应用于测绘生产，但由于缺乏技术手段而无法计量检测。

三、本专业发展趋势及对策随着测绘地理信息高速的发展，使得数据的迅速无缝交换成为了测绘仪器装备的重要特征。首先，智能化无线通信、移动互联网技术与现代测绘仪器的结合成为了未来测绘仪器的主要发展趋势。 各种智能仪器、虚拟仪器及传感器，利用成熟的网络的设施，将最大幅度的实现资源共享。其次，全球定位、导航技术与通信技术相结合成为未来测绘仪器的又一发展趋势。全球定位系统作为全新的定位系统成为占据主要的定位功能，逐步取代了常规光学仪器和电子仪器。导航系统也与全球定位系统结合起来时卫星技术发展的主要方向。测量精确度通过导航及全球定位系统将精确到厘米、毫米级别。同时，通信技术的高度发展也将信息与技术快速准确的进入到数字系统中，对于测绘仪器的发展有极强的推动作用。最后，测量随着遥感技术的发展进入动态监测阶段。未来的测绘技术将会不满足与单纯的静态分析，卫星的无限增多可能、遥感技术的高分辨率的发展使多方位、多时段的检测成为可能，这样将测量范围扩展到每时每刻。测绘仪器装备的自动化、数字化及智能化对于测绘地理信息行业来说是个质的飞跃，同时也能促进工业测量系统的发展，测绘仪器装备的发展也推动了测绘软件的发展。在测绘仪器的发展中，不仅存在着未来的发展空间，在发展中也存在着一系列问题与不足，如创新脚步缓慢、缺乏系统化生产、专业技术人员匮乏等问题。

■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，本书首席科学家为宁津生院士。本文共同撰稿人：王权 齐维君 马建平 文汉江 方爱平 付子傲 李松 李宗春 吴海玲 张锐 余峰 郭志勇 廖定海，参考文献略，如其他平台转发本文，务请备注来自“溪流的海洋人生”微信公众平台，版权归中国测绘地理信息学会所有。

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