现代工程测量国家测绘地理信息局重点试验室科技发展-国家测绘局

现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室科技发展年度综述本报告主要围绕现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室目前的研究现状和发展重点，从国内研究进展以及实验室工作的内容进行展开，即主要涵盖测量基准、工程测量自动化、多传感器数据的集成和重大灾害监测等多个方面。一、国内外发展现状与趋势（一）国内发展现状由国家测绘地理信息局组织实施，进行全国各类参心坐标系下的坐标到CGCS2000的转换。CGCS2000在全国的进展情况大体上归为国家层面上、省市地方及行业的进展。国家层面上主要包括三、四等天文大地网成果转换；1:5万、1:1万地形图格网点1980西安坐标系到CGCS2000改正量计算；国家1:5万数据库转换。对地方测绘地理信息部门的支持方面主要是基于几种常用坐标转换方法及转换模型：三维七参数转换模型、二维七参数转换、三维四参数转换模型、平面四参数转换模型编制了控制点成果转换软件，并给出这些模型的适用范围，结合对实时框架到CGCS2000基准的转换方法研究，解决和实现地方CORS站到CGCS2000的转换。另外指导地方独立坐标系与CGCS2000建立联系方面，基于典型代表特点的地方独立坐标系及其相关控制点成果资料制定了独立坐标系与2000国家大地坐标系转换技术指南可指导地方独立坐标系的建立和转换。同时，中国现代测绘基准体系基础设施建设工程2010年完成了初步设计工作，该项目建设内容包括360个国家级GNSS连续运行基准站、4500点规模的国家卫星大地控制网、12.2万公里国家一等水准网、50个国家重力基准点以及一个数据系统等。目前项目已经完成了150个新建GNSS连续运行基准站的选址工作，技术规程编写已经完成，技术培训工作即将展开。随着GPS的出现和不断发展与完善，测绘技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。在我国GPS定位技术的应用已深入各个领域，国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术。在石油勘探、隧道贯通、大坝监测、海域测量等方面也广泛地使用GPS技术。尤其是网络RTK技术使得GPS的应用领域极大地扩展，为各项大型和精密工程建设提供了可靠的测绘技术保障。北斗卫星导航系统目前已经完成16颗组网卫星发射，开始向亚太地区提供免费的授时、定位服务。且随着这些年的建设目前已经在以下方面得到了大规模的应用：1.军用领域最先使用北斗卫星导航系统；2.电力、通信领域使用北斗高精度授时；3.交通、测绘使用北斗定位；4.公安、应急抢险、野外救援等领域使用北斗定位和短报文；5.海关集装箱管理、民航使用北斗授时和定位；目前北斗二代的芯片已经相继推出，无论是体积、价格和定位精度都有很大的提高，相信随着2020年北斗全球定位系统的建成，相关的应用产业将得到更大的发展。由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘地理信息局、中国气象局、教育部等六部委联合承担的中国大陆构造环境监测网络工程（以下简称“陆态网络”）于2011年上半年已经全面完成了建设任务，整体项目进入验收阶段。2012年2月7日-10日，中国地震局联合总参测绘导航局等五部门对”陆态网络”进行总体测试。测试专家组严格按照测试方案对工程建设内容与规模、总体技术指标、功能和产出进行了详细测试。经过测试，专家组认为，项目工程建设和各项技术指标均达到或超过设计指标。通过5年的建设，陆态网络完成了260个基准站、1000个区域点、30个连续重力观测站、70个INSAR角反射器，以及6个部委数据系统的建设工作。工程产出的结果包括基准站坐标成果及速度场、区域网点坐标成果、全国速度场、重力梯度以及INSAR干涉结果等。同济大学代表教育部承担的主要内容为：河北张家口、山东淄博、甘肃平凉、甘肃天水、内蒙正蓝旗共5个基准站以及上海金山、嘉定、滴水湖、庙镇以及安徽的祠山岗共5个区域站，另外还有河北张家口一个并置的连续重力站的建设任务。