論智慧地球時代水利工程測量新技術(shù)

龔 振 文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

論智慧地球時代水利工程測量新技術(shù)

龔 振 文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

以云南溪洛渡水電站為例，論述了以實時采集和處理海量空間數(shù)據(jù)、能進行空間信息和智能決策為特征的智慧地球內(nèi)涵，探討了智慧測繪在工程控制網(wǎng)布設(shè)、地形測量和水利施工放樣、變形觀測和測繪信息系統(tǒng)等方面的應(yīng)用情況，最后提出了智慧地球時代水利工程測量的發(fā)展方向。

水利工程測量，智慧地球,發(fā)展

0 引言

云南地處橫斷山,高山深谷,縱橫交錯,湖泊眾多,地形復(fù)雜、起伏較大,高差達6 000 m,水資源總量位于全國第三，特別適合建設(shè)水利水電工程,而現(xiàn)代水利樞紐工程,其工程范圍大,建設(shè)周期長,建筑眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工環(huán)境復(fù)雜,沒有統(tǒng)一、高效快捷的現(xiàn)代測繪技術(shù)就無法滿足工程精度、進度及質(zhì)量、安全要求,也很難進行各建筑物協(xié)作施工,各設(shè)備協(xié)作安裝，采用常規(guī)工程測量技術(shù)將無法完成這一艱巨任務(wù)。

而21世紀隨著科學(xué)技術(shù)飛速進步,空間技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將深徹底改變傳統(tǒng)工程測量方式,極大提高水利工程測量的效率及技術(shù)水平。

1 工程概述

溪洛渡水電站地處云南永善縣,金沙江下游，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等綜合效益的巨型水電站，是目前世界上最大的地下洞室群工程。電站樞紐由攔河壩、引水發(fā)電系統(tǒng)及泄洪建筑物組成，其中引水發(fā)電建筑物由水電站進水口、壓力管道、主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞、出線井(包括下平洞、豎井下段、上平洞、豎井上段及地面出線場)、通排風(fēng)系統(tǒng)及地下防滲排水系統(tǒng)等建筑物組成，全部為地下洞室工程，包括導(dǎo)流洞、泄洪洞。

2 智慧地球時代測繪新技術(shù)

智慧地球是以數(shù)字地球為基礎(chǔ)，通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接現(xiàn)實世界，感知現(xiàn)實世界中的人和物，應(yīng)用云計算進行計算與控制，為社會發(fā)展和大眾生活提供智能信息。內(nèi)容有位置云、遙感云、空天地一體化的傳感網(wǎng),實時GIS、視頻與GIS的融合，智能手機、室內(nèi)與地下空間定位以及導(dǎo)航、空間數(shù)據(jù)挖掘等等。位置云將手機接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號與其他定位相關(guān)的傳感器信息，通過云計算實時室內(nèi)外高精度位置數(shù)據(jù),遙感云是用云計算充分共享各種復(fù)雜分析和處理算法以及相關(guān)經(jīng)驗，高效獲得各行業(yè)所需遙感的數(shù)據(jù)。

3 水利工程各階段的測繪新技術(shù)應(yīng)用

3.1 位置云、遙感云技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計階段的測量工作

金沙江溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣之間的溪洛渡大橋上游,下距宜賓市河道里程約184 km。本工程水庫位于四川省涼山彝族自治州與云南省昭通市交界的金沙江峽谷中，淹沒影響涉及四川、云南兩省沿江的九個縣(區(qū))，其中南岸為云南省昭通市的永善、朝陽、巧家、魯?shù)樗膫€縣(區(qū))。地形起伏非常大，地勢險峻,用常規(guī)測量儀器將十分困難，應(yīng)用遙感云以自然的語言解譯遙感圖像，獲得流域規(guī)劃水資源數(shù)據(jù)。測繪項目區(qū)地形圖,河流的橫斷面及水下地形圖,為流域規(guī)劃、水電站梯級開發(fā)方案、壩址選擇提供依據(jù),用位置云進行水電站1∶500,1∶1 000的地形圖測繪，用空天地一體化的傳感網(wǎng)建立地形,地質(zhì)的三維模型,由此進行壩體、導(dǎo)流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑數(shù)字化設(shè)計?？傊梦恢迷?、遙感云技術(shù)、空天地一體化的傳感網(wǎng)可實時進行大壩、地下洞群、廠房等三維布置,可多方案的比選、進行方案可視化,高效、快速的優(yōu)化設(shè)計。

3.2 位置云、遙感云,室內(nèi)與地下空間定位技術(shù)應(yīng)用于施工階段的測量工作

1)位置云應(yīng)用于控制網(wǎng)測量。

由于水電站是大型工程，應(yīng)用位置云實時獲得首級施工控制網(wǎng),加密施工控制網(wǎng)的三維坐標,為水電站各部位細部施工放樣提供依據(jù)。

