测绘 4D：现代测绘的基石与未来 - 现代海洋测绘与人类的关系

天笃 · 发表于行业交流 3 小时前

测绘 4D 产品在现代测绘中占据着至关重要的地位。数字正射影像图（DOM）是对航空或航天像片进行数字微分纠正和镶嵌后生成的，具有精度高、信息丰富、获取迅速等优点。其图像分辨率高，在计算机上可局部放大，具有良好的判读、量测和管理性能，可用于农村土地发证、土地利用调查等多种场景。

数字高程模型（DEM）是一定范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集，它描述了区域地貌形态的空间分布。通过等高线或相似立体模型进行数据采集并内插形成，可派生出等高线、坡度图等信息，是制作 DOM 的基础数据，还可用于与地形相关的分析应用。

数字栅格地图（DRG）是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后形成的栅格数据集。它在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致，是模拟产品向数字产品过渡的产物，可作为背景参照图像，用于数字线划地图的数据采集、评价和更新，还能与其他数据集成派生出新信息。

数字线划地图（DLG）是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和属性信息。数据量小，便于分层，能快速生成专题地图，满足各种空间分析要求，可进行空间分析和决策，部分地形要素还可作为 DOM 中的线划地形要素。

测绘 4D 产品相互关联、相互补充，共同为现代测绘提供了丰富的地理信息数据，是地理信息系统进行各种空间分析的重要基础，也是国家重要的基础设施之一。

二、各组成部分详解

（一）DLG：数字线划地图

数字线划地图（DLG, Digital Line Graphic）是与现有线划基本一致的各地图要素的矢量数据集，且保存各要素间的空间关系和相关的属性信息。它具有以下特点：满足各种空间分析要求，可随机地进行数据选取和显示，与其他信息叠加，可进行空间分析、决策；数据量小，便于分层，能快速生成专题地图，因此也被称为矢量专题信息 DTI（Digital Thematic Information）。

DLG 的采集方法主要有以下几种：数字摄影测量、三维跟踪立体测图；解析或机助数字化测图，即在解析测图仪或模拟器上对航片和高分辨率卫片进行立体测图，获得 DLG 数据后，再用 GIS 或 CAD 等图形处理软件进行编辑；对现有的地形图扫描，人机交互将其要素矢量化；在新制作的数字正射影像图上，人工跟踪框架要素数字化；野外实测地图。

（二）DEM：数字高程模型

数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写 DEM）是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它描述了区域地貌形态的空间分布。DEM 具有以下特点：可派生出等高线、坡度图等信息，与 DOM 或其它专题数据叠加，可用于与地形相关的分析应用。

DEM 的生成方法主要有：直接从地面测量，例如用 GPS、全站仪、野外测量等，所涉及的仪器有水平导轨、测针、测针架和相对高程测量板等构件；根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等等；从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集然后通过内插生成 DEM 等方法。DEM 内插方法很多，主要有整体内插、分块内插和逐点内插三种。目前常用的算法是通过等高线和高程点建立不规则的三角网（TIN），然后在 TIN 基础上通过线性和双线性内插建 DEM。

（三）DRG：数字栅格地图

数字栅格地图（DRG，Digital Raster Graphic）是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。

DRG 的生成步骤如下：原图采用印刷的单色或彩色底图，原图必须平整、无折，点线清晰、色彩标准，且现势性应符合标准要求；通过扫描仪，其中 CCD 线阵感器对图形进行分割，生成二维阵列系统，同时对每一系统的灰度（或分色）进行量化，再经二值化处理、图形定向、几何校正即形成一幅数字栅格地图；采用扫描分辨率不低于 400dpi 的单色或彩色扫描仪扫描；将栅格图幅由扫描仪坐标变换为高斯投影平面直角坐标；消除图底及扫描产生的几何畸变，可以采用相关软件对栅格图像的畸变进行纠正，纠正时要按公里格网进行，通过仿射变换及双线性变换，实现图幅纠正；最终产品是经过无损压缩的 TIFF 文件。

DRG 可作为背景参照图像与其它空间信息相关参考与分析，可用于数字线划地图的数据采集、评价和更新，还可与数字正射影像图、数字高程模型等数据集成，派生出新的信息，制作新的地图。

（四）DOM：数字正射影像图

数字正射影像图（DOM，Digital Orthophoto Map）是对航空（或航天）像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。DOM 具有精度高、信息丰富、获取迅速等优点，可作为地图分析背景控制信息，也可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或新信息，为防止灾害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据；还能从中提取和派生新的信息，实现地图的修测更新。