所有基准站均在2010年上半年完成设备的安装调试，顺利进入试运行。区域站于2008年5月完成建设，并于2009年和2011年先后两次进行了联测（连续四天四夜）。此外同济大学还承担了可移动基准站实时定位软件系统的开发等任务。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是一种空间对地观测新技术，具有全天候、大范围（100km×100km）、高空间分辨率（20m×20m至1m×1m）、高精度（mm级）特点，既可以应用于地震、火山、山体滑坡等突发地表位移的观测，也可以用于像地面沉降、断层构造运动、大型构筑物等长时间跨度的缓慢形变监测。InSAR的基本原理是利用SAR传感器从空间略为不同位置获取的地面同一地区影像的干涉结果，来获取地面高程或地表面形变信息。因此，确保两次SAR影像的高相干性是干涉测量技术的关键。常规InSAR干涉测量，由于难以克服的SAR影像时间失相干和空间失相干，一般很难得到准确的结果。同济大学从2000年开始合成孔径雷达干涉测量技术研究，主要包括采用InSAR技术监测上海地面沉降和城市中大型构筑物变形等。初期主要是利用国际上开源的Doris软件和ROIPAC软件进行SAR数据处理和分析研究。最近，2011年购买了国际上最先进的InSAR数据处理软件，GAMMA软件，为进一步完善InSAR数据处理理论和方法提供了良好的研究条件。至今，已利用欧空局ERS卫星和日本ALOS卫星提供的SAR数据，采用PSInSAR方法成功得到了上海全区的2006至2010期间的地面沉降平均年速率；我们还对上海磁悬浮轨道沿线区域进行PS点地理位置估计研究，此外，我们从2012年开始，应用于四川滑坡高危区进行滑坡前兆的位移分析研究。2012年，实验室又招标购买了地基InSAR从事区域形变分析。在灾害监测方面，滑坡预警预测是一个世界性的难题，尤其是在我国地形地质条件极为复杂的西部山区。这一问题的研究和解决不仅需要工程地质和岩土力学等学科的努力，更需要与现代地球物理、测绘、地理信息与遥感和气象等学科的深度交叉融合，以及由此而产生的先进理论与技术方法的支撑，具有典型的高度综合交叉特点。实验室针对2013年973计划综合交叉科学领域“重大灾害的预警与防控和公共安全”研究方向中的研究内容：“重大灾害致灾因子的识别、灾害前兆信息的获取与灾害的预警”，结合国家对大型滑坡灾害防治和减灾的迫切需求，以现代地球系统科学思想为理论指导和方法论，紧密围绕核心科学问题，在查明我国西部山区大型滑坡成因机理、建立相应的致灾识别指标体系基础上，综合采用现代空-天-地一体的多源观测网络的技术手段和方法，探索建立具有立体协同特征的大型滑坡变形观测、内部破裂过程及前兆信息探测的技术方法体系。在此基础上，同化大型滑坡机理模型与各类观测数据，建立大型滑坡协同预警预测模型，实现大型滑坡的预警应用。主要解决问题包括：（1）大型滑坡成因机理与致灾因子识别方法；（2）立体多源观测的协同耦合机制与滑坡体变形破裂动态演化过程；（3）多源观测数据与滑坡机理模型的同化及协同预警。与此同时，高精度和实时性是保证结构复杂的大型工程安全施工和运营的重要保障。因此，迫切需要研究复杂条件下信息化测量技术，为各种大型特种工程建设提供测绘技术保障。采用现代测量与定位信息化技术，可充分利用传感器的自动化和高精度的特点，来解决大型复杂或地下建筑工程中的测量速度和精度技术难题，实现数据的自动采集、传输、处理和表达。现代测量与定位信息化技术主要包括GPS、测量机器人和激光扫描仪等，将它们集成开发，可自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势，进行各类建筑物自动变形监测。与测量数据库管理系统相结合，可实现工程信息的现代化管理和实现对工程施工进度、质量、安全的有效控制。目前由同济大学完成的测量导向工程包括：1.大型桥梁的远海定桩、隧道贯通的导向测量与控制以及水下沉管的控制等理论研究与应用技术开发。并成功应用于东海大桥、苏通大桥及沪崇苏越江隧道等大型工程，该成果获得2011年中国测绘科技进步一等奖和上海市科技进步二等奖。