北京建筑工程学院北京建筑工程学院Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture测绘工程系测绘工程系Department of Surveying and Mapping Engineering专业简介专业简介测绘工程专业简介测绘工程专业简介Introduction of Surveying and Mapping Engineering 北京建筑工程学院测绘工程系2001年一、学科地位和研究应用领域一、学科地位和研究应用领域1. 学科定义测绘学科是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。它主要以地形、地貌以及建筑工程、机器和设备等为研究服务对象。2. 学科地位l学科门类：工学（08） l一级学科：测绘类（0809）l二级学科：测绘工程（080901）l相近专业：地理信息系统、摄影测量与遥感l修业年限：四年l授予学位：工学学士测绘学科的学科方向：大地测量学(包括天文、几何、物理、卫星和海洋大地测量)；工程测量学(含近景摄影测量和矿山测量)；航空摄影测量与遥感学；地图制图学；不动产地籍与土地整理。3. 研究应用领域按工程建设三个阶段划分：l勘查设计测量、施工建设测量和竣工运行测量；按行业划分：l线路(铁路、公路等)工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、3维工业测量等二、测量仪器二、测量仪器1、通用仪器l常规仪器：光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、摄影测量仪器l新型仪器：电子全站仪、电子水准仪、激光仪器、GPS、数字摄影测量仪器（电脑型全站仪配合丰富的软件，向全能型和智能化方向发展。带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量的全自动化，被称作测量机器人。）2、专用仪器：机械式、光电式及光机电(子)结合式的仪器或测量系统特点：高精度、自动化、遥测和持续观测。基准测量：正、倒锤与垂线观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。距离测量：包括中长距离(数十米至数公里)、短距离(数米至数十米)和微距离(毫米至数米)及其变化量的精密测量。lME5000精密激光测距仪、TERRAMETER LDM2双频激光测距仪等，中长距离测量精度可达亚毫米级；l铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETER ISETH等，短距离、微距离测量可实现测量数据采集的自动化；l石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01m的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；l采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。高程测量：精密水准仪、电子水准仪液体静力水准测量系统。l通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十公里，如用于跨河与跨海峡的水准测量；通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。三、测量理论方法的发展三、测量理论方法的发展1. 1. 测量平差理论测量平差理论最小二乘法：最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误差理论主要表现在对模型误差的研究上，主要包括：平差中函数模型误差、随机模型误差的鉴别或诊断；模型误差对参数估计的影响，对参数和残差统计性质的影响；病态方程与控制网及其观测方案设计的关系。自由网平差和拟稳平差：l变形监测网参考点稳定性检验的需要控制网可靠性理论：l观测值粗差的研究，以及变形监测网变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展非最小二乘估计：l稳健估计：解决观测值存在粗差的问题；l有偏估计：解决法方程系数阵存在病态的可能。2. 2. 工程控制网优化设计理论和方法工程控制网优化设计理论和方法网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法：基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计。模拟法：根据设计资料和地图资料，经数字化扫描后在微机上进行。在图上选点布网，获取网点近似坐标。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。质量指标：精度、可靠性、灵敏度精度：点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。l进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性：观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度：灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。四、大型特种精密工程测量四、大型特种精密工程测量1、国内工程：三峡工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其规模之大，监测项目之多，都堪称世界之最。l如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统；三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程；隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统；北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达0.3 mm。设备定位精度优于0.2 mm，200 m直线段漂移管直线精度达0.1 mm。大亚湾核电站控制网精度达2 mm；秦山核电站的环型安装测量控制网精度达0.1 mm。上海杨浦大桥控制网的最弱点精度达0.2 mm，桥墩点位标定精度达0.1 mm；武汉长江二桥全桥的贯通精度(跨距和墩中心偏差)达毫米级。高454 m的东方明珠电视塔对于长114 m、重300 t的钢桅杆天线，安装的垂准误差仅9 mm。长18.4 km的秦岭隧道，洞外GPS网的平均点位精度优于3 mm，一等精密水准线路长120多公里。横向贯通误差为12 mm，高程方向的贯通误差只有3 mm。2、国外工程德国汉堡粒子加速器研究中心l直线加速器长达30 km，100300 m的磁件相邻精度要求优于0.1 mm,磁件的精密定位精度仅几个微米，并能以纳米级的精度确定直线度。露天煤矿的大型挖煤机开挖量的动态测量计算系统(德国)l大型挖煤机长140 m，高65 m,自重8 000 t，其挖斗轮的直径17.8 m，每天挖煤量可达10多万吨。在其上安置了3台GPS接收机，实时数据传输和差分动态定位，挖煤机上两点间距离的精度可达1.5 cm。根据3台接收机的坐标，可计算出挖煤机挖斗轮的位置及采煤层截曲面，可计算出采煤量，其精度达7%4%。这是GPS，GIS技术相结合在大型特种工程中应用的一个典型例子。瑞士阿尔卑斯山的特长双线铁路隧道哥特哈德l长达57 km，采用GPS技术施测的控制网，平面精度达7 mm，高程精度约2 cm。以厘米级的精度确定出了整个地区的大地水准面。为加快进度和避开不良地质段，中间设了3个竖井，共4个贯通面，横向贯通误差允许值为6992 mm(较只设一个贯通面可缩短工期11年)。整个隧道的工程投资预计约15亿瑞士法朗，计划于2004年全线贯通。