2)位置云應(yīng)用于大型水電站的施工測量。

當進行水工隧洞施工測量時,用位置云技術(shù)進行洞外、洞內(nèi)控制測量、聯(lián)系測量、隧洞中心線放樣、開挖斷面和襯砌斷面的放樣等測量工作,也可用于進行大壩的施工放樣包括壩軸線的測設(shè)、清基中的放樣工作、壩體分塊控制線的測設(shè)、壩體澆筑中的放樣工作，也可進行水電站廠房施工控制網(wǎng)的建立、基礎(chǔ)開挖測量、廠房建筑放樣測量等設(shè)備機組的安裝測量。位置云的應(yīng)用使得放樣工作高效,快捷,實現(xiàn)了智慧放樣。

3)室內(nèi)與地下空間定位技術(shù)應(yīng)用。

溪洛渡水電站地下工程測量工作量巨大,需應(yīng)用先進測量技術(shù),在水工隧洞中GPS無法使用，應(yīng)采用傳感器和地面無線信號方式進行定位。就可進行水工隧洞開挖輪廊線放樣，測量開挖的斷面，進行竣工斷面圖及澆筑回填情況的測繪工作。如加上TMS隧道測量技術(shù)，測量人員只需要進行簡單的操作，就可以使機載程序驅(qū)動全站儀自動測量，可完成隧道測量各項工作。TMS隧道測量技術(shù)大大提高了測量的精度和效率。

3.3 水電站運營管理階段變形監(jiān)測

由在變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用GPS 、三維激光掃描儀、測量機器人、D-InSAR組成位置云自動完成大壩觀測點的采集、傳輸、處理、分析、變形危害預(yù)警等工作。將實現(xiàn)多層次集成化變形監(jiān)測,將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化處理與分析變形數(shù)據(jù)。

對水電站各水工建筑及設(shè)施進行三維仿真,分析處理安全監(jiān)測數(shù)據(jù),并進行動態(tài)模擬;能直觀、快捷、準確地了解和分析建筑物的安全狀況,作出科學(xué)決策。利用計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、微電子、3S技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng))等一系列高新技術(shù)對水利行業(yè)進行全面技術(shù)升級和改造，建造數(shù)字水利，能很大程度提高水利施工的安全性、可靠性、高效性，提高大壩安全監(jiān)測的自動化、智能化水平，也能進行水電站的監(jiān)測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、生產(chǎn)、決策,使水電站更安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行。

3.4 現(xiàn)代測繪技術(shù)應(yīng)用于水利工程規(guī)劃設(shè)計及管理

1)云計算應(yīng)用于水利工程建設(shè)管理。

云計算指通過網(wǎng)絡(luò)獲得應(yīng)用所需的資源及服務(wù)(硬件、平臺、軟件),它能實現(xiàn)水利工程規(guī)劃、設(shè)計,計算軟件高效開發(fā)及共享，能把水利工程現(xiàn)場施工質(zhì)量和進度監(jiān)控數(shù)據(jù)通過云網(wǎng)站，實時傳輸至數(shù)據(jù)中心，進行實時分析和處理，實時提供智能信息服務(wù)和控制。為工程施工監(jiān)控管理提供決策支持，保證了工程質(zhì)量,安全與穩(wěn)定，實現(xiàn)了水利建設(shè)項目在線監(jiān)管,互聯(lián)網(wǎng)、平板電腦、傳感設(shè)備等新技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用將全面實現(xiàn)水利工程設(shè)計的數(shù)字化,信息化，智能化?？傊朴嬎銓⑷鎽?yīng)用到水利工程全過程,包括水利工程智能化方案咨詢、規(guī)劃設(shè)計、定制開發(fā)、設(shè)備提供、施工管理、系統(tǒng)集成及增值服務(wù)。

2)移動GIS在水利工程中的應(yīng)用。

該系統(tǒng)是以移動互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以智能手機或平板電腦為終端、結(jié)合GNSS或基站為定位手段的GIS系統(tǒng)。這種智能工程客戶端通過拍照獲得逼真的三維地形圖。由智能工程客戶端通過云數(shù)據(jù)庫得到相關(guān)水文資料，再結(jié)合工程設(shè)計標準，通過一個專業(yè)的壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件形成一系列滿足安全和強度要求的壩體結(jié)構(gòu)。最后，我們可以把經(jīng)濟可接受條件、工期要求、淹沒范圍、對當?shù)毓拍疚奈锏挠绊懙戎T多方面作為約束條件，在這個“壩群”中尋找最優(yōu)解即為最終設(shè)計壩體，為實際工程設(shè)計提供初步設(shè)計成果。建立局域網(wǎng)絡(luò)，通過手機上的各類傳感器建立一個動態(tài)的、智能的施工進度宏圖。這個宏圖系統(tǒng)最大化可以觀察整個項目的施工現(xiàn)場，最小化可以測量每個施工地點的溫度，氣候變化等具體施工條件，并通過云計算給出智能高效的任務(wù)分配。這樣，可以迅速高效的應(yīng)對突發(fā)狀況，在危險即將到來時云端向設(shè)計部門給出各種所需參數(shù)并返回實時畫面，幫助設(shè)計人員第一時間制定排危方案。