DOM 的生成方式主要有以下三种：全数字摄影测量方法，通过数字摄影测量系统对数字影像对进行内定向、相对定向、绝对定向后，形成 DEM，按反解法做单元数字微分纠正，将单片正射影像进行镶嵌，最后按图廓线裁切得到一幅数字正射影像图，并进行地名注记、公里格网和图廓整饰等；单片数字微分纠正，如果一个区域内已有 DEM 数据以及像片控制成果，可直接使用该成果数据 DOM，其主要流程是对航摄负片进行影像扫描后，根据控制点坐标进行数字影像内定向，再由 DEM 成果做数字微分纠正；正射影像图扫描，若已有光学投影制作的正射影像图，可直接对光学正射影像图进行影像扫描数字化，再经几何纠正就能获取数字正射影像的数据。

三、测绘 4D 的应用领域

（一）农业发展领域

在农业发展中，测绘 4D 产品有着广泛的应用。数字正射影像图（DOM）可以提供清晰的农田影像，帮助农民和农业专家直观地了解农田的分布、作物的生长情况以及灌溉设施等信息。数字高程模型（DEM）可用于分析农田的地形地貌，为合理规划灌溉渠道、排水系统提供依据。数字线划地图（DLG）可以准确标注农田边界、道路等要素，方便农业生产管理。数字栅格地图（DRG）则可作为背景参照，辅助进行农田规划和资源调查。例如，利用测绘 4D 产品可以进行精细农业管理，根据不同地块的地形、土壤条件等因素，精准施肥、灌溉，提高农业生产效率和质量。

（二）城乡建设领域

在城乡建设中，测绘 4D 产品发挥着重要作用。DOM 可以作为城市规划设计的背景控制信息，评价其他数据的精度、现实性和完整性。例如，在城市规划建设中，可用于城市规划设计、交通规划设计、城市绿化覆盖率调查、城市建成区发展调查等方面。DEM 可用于计算城市建设中的土方量、进行地形分析，为建筑选址和道路设计提供支持。DLG 能满足城市建设中的各种空间分析要求，与其他信息叠加，为地理信息系统提供空间检索和分析之用。DRG 可作为背景用于城市建设中的数据参照或修测其他地理相关信息，与 DOM、DEM 等数据集成使用，派生出新的可视信息，为城市建设提供更全面的决策依据。

（三）环境保护领域

在环境保护方面，测绘 4D 产品也有着重要的应用价值。DOM 可用于监测自然生态环境的变化，如森林覆盖面积的变化、河流湖泊的变迁等。DEM 可以分析地形对生态环境的影响，如水土流失的风险区域。DLG 可以标注环境保护区域的边界和重要设施，为环境监测和管理提供准确的地理信息。DRG 可作为背景参照，辅助进行环境评估和资源调查。例如，在云南生态环境监测中，4D 产品综合集成和融合，为生态环境监测与评价提供了理论、方法和技术支持，通过对数字正射影像图、数字高程模型、数字线划地图和数字栅格地图的分析，能够更全面准确地对项目区做出综合评价。

（四）重大基础建设工程领域

在重大基础建设工程中，测绘 4D 产品不可或缺。DOM 可以为工程选址提供直观的影像信息，帮助工程师了解工程周边的环境。DEM 用于工程的地形分析和土方计算，确保工程设计的合理性。DLG 为工程的规划和设计提供准确的矢量数据，满足各种空间分析要求。DRG 可作为背景参照，辅助进行工程的数据采集和评价。例如，在水利工程三维设计中，新 4D 数据为供水工程的选线、方案布置、设计、施工等一系列工作提供了具体应用和重要作用，提升了水利工程建设的效率和质量。

