测绘仪器的前生今世—— 全国测绘法宣传日暨广州自动驾驶高精地图应用主题活动系列报道之二

　　在人类文明的长河中，测量不仅是认知世界的基础，更是推动科技进步的重要力量。从最初的简单工具到如今的高精密仪器，测量仪器的发展史见证了人类智慧与技术的不断飞跃。2024年8月29日是第二十一个全国测绘法宣传日，今天，就让我们一起回顾这段跨越千年的测量仪器发展史。

<测绘仪器的前生>

古代的测距工具

　　1.准、绳、规、矩

　　在公元前2世纪，司马迁在《史记·夏本记》中就有诉述大禹为治水而进行的测量工作，大禹使用“准、绳、规、矩”测定远近与高低。所谓“左准绳，右规矩”，“准”和“绳”是测定物体平、直的器具，“规”矫正圆，“矩”则是用来画方形的曲尺。

（准、绳、规、矩图示-图源：明代《三才图绘》）

（伏羲氏手执矩，女娲石手执规-图源：故宫博物院官网）

　　2.记里鼓车等其他测距工具

　　公元400年，中国战国时发明记里鼓车，用以测量距离。古代的测距工具还有测绳、步弓、测步器、测链、竹尺、木杆尺等。

（记里鼓车模型-图源：中国科学技术馆官网）

（从左到右依次是：西晋象牙尺、宋代木尺、明代木尺-图源：南京市博物总馆）

　　3.游标经纬仪

　　游标经纬仪是角度测量的重要仪器，1730年，英国机械师西森研制成了第一台游标经纬仪，随后出现了小平板仪、大平板仪以及水准仪等。

（游标经纬仪）                  （早期的平板仪）

（图源：浙江测绘与地理信息科技博物馆）

<测绘仪器的今世>

近现代的测距工具

　　进入近现代，随着工业革命的浪潮，测量仪器迎来了前所未有的黄金成长期。

　　1.经纬仪

　　经纬仪是一种根据测角原理设计的测量水平角和竖直角的测量仪器。1921年，第一台光学经纬仪在瑞士诞生，光学经纬仪比早期的游标经纬仪大大提高了测量精度，而且体积小重量轻，操作方便。随着电子技术、计算机技术、光电技术、自动控制等现代科学技术的发展，经纬仪也走向了电子化的发展历程。从1968年电子经纬仪问世以来，电子经纬仪与光电测距仪、计算机、自动绘图仪相结合，使地面测量工作实现了自动化和内外业一体化。

　　电子经纬仪与光学经纬仪的主要差别在读数系统，相较于光学经纬仪，电子经纬仪实现了测量的读数、记录、计算、显示自动一体化，其测角采用扫描技术，消除了光学经纬仪在结构上的一些误差，具有更高的精度。

（光学经纬仪）                （电子经纬仪）

（图源：浙江测绘与地理信息科技博物馆）

　　2、水准仪

　　水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的测量仪器。20世纪50年代，人类发明了自动安平补偿器，出现了自动安平光学水准仪。1990年第一台电子水准仪（又称数字水准仪）出现了，这种传感器可以识别水准标尺上的条码划分，并用相关技术处理仪器的测量信号，自动显示与记录视线高和视距，从而实现了水准测量自动化，从此大地测量仪器完成了从精密光学仪器向光机电测一体化的高技术产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的难关。

　　与光学水准仪比较，电子水准仪用自动电子读数代替人工读数，不存在读错、记错等问题，没有人为读数误差。而采用条纹编码进行测量的方式削弱了传统水准尺的标尺分划误差，能够自动继续多次测量，并削弱了外界环境变化造成的影响，精度更高。此外，电子水准仪也能实现自动记录、检核、处理和存储，减轻了测量人员的劳动强度，进一步提高了测量的速度与效率。

（光学水准仪-图源：笔者自摄）  （电子水准仪-图源：笔者自摄）

　　3.激光测距仪

　　激光测距仪是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量的测量仪器。1960年，美国人梅曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器，次年产生了世界上第一台激光测距仪，这标志着激光测距技术的诞生，这一技术以高精度、远测程的特点迅速在测绘领域得到广泛应用。因激光测距仪具备重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一等便捷优势，当前正广泛应用于房屋测绘、地形测量等作业过程当中。

（红宝石激光器-图源：《红宝石激光器》）   （激光测距仪-图源：笔者自摄）

　　4、激光垂准仪

　　激光垂准仪是利用一条与视准轴重合的可见激光产生一条向上的铅垂线，用于测量相对铅垂线的微小偏差以及进行铅垂线定位的测量仪器。在高层建筑的施工中，为了保证建筑的垂直度，需要测设以铅垂线为基准的点和线，称为垂准线，以控制建筑物的垂直偏差，建筑物的上下高差越大，垂直投影的精度要求也越高。传统的铅垂定位测量方法比较简单，沿建筑物的柱中线逐层进行测量，容易产生累积误差，在使用、场地等方面都存在着各种各样的限制。