五、五、测绘学科的发展展望测绘学科的发展展望“3S”高新技术与现代测绘技术紧密结合测绘成果从传统模拟的纸质地图产品转向数字化测绘生产体系l“4D”产品：数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）和数字栅格影像图（DRG）测绘生产自动化l 测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展，影像、图形和数据处理方面的能力进一步增强；l多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用，如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人集成，可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作。基于知识的地理信息系统（GIS）技术，进一步与大地测量、地球物理、工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题。综上所述，测绘学科的发展，主要表现在从1维、2维到3维、4维，从点信息到面信息获取，从静态到动态，从后处理到实时处理，从人眼观测操作到机器人自动寻标观测，从大型特种工程到人体测量工程，从高空到地面、地下以及水下，从人工量测到无接触遥测，从周期观测到持续测量。测量精度从毫米级到微米乃至纳米级。地理信息系统专业简地理信息系统专业简介介Introduction of Geographic Information System北京建筑工程学院测绘工程系2001年一、学科地位和研究应用领域一、学科地位和研究应用领域1. 学科定义地理信息系统是一门介于信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学之间的新兴边缘学科，研究有关地学信息以及其它与之有关各类信息的采集获取、管理和分析的理论方法和技术。2. 学科地位l学科门类：理学（07） l一级学科：地理科学类（0707）l二级学科：地理信息系统（070703）l相近专业：资源环境与城乡规划管理、测绘工程、地理科学l修业年限：四年l授予学位：理学或工学学士地理信息系统学科的研究方向：专题信息系统（GIS技术的应用和系统的二次开发）；区域信息系统（以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模）；地理信息系统工具(GIS-TOOL，研制通用软件系统) 地地 理理 学学 制制 图图 学学 GISGIS 测测 量量 与与 遥遥 感感 计计 算算 机机 科科 学学 软软 数数 计计 图图 CAD CAD 专专 件件 据据 算算 形形 家家 工工 库库 机机 学学 CAM CAM 系系 程程 技技 统统 术术 GISGIS的相关学科的相关学科3. 研究应用领域（1）资源管理资源管理(Resource Management) 例如应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场)分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。（2）资源配置资源配置(Resource Configuration) 在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等问题，在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。 （3）城市规划和管理城市规划和管理(Urban Planning and Management) 空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。（4）土地信息系统和地籍管理）土地信息系统和地籍管理(Land Information System and Cadastral Applicaiton)土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。（5）生态、环境管理与模拟）生态、环境管理与模拟(Environmental Management and Modeling) 区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。（6）应急响应应急响应(Emergency Response) 解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。 （7）地学研究与应用地学研究与应用(Application in GeoScience) 地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。 （8）商业与市场商业与市场(Business and Marketing) 商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。 房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。 （9） 基基 础础 设设 施施 管管 理理 (Facilities Management) 城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。（ 10） 选选 址址 分分 析析 (Site Selecting Analysis) 根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充分体现了GIS的空间分析功能。（11）网网络络分分析析(Network System Analysis) 建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。 警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。 （ 12） 可可 视视 化化 应应 用用 (Visualization Application) 以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。 （ 13） 分分 布布 式式 地地 理理 信信 息息 应应 用用(Distributed Geographic Information Application) 随着网络和Internet技术的发展，运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航等。二、系统运行环境二、系统运行环境1、硬件环境：GIS硬件：计算机主机外围设备计算机主机： 处理速度、字长、内存数据存贮设备：硬盘、软盘、光盘、磁带数据输入设备：键盘、数字化仪、扫描仪、数据电缆数据输出设备：硬拷贝、软拷贝、电子输出2、 GIS的软件模块:l软件系统：计算机系统软件：OS、汇编程序、库程序等GIS基础软件：输入、编辑、管理、分析、输出GIS二 次 开 发 软 件 ：3、网络环境：局域网（LAN）广域网（WAN）网络拓扑结构：网络中各个结点相互连接的方法和形式。网络结构体系主从式“客户/服务器”体系结构（Client/Server,C/S)基于因特网/企业网（Internet/Intranet)Internet/Intranet)：分布式因特网体系结构-DNA浏览器/服务器（Browser/Server,B/S)三、三、地理信息系统技术发展地理信息系统技术发展1、第一代GIS （60年代至80年代末）lR.F. Tomlinson：“要把地图变成数字形式的地图，便于计算机处理和分析”。l特点：单机、集中式处理以地图为基础处理以文件系统为基础2、第二代GIS （80年代末至90年代初）背景l计算机技术、软件技术长足发展lPC机担当重要应用角色l网络技术以使用特点l利用商用DBMSl空间数据分布式处理出现3、第三代GIS （90年代中至今后5年）背景l面向对象的软件构造技术迅速发展lInternet/Intranet技术的发展和普及l在技术上已实现“全世界计算机联合起来”特点lCOM技术l图/属数据一体化存储lB/S技术l3S技术集成4、第四代GIS面向空间实体的数据组织数据共享和功能共享有效的分布式空间数据管理和计算三维和时序数据处理能力有效的3S技术集成一定的VR表现