四、相关平台介绍

（一）软件平台

ArcGIS：ArcGIS 是一款功能强大的 GSI 专业电子地图信息编辑和开发软件。主要应用于 GIS 访问，提供快速且简单的方式浏览 2D 和 3D 地理信息。内置多种编辑工具，可轻松完成地图生产全过程，为地图分析和处理提供新方案，实现数据和地图的无限共享。同时，全面拥抱前沿 IT 技术，升级平台大数据、三维、影像等核心能力，打造出功能强大、性能卓越、稳定性高的 Web GIS 平台。广泛应用于地理信息分析、空间数据管理等领域。Depthmap：空间句法软件，分析空间结构，研究范围涵盖建筑内部及之间空间，乃至整个城市和国家。提供一系列量化描述城市和建筑空间拓扑形态的参数。操作相对简单，但分析思考过程有难度，是一种研究型软件。其发展动力源于对空间形态与人类社会、经济、文化行为的科学研究。Axwoman：空间句法软件，是集成在 GIS 中的空间句法分析工具。通过计算机量化分析城市空间组织，揭示节点间连接关系组成的结构系统。对城市空间进行分割，利用算法生成句法轴线，分析城市空间单元内在关联和变化规律。表现形式为轴线地图，借助相应分析软件可得到一系列空间形态分析变量。例如，瑞典耶夫勒大学地球空间信息科学和计算地理学教授江斌开发的 Axwoman 6.0，支持轴线和自然街道的空间句法分析，使用 C# 和 ArcObjects 开发完成，是 ArcGIS 10 的扩展。TransCAD：地理信息系统软件，可用于交通数据的储存、显示、管理和分析。采用精良的 GIS 技术，包含多边形迭加、影响区分析和地理编码等复杂功能，用户可制作和改制地图，建立和维护地理数据集，进行多种空间分析。Esri CityEngine：功能强大的城市设计与三维建模数字可视化软件。可利用二维数据快速创建三维场景，帮助用户进行高效城市规划设计，节约时间。支持 ArcGIS，无需转换现有基础 GIS 数据即可实现三维建模，减少投资成本。创建的城市可基于真实 GIS 数据，也可展示虚构城市，被 GIS、城市规划、艺术设计、电影特效、游戏开发等行业广泛使用。PCI Geomatica：专门用于地球观测数据的分析应用程序，集成遥感影像处理、专业雷达数据分析、GIS 空间分析、制图和桌面数字摄影测量系统，成为强大的生产工作平台。可用于卫星和航空遥感图像、地球物理数据图像、医学图像、雷达数据图像、光学图像的处理。VisSim：交通仿真建模工具。PTV-VISSIM 是微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用于城市交通和公共交通运行的交通建模。可分析各种交通条件下城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。Global Mapper：专业地图绘制软件。能将数据显示为光栅地图、高程地图、矢量地图，并可对地图进行编辑、转换、打印、记录 GPS 及利用数据的 GIS 功能。FME Desktop：强大专业的空间数据转换器和处理器。提供完整的访问空间数据方案，通过重构数据功能，实现超过几百种不同空间数据格式之间的转换，为快速、高质量、多需求的数据转换应用提供高效可靠手段。MapGIS：功能强大的地图设计软件及 GIS 系统辅助软件。可设计卫星地图和平面地图，支持多种数据接口，允许上传其他设备下载的地图数据进行编辑，也可接收全站仪测量的地理信息和道路信息，实现多种数据源编辑和地图管理。Oasis montaj：功能强大的地球科学调查和勘探成图及数据处理软件。能对大量地球物理、地球化学和地质数据进行综合、处理、可视化和比较，快速分析数据，帮助用户及时解决问题并做出决定。Golden Software Surfer：功能全面、操作简单、实用性强的三维立体绘图软件。可轻松制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等，适用于地质工作者和环境监测项目中的水文学家。Geoway 地理信息处理软件：集成化的地理信息处理环境，核心思想是 “整合多种数据源，提供多样化用途”。提供矢量化采集、GIS 数据处理、地图编辑和制片、地图缩编和质量检验等专业功能模块，在规则、流程和向导等平台特性辅助下，支持各种来源的数据加工，成果满足多样化应用需求。湘源控规：基于 AutoCAD 平台开发的城市控制性详细规划设计辅助软件。适用于城市分区规划、城市控制性详细规划的设计和管理。

（二）“珠海测绘云” 平台

“珠海测绘云” 一体化信息服务平台是集测绘地理信息业务与服务 “私有云 + 桌面云” 于一体的创新平台。该平台按照统一标准构建支撑自然资源和数字城市的测绘地理时空信息一体化云服务环境，推动珠海市测绘服务系统由粗放型分散建设向集约型云计算模式转变。

建设情况：珠海市测绘院自 2021 年起立项建设 “珠海测绘云”，以测绘工作 “两服务、一提升” 定位为导向，面向新型基础测绘的数据生产服务以及珠海市自然资源统一管理的信息化测绘技术服务体系建设需求，利用云计算和 GPU 直通技术，整合已有数据资源、存储资源、系统平台和网络资源等。

功能特点：包含高效、易用的基础云平台，集中计算、高效安全、快速搭建、成本节约的云桌面平台，高性能 GPU 计算平台和高性能分布式文件存储平台。具备对已有测绘地理信息资源池中的全部数据进行综合管理和基于空间二维或三维综合查询与应用服务功能，可对珠海市测绘院四大专业测绘成果数据、规划条件核实与二维三维人防与不动产测绘成果数据、三维实景数据及其他自然资源等专题数据提供云共享服务，实现动态入库或批量更新，支持面向国土空间规划的空间信息专题应用服务及数字城市 4D 数据网络化应用服务。

重要意义：有力支持了珠海市现有基础测绘任务的顺利开展，为全市测绘事业升级转型提供了有力支持。大幅降低了设备成本，提高了现有资源的利用率和复用率。基于云资源的弹性伸缩模式，可快速应变新增业务需求，增加大量云桌面。基于高性能、高可靠的分布式存储，提供文件和块存储服务，满足原始影像、过程数据及最终成果数据的存储，多副本模式提升了测绘任务的处理效率和数据可靠性。基于云平台安全技术，配合物理防火墙、网闸、堡垒机、准入控制等安全设备，大幅提升了测绘地理信息数据的安全。云桌面的运用也有利于提升测绘作业安全管理工作水平，为珠海市新型基础测绘技术服务体系建设夯实了信息化升级基础。

五、测绘 4D 的重要性

（一）质量管理与控制的重要性

测绘 4D 产品的质量特性表现出复杂性和多样性，其产品质量特性主要表现在空间位置、属性数据精度、时域、空间数据逻辑一致性、空间数据的完整性及空间数据及地图数据可视化的空间关系正确性等几个方面。这些特性相互影响，成为产生空间数据质量问题的根源。

目前，4D 数字测绘产品的相关生产与质检单位仍然采用传统质量检验手段，然而这些手段已不能适应 4D 数字测绘产品的质量管理需求。例如，在产品生产者质量认识方面，随着测绘技术的进步，传统测绘产业被高新技术现代测绘产业取代，4D 数字测绘产品作为现代高新技术核心产品，对作业人员素质提出了更高要求。若内业作业员素质不够或对质量认识不足，可能造成图形和实体属性上的差别。因为 4D 数字测绘产品不仅有几何意义上的精度质量问题，还具有属性上的正确性与准确度。

在空间数据与地图数据方面，4D 产品属于新开发利用的测绘产品，目前生产工艺流程尚未形成统一标准。传统制图和基于 GIS 建立的空间数据库有本质区别，制图数据侧重于外在表现，是对地理特征的简单几何模拟；空间数据强调内在联系，是高层次的空间建模。所以在 4D 产品生产过程中，必须特别注意数据采集过程中的质量控制措施，如数据的拓扑一致性、逻辑一致性以及可视化及一致性等。

此外，内、外业数据采集时也存在问题。由于质量控制意识不够或方法不当，常产生具有逻辑错误的操作现象，如水库与河流缺乏连接、大坝数据不一致、道路结点逻辑问题等。这些问题表明加强 4D 产品的质量控制具有重要意义，对数字测绘产品质量提高也有着关键作用。

（二）从 4D 数据到实景三维的技术进步

从 4D 数据到实景三维是测绘技术的重大进步。4D 数据是测绘技术与行业数字化转型的历史性产品，代表了测绘科学与技术过去半个世纪的历史性进步。而实景三维在 4D 数据的基础上，实现了高度逼真的场景重构和虚实相济的空间拓展。

实景三维的优势在于可以使依托环境的应用得到更抽象的分析和更具象的呈现，从终端用户角度讲，它更容易被接受；从专业用户角度讲，它将降低地理信息应用的技术门槛，有利于测绘技术应用领域的拓展、应用模式的创新和跨学科融合发展。

实景三维作为新型基础设施，为社会的全面数字化转型提供有力的基础支撑。它昭示着测绘科学和技术的社会角色进行着根本性转换及其作用的提升。在城市层面，尤其是小区域应用层面，实景三维已经得到应用且效果很好，虽然在大规模应用上还需努力，但前景可期。

（三）实景三维作为新型基础设施的作用

实景三维作为新型基础设施，在智慧城市建设中发挥着重要作用。在智慧城市层面，需要精细化、结构化、对象化的地理环境表达，需要地上下、室内外一体化的全空间连续尺度地理实体刻画，还需要对地理环境进行高逼真、沉浸式渲染，这些都是 4D 数据无法满足的。

实景三维将我们带进一个虚拟的真实世界，有助于启迪思维，催生新的应用。例如在城市规划、建筑设计方面，可以将规划设计方案嵌入数字孪生城市模型中，进行可视化判研、定量化分析、虚拟化模拟方案的合理性。在工业园区选址中，可以系统分析潜在就业人口结构画像、交通通勤压力、物流便利程度、配套设施需求等，更科学地做出决策。

此外，实景三维对城市地下管网的管理也不可或缺。城市地下管网的管理必须在三维模型中进行，如有事故发生，可在第一时间判断故障位置并采取应急处置。有了实景三维的数字化城市模型，很多城市管理可以实现远程控制，甚至自动控制、自动预警，在城市中的使用场景非常多。返回搜狐，查看更多

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