水利水電工程測量技術(shù)的發(fā)展

陳 靜

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 引言

測量在水利水電工程項目中起到至關(guān)重要的作用。工程項目的精確度、質(zhì)量等都依賴于良好的前期勘探與測量環(huán)節(jié)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，水利水電工程測量技術(shù)的發(fā)展勢頭也十分強(qiáng)勁，一些先進(jìn)的測量技術(shù)對水利水電工程施工起到了很好的“事半功倍”的作用，例如，GPS定位測量技術(shù)、變形測量技術(shù)、數(shù)字地形測量技術(shù)和水底地形測量技術(shù)都是近年來涌現(xiàn)出的新穎的水利工程測量技術(shù)。在實踐應(yīng)用中，上述技術(shù)的高效性、高精度性和便捷性得到了業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的一致肯定。綜上所述，對這些全新的水利工程的測量技術(shù)進(jìn)行研究和總結(jié)，了解其應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特性和發(fā)展趨勢，并詳細(xì)探討這些測量技術(shù)的優(yōu)缺點，將對我國水利水電工程測量技術(shù)的革新有著積極的意義。

2 水利水電工程測量技術(shù)的發(fā)展綜述

2.1 GPS定位測量技術(shù)

控制測量技術(shù)向來是水利水電工程測量技術(shù)發(fā)展的重要分支。近年來，隨著無線技術(shù)、傳感技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的水利水電控制測量技術(shù)也發(fā)生了新的變革，逐漸呈現(xiàn)出以“GPS無線定位測量技術(shù)”為主的全新發(fā)展方向。

GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱，它由美國研發(fā)并于1994年投入應(yīng)用，該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星群和地面控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。空間衛(wèi)星群由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，它們的運行周期為11小時58分，以實現(xiàn)對地球上任何地點的“無縫覆蓋”監(jiān)測；地面控制系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)控站構(gòu)成，主要完成對測量數(shù)據(jù)的錄入。GPS技術(shù)的研發(fā)源于上世紀(jì)50年代末，原本是美國軍方的一個項目，1964年正式投入使用。20世紀(jì)70年代，美國陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，主要目的是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過 20余年的研究實驗，耗資 300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星己布設(shè)完成，這也預(yù)示著GPS全球定位系統(tǒng)已邁進(jìn)成熟期。

測量作為較早采用 GPS技術(shù)的領(lǐng)域,最初主要用于高精度的大地測量和控制測量，建立各種類型和等級的測量控制網(wǎng)?，F(xiàn)在，GPS技術(shù)還用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測、航空攝影測量、海測和地理信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)采集等方面。在各種類型的測量控制網(wǎng)的建立方面，GPS定位技術(shù)已基本上取代了常規(guī)測量手段，成為主要的技術(shù)手段。

隨著測量技術(shù)的不斷革新，GPS技術(shù)在工程定位測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其主要技術(shù)特性體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1.1 使用精密衛(wèi)星星歷。

精密衛(wèi)星星歷是GPS技術(shù)精密定位的重要保證，利用精密衛(wèi)星星歷，調(diào)制在L1載波上的衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星軌道信息等參量能夠被計算得更為精確，測量誤差率可以得到有效控制。

2.1.2 區(qū)域范圍小，網(wǎng)中基線邊較短。

一般來說，采用GPS技術(shù)能夠使得接收機(jī)的衛(wèi)星信號具有類似的誤差特性，且接收網(wǎng)中基線邊誤差不會超過5KM，在信號接收的過程中，能夠通過差分解算使得公共誤差得到很大程度的抵消，從而獲得高精度的測量數(shù)據(jù)。而區(qū)域范圍小、網(wǎng)中基線邊較短的特性也成為了GPS測量技術(shù)的核心優(yōu)勢。

2.1.3 測量點選擇靈活。

傳統(tǒng)測量模式下，相鄰的測量點之間需要互相通視，因此對測量工作條件和人員素質(zhì)要求較高，且人眼觀測也會使得測量的精度降低。在GPS測量中，無需考慮站點的互相通視，測量的數(shù)據(jù)完全依靠衛(wèi)星給出，精度和靈活性都得到顯著提升，測量的過程完全由計算機(jī)自動完成。

