論水電站工程測(cè)量技術(shù)及測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用

龔 振 文

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

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論水電站工程測(cè)量技術(shù)及測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用

龔 振 文

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

以云南龍盤(pán)水電站為例，闡述了水電站工程測(cè)量?jī)?nèi)容，探討了測(cè)繪新技術(shù)在水利控制網(wǎng)布設(shè)、地形測(cè)量和水利施工放樣、變形觀測(cè)和測(cè)繪信息系統(tǒng)等方面的應(yīng)用情況，并分析了水利工程的測(cè)量發(fā)展方向，以降低水電工程勘測(cè)的難度和工作量。

水電站，測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)，信息系統(tǒng)

0 引言

云南地處云貴高原,山高坡陡,河流縱橫,高差變化較大,地廣人稀,而水利工程常建在邊遠(yuǎn)地區(qū),山高路遠(yuǎn),遠(yuǎn)離城區(