（激光垂准仪）        （激光垂准仪的内部结构）

（图源：浙江测绘与地理信息科技博物馆）

　　5、全站仪

　　全站仪是全站型电子速测仪的简称，它是集电子经纬仪、光电测距仪和微处理器于一体的测量仪器。20世纪七十年代，前德国PTON厂和瑞典的AGA厂，在光电测距和电子测角的基础上，研制生产出世界上第一台全站仪，它的出现进一步提高了测量作业的自动化程度。全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合，或光电测距经纬仪组合，到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪。

（全站仪-图源：笔者自摄）

　　5.1超站仪

　　超站仪集合全站仪测角功能、测距仪量距功能和GPS定位功能，不受时间地域限制，不依靠控制网，无须设基准站，没有作业半径限制，单人单机即可完成全部测绘作业流程的一体化的测绘仪器，主要由动态PPP、测角测距系统集成。

（超站仪-图源：南方测绘官网）

　　5.2全站扫描仪

　　全站扫描仪高度集成超高精度测量技术、三维激光扫描技术、数字影像技术于一身，不仅能用于高精度测绘作业，还能胜任精密扫描，探测物体表面的细微变化。全站扫描仪可以自动并连续的检查周围的测量环境，既能实现全站仪方式设站进行单点测量，又能进行高精度扫描，获得的点云成果在同一坐标系下，无需拼接，精度更有保障。

（全站扫描仪-图源：莱卡中国官方官网）

　　5.3测量机器人

　　测量机器人也称为智能型全站仪，是一种集成了角度、距离、倾斜、图像等多种传感器的现代光电仪器，其定位精度可达毫米级，广泛应用用于地铁、大坝、桥梁等工程控制网建立、施工放样和变形监测。相比传统全站仪，测量机器人在动态测量方面具有无可比拟的优势，主要体现在可自动化测量，传统全站仪则只能人工瞄准目标；测量周期更短，只需数十毫秒；测角测距精度更高。测量机器人具有无人值守，全自动（定时或连续）长期监测，监测精度高，实时处理，可靠性高等特点。测量机器人的自动测量不但给人们的测量作业带来方便，而且节省了许多的人力、物力、财力，因此，将更加广泛地得到应用。

（测量机器人-图源：南方测绘官网）

　　6、三维激光扫描仪

　　三维激光扫描仪是一种可以快速获取被测物体的高精度三维坐标，继而构建出高精度三维模型的测量仪器。在激光测距的原理上，三维激光扫描仪利用了自动化点阵激光扫描的技术，能够记录物体表面大量的三维点坐标信息和反射率，获取的数据被形象的称为“点云”，可以用于精准的实体建模，被广泛应用于文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、建筑检测、灾害评估等领域。

（三维激光扫描仪-图源：笔者自摄）

　　7.全球导航卫星系统（GNSS）

　　全球卫星导航系统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。进入21世纪，GPS（全球定位系统）的广泛应用更是彻底改变了测量的面貌。GPS不仅为海陆空三军提供了精密导航服务，还广泛应用于民用领域，如交通、农业、地质勘测等。我国自主建设运营的北斗卫星导航系统于2020年7月31日正式建成开通，北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统，满足了国家安全和社会经济发展的需要，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位导航授时服务。

（卫星示意图-图源：中国北斗卫星导航系统官网）

（GNSS接收机-图源：笔者自摄）

　　9.数字测绘

　　随着科学技术的发展，先后出现了更多的电子测绘仪器，如数字摄影测量系统、地图全景影像采集设备、高精度地图采集设备、电子倾斜仪、回声探深仪、管线探测仪、海底地貌探测仪、电子伸缩仪、重力测量仪、电子气压测量仪等。

（数字摄影测量系统-图源：《摄影测量学》）

（高精度地图采集车-图源：新华网官网）

（管线探测仪-图源：笔者自摄）

　　10、无人机摄影测量

　　无人机摄影测量是利用无人机搭载的高分辨率相机和导航定位设备对目标区域进行系统的拍摄，并对所得影像进行处理生成具有地理坐标和高程信息数据的测量技术。伴随着科技的日新月异，曾经被认为是尖端科技代名词的无人机，也已飞入了寻常百姓家，在越来越多的民用领域大显身手。无人机的出现使传统的摄影测量技术得到了最大化的应用，解决了传统野外测绘工作需要大量的人工地面数据采集、费时费力的难题。

（测量无人机-图源：笔者自摄）

　　11、无人测量船

　　无人测量船是一种可以通过预设路线,借助卫星定位、惯性导航,进行远程操控的无人水上测量仪器。无人测量船可以代替人工自动执行水上测量任务，小巧的船体能够贴岸作业,浅水区、水域测量盲区也能轻松应对,从而大幅提高测量的效率和精度,并降低测量人员水上作业的危险。

（无人测量船-图源：i自然）

　　回顾测量仪器的发展进程，我们不禁为人类的智慧和创造力所折服，本文只针对测绘领域的主要仪器类别进行了简要介绍，还有更多测量仪器的衍生产品未一一例举。从传统的测绳、皮尺，到现代手掌上的激光测距仪、天上的无人机、太空中的导航卫星，每一次技术的飞跃都凝聚着无数科学家的心血与汗水。展望未来，随着智能制造、物联网、云计算等新技术的广泛应用，测量仪器将继续向智能化、数字化方向发展，为人类的探索之路提供更加精准、高效的工具，迎来更加辉煌的明天。