由于 GPS技術(shù)具有精密性高、區(qū)域范圍小、測量點選擇靈活等優(yōu)勢，近年來在水利水電工程項目測量中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在我國三峽水利工程項目的截流施工階段，施工方面應(yīng)用了靜態(tài)GPS測量技術(shù)，創(chuàng)建了三等平面控制網(wǎng)；在庫區(qū)滑坡監(jiān)測工程中，項目組也應(yīng)用 GPS與GLONASS進(jìn)行組合，對12個滑坡體進(jìn)行了準(zhǔn)確定位監(jiān)測。

2.2 變形測量技術(shù)

變形測量又稱為變形觀測，在具體的應(yīng)用中，通過對監(jiān)測對象的變形測量，確定物體內(nèi)部形態(tài)的變化特征，從而確定被測物體的形態(tài)。變形測量技術(shù)是現(xiàn)代水利水電工程測量的全新發(fā)展分支，能夠?qū)λ姽こ添椖康幕鶞?zhǔn)網(wǎng)、工作基點、變形體和監(jiān)測資料進(jìn)行分析和測量。常用的變形測量技術(shù)包含以下幾種：

2.2.1 大地測量技術(shù)。

通過采用電子水準(zhǔn)儀、精密全站儀等設(shè)備，以三角測量、幾何水準(zhǔn)測量和三角高程測量作為技術(shù)手段，完成變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點和變形體變形測量等工作。該種技術(shù)的優(yōu)點為：理論方法成熟，測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，成本較低。缺點為：觀測強(qiáng)度較大，數(shù)據(jù)處理智能化較低。

2.2.2 液體靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)。

該技術(shù)是變形測量技術(shù)的一個發(fā)展分支，主要應(yīng)用在水利工程壩體廊道內(nèi)高程觀測和高程傳遞，在具體的測量過程中，主要通過傳感器對水體的高度進(jìn)行定位和測量。該技術(shù)的優(yōu)勢為：精度高、智能性好，能夠同時測量數(shù)十個監(jiān)測點。缺點為：成本較高，測量數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜。

2.2.3 基準(zhǔn)線測量技術(shù)。

該技術(shù)廣泛應(yīng)用在對土石壩、重力壩等直線形狀水利大壩壩體的測量中，在具體的應(yīng)用中又分為引張線法、視準(zhǔn)線法、大氣激光準(zhǔn)直法等。

（1）引張線法：該種測量方法被廣泛應(yīng)用在對水利大壩的位移監(jiān)測中。目前，主要的測量儀器包含光電跟蹤式引張線測量儀、電容感應(yīng)式引張線測量儀、CCD引張線測量儀和電磁感應(yīng)式引張線測量儀。由于取消了測量系統(tǒng)中的浮托設(shè)備，引張線測量儀器的精度得到了大大提升，因此，該種測量方法的主要優(yōu)勢在于：設(shè)備簡單、測量精度高、速度快、成本較低以及自動化程度高。

（2）視準(zhǔn)線法：該種測量方法主要應(yīng)用在壩體較短的水利大壩測量中，此外，還可應(yīng)用在高邊坡、滑坡體等地勢的水平位移數(shù)據(jù)測量中。視準(zhǔn)線法的優(yōu)點在于：設(shè)備采購便捷、操作簡單、成本費用較低。缺點在于：測量精度與大氣光照角度、光照精準(zhǔn)度等因素有密切關(guān)聯(lián)，因此，具體的測量數(shù)據(jù)容易受到大氣光照角度、光照精準(zhǔn)度的影響，精度較低。

2.3 數(shù)字地形測量技術(shù)

數(shù)字地形測量技術(shù)也是近年來興起的一種水利水電工程測繪技術(shù)。該種技術(shù)主要基于全站儀和信息技術(shù)的發(fā)展，通過應(yīng)用三維測繪軟件、數(shù)字成圖軟件等，對水利水電工程項目進(jìn)行專業(yè)測繪和成圖，同時，還能夠應(yīng)用數(shù)字GIS設(shè)備對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集和處理。一般來說，數(shù)字地形測量技術(shù)的應(yīng)用模式主要分為電子平板數(shù)字系統(tǒng)、測記法數(shù)字系統(tǒng)和掌上數(shù)字測繪系統(tǒng)三個部分。上述三個系統(tǒng)各有優(yōu)勢。

2.3.1 電子平板數(shù)字系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由全站儀、便攜機(jī)和支持軟件構(gòu)成，在具體的操作中，以測站和鏡站兩種方式為主。該系統(tǒng)的優(yōu)勢為：成圖精美、作業(yè)直觀，測繪精度高。缺點為：系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性較差，僅適用于地勢平坦的水利水電工程項目測量。

2.3.2 測記法數(shù)字系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由全站儀、GPSRTK和繪圖軟件構(gòu)成，能夠?qū)Ω黝惌h(huán)境的地形進(jìn)行測繪，且精度和智能化水平較高；但由于設(shè)備本身的設(shè)計缺陷，可能產(chǎn)生作業(yè)不直觀、地物錯漏等問題。

2.3.3 掌上數(shù)字測繪系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由全站儀、掌上測圖系統(tǒng)和繪圖軟件構(gòu)成。由于掌上測繪系統(tǒng)具有便攜性高、可視化程度強(qiáng)、操作便捷等優(yōu)勢，因此，在具體的水利水電工程項目測量中，技術(shù)人員可將平板電腦、PDA等硬件設(shè)備與數(shù)字測繪軟件系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)便捷、高效的測量。同時，掌上數(shù)字測繪系統(tǒng)還可以與無線技術(shù)融合，利用無線遠(yuǎn)程傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)野外測繪數(shù)據(jù)的適時傳送，大大提升了水利水電工程項目測繪數(shù)據(jù)傳輸、處理的效率。

目前，數(shù)字地形測量技術(shù)在我國水利水電工程項目中得到了大范圍的推廣和應(yīng)用。例如，2012年1月，在我國長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限公司承擔(dān)的巴基斯坦KAROT水電站項目建設(shè)中，項目組便利用電子平板數(shù)字系統(tǒng)，對 KAROT水電站壩址區(qū)和水庫區(qū)進(jìn)行了GPS控制測量、斷面測量等作業(yè)，為建設(shè)方提供了精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。

2.4 水底地形測量技術(shù)

傳統(tǒng)的水底地形測量技術(shù)具有誤差較高、作業(yè)效率較低等劣勢，主要原因為：傳統(tǒng)模式下，水底地形測量技術(shù)主要依賴經(jīng)緯儀、測距儀等工具，接著采用斷面法作為測量理論基礎(chǔ)，并結(jié)合測深錘進(jìn)行壩低水深數(shù)據(jù)的搜集。上述過程中，由于儀器精度不高，測量環(huán)境中未知因素較多，因此，對測量的精準(zhǔn)度帶來較大的負(fù)面影響。

近年來，隨著GPS、DGPS、CORS等技術(shù)的飛速發(fā)展，水底地形測量技術(shù)可依靠的儀器變得更為多元化。目前，業(yè)內(nèi)技術(shù)人員主要依賴衛(wèi)星定位技術(shù)與多波束探測儀之間的緊密配合，對大壩水底的地形進(jìn)行測量。在具體的測量過程中，技術(shù)人員依靠先進(jìn)的設(shè)備，將差分全球定位系統(tǒng)搜集的測量對象作為基準(zhǔn)參照點，而將多波束探測儀與GPS接收機(jī)作為測量信號的判定與接收裝置，接收裝置能夠?qū)y量儀器反饋回的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效接收，并明確測量的誤差與偽距之間的修正值。對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正是該種測量方法的一大特點，測量對象的參數(shù)能夠得到適時的修正，從而提升測量的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。例如，以CORS系統(tǒng)為核心的水底地形測量技術(shù)能夠?qū)y量的精準(zhǔn)度提升到厘米級別。

3 結(jié)束語

本文對水利水電工程項目測量技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)，并詳細(xì)探討了幾種典型水利水電工程測量技術(shù)的特點、應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容。相信隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提升，更多先進(jìn)的測量技術(shù)將會涌現(xiàn)出來，為我國水利水電工程的建設(shè)發(fā)展提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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