3)空間信息網(wǎng)格應(yīng)用于水利工程。

它是在信息網(wǎng)格上運行的天、空、地一體化地球空間數(shù)據(jù)獲取、信息處理、知識發(fā)現(xiàn)和智能服務(wù)的新一代整體集成的實時/準實時空間信息系統(tǒng)。由位置云、遙感云、空天地一體化的傳感網(wǎng)進行水電站測區(qū)的空間分析、預(yù)測、決策，完成水電站工程規(guī)劃設(shè)計及管理工作。它可為水電站工程選址、大壩及堤防,各水工建筑,水電站廠房的規(guī)劃、設(shè)計、施工管理工作提供信息服務(wù)。

4)泛在測繪技術(shù)應(yīng)用于水利工程。

泛在測繪是可使用戶隨時隨地創(chuàng)建和使用地圖來解決空間問題的能力或環(huán)境,應(yīng)用三維實時實景數(shù)字地圖技術(shù),智能感知網(wǎng),實時信息獲取技術(shù)：實時衛(wèi)星定位技術(shù)、激光掃描等移動測圖技術(shù)，智能傳感技術(shù)、攝影測量與遙感技術(shù)、視頻測圖技術(shù),高速信息傳遞技術(shù)：泛在網(wǎng)絡(luò)，智能信息處理技術(shù)：三維建模及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，泛在測繪技術(shù)為水電站規(guī)劃設(shè)計及管理提供優(yōu)質(zhì)信息服務(wù)區(qū),并對水庫水情,生態(tài)環(huán)境,大壩安全進行實時性監(jiān)測及分析。

4 智慧地球時代水利工程測量新技術(shù)的展望

空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是通過數(shù)據(jù)鏈路把空間各種衛(wèi)星及地面、海上、空中和深空中的用戶、飛行器以及各種通信平臺進行互聯(lián)互通，在空間平臺(衛(wèi)星)進行信息準確獲取、快速處理和高效傳輸?shù)囊惑w化高速寬帶大容量信息網(wǎng)絡(luò)，它是把陸基、天基、空基一體化的綜合對地觀測網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)時空信息加工與處理的自動化、智能化與實時化,該系統(tǒng)可應(yīng)用到水電站中流域水資源調(diào)查,規(guī)劃,水資源開發(fā)方案論證,洪水預(yù)報,大壩安全監(jiān)測,水電站庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及救災(zāi),水電站安全運行及堤防,各水工建筑,水電站廠房、公路、橋梁、隧道工程規(guī)劃設(shè)計管理在線監(jiān)測,實現(xiàn)實景化水電站工程規(guī)劃設(shè)計管理。

把互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于水利工程,建立水利工程局域網(wǎng)絡(luò),利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，提高水利工程測量數(shù)據(jù)的供給和共享能力,利用互聯(lián)網(wǎng)平臺提供工程測量數(shù)據(jù)綜合服務(wù)，進行工程測量數(shù)據(jù)和地理信息成果在線服務(wù)，可以在互聯(lián)網(wǎng)背景下進行水電站規(guī)劃,設(shè)計,管理工作。

5 結(jié)語

智慧地球能自動獲得數(shù)據(jù),應(yīng)用云計算進行實時分析和處理，實時提供智能信息服務(wù),以實現(xiàn)對人和物的感知、控制和智能服務(wù)。而互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)組成智慧測繪技術(shù)在水利工程中的創(chuàng)新應(yīng)用，是能夠?qū)崟r、智能地采集和處理海量空間數(shù)據(jù)，為水利工程提供空間信息和智能知識服務(wù)的智慧測繪，使水利工程中規(guī)劃,設(shè)計,管理工作實現(xiàn)數(shù)字化、一體化、智慧化,使云南水資源開發(fā)更環(huán)保，規(guī)劃方案更科學(xué)合理，工程設(shè)計、施工、管理更精準及高效。

[1] 李德仁.智慧地球時代測繪地理信息學(xué)的新使命[J].測繪科學(xué)，2012(11)：19-25.

[2] 祝細根.溪洛渡水電站泄洪洞開挖施工測量技術(shù)[J].人民長江，2009(3)：39-41.

[3] 周 冰.工程測量中的測繪新技術(shù)研究[J].測繪與空間地理信息，2012(2)：77-80.

Discussion on new hydraulic engineering measurement technology in smarter planet times

Gong Zhenwen

(CollegeofHydraulic,YunnanUniversityofAgriculture,Kunming650201,China)

Taking Yunnan Xiluodu hydropower station as an example, the paper discusses contents of smarter planet, such as timely collection, processing massive spatial data, spatial information and intelligent decision, explores the application conditions of smarter mapping in engineering controlling network setting, morphology measurement, hydraulic construction sampling, deformation detection and mapping information system and so on, and finally puts forward the development trend of hydraulic engineering measurement in smarter planet times.

hydraulic engineering measurement, smarter planet, development

2015-06-27

龔振文(1963- )，男，副教授

1009-6825(2015)25-0208-02

TU198

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