2.非开挖顶管自动测量系统的开发研究，并成功应用于（1）完成汕头过海底顶管的施工引导（长度2080米，国内第一长；（2）完成江苏丹阳取水曲线顶管（两条）的施工引导（长度1800米）。3.地铁盾构自动测量系统的开发研究，并成功应用于（1）完成苏州地铁一号线，广济路－养育巷路区间1200米的隧道开挖自动测量；（2）上海地铁12号线，申江路－金海路，申江路－金京路等区间隧道开挖自动测量；（3）杭州地铁一号线区间隧道开挖自动测量；（4）苏州工业园区金鸡湖隧道开挖自动测量。4.自动变形监测系统的开发与研究，并成功应用于上海地铁9号线沿线地表建筑的自动安全监测，该系统实现了无线遥控监测，确保了地铁施工对沿线环境的安全。5.船舶精度控制系统的开发与研究，该系统已经成功应用于上海船厂船舶制造过程中的精度控制。6.全站仪加陀螺仪集成的盾构引导系统开发研究。同时，多传感器技术综合了传感器信息采集技术、嵌入式计算技术、网络通信技术、分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化协作的微型传感器实时监测、感知和采集各种环境或检测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织通信网络将感知的信息传送到用户终端。在农业、水利、生态环境、灾害监测和预报、建筑、医疗、工业制造、军事侦察、城市交通管理、空间和海洋探测等工程领域中有着广阔的应用。此外，由于基于位置服务（LBS）系统主要有三大功能部分组成，即定位系统、移动GIS系统和无线网络传输系统。对于目标的定位技术，有基于卫星定位系统，如GPS等，也有基于无线网络定位技术的。为了满足各行业对定位精度的不同要求，更多的是研究二者的混合定位技术。另外，提高GPS的定位精度也是研究的重点。由于移动对象具有的是动态属性而在传统数据库中往往是假设数据在没有被显性更新之前，属性值保持恒定。因此，用传统数据库技术来管理移动对象就显得力不从心。由于网络带宽和移动终端计算资源的限制，应用在LBS中的数据格式应该与硬件条件相符合。随着国内GIS软件不断创新和成熟、应用面不断拓展，基于全息电子地图，融合其他信息技术，应用也逐渐普及，占有了很大的市场。国内许多企业推出了自主研发的嵌入式GIS软件。基于定位传感器的室内外定位技术，JUSTIN等利用Wi-Fi位置指纹法从大量接入点中获取的信息强度信息与后期记录的信号强度比较，从而得到返回位置；ANDREAS等基于Android平台开发地磁场扰动和识别环境光线的定位系统，应用粒子滤波将手机追踪数据和传感器数据融合来评估定位精度；Moustafa等采用众包的方法，利用手机中的嵌入式传感器（加速计、指南针、摄像头等）构建平面图并确定感兴趣区域（走廊、办公室、楼梯、电梯等），采用云计算处理、存储生成的大量数据和系统用户请求；Anders等利用已存在的无线电基础设施，将用户终端接收到的无线电信号振幅和相位的变化同IMU（IntertialMeasurementUnits）联合做紧密耦合的定位估计；Shih-HauFang等提出整体法ZigBee室内定位的框架，通过动态分析输入模式，联合基本定位算法的优势以及它们所从属的空间权重实现定位；Wang等深入讨论测距和无需测距两种基于信号强度（RSSI）的位置算法，针对多路径和遮挡所造成的信号严重扭曲现象提出权衡方案，并提出用边界选择和本地格网搜索来降低搜索时间，实现在线跟踪；Chen等研究了RSSI在蓝牙网络中应用指纹图谱法进行室内定位，提出BF（贝叶斯融合）法联合RSSI测量值的统计信息和运动模型中的先验信息，并实验验证了这种方法的有效性；GeraldPirkl等描述了基于共振磁耦合室内定位系统的设计、实施和评估，这个系统对人来回走动或室内环境配置变化具有抗干扰性；Xiao等提出以无线电频率特性和用CDMA技术编码超声波信号室内定位系统，超声波信号与RF信号联合进行TDOA定位；Apostolia等提出混合RFID和WLAN的定位系统，补偿了多重阅读器之间持续RFID碰撞问题，并证实了在精确度，时间高效本地化和减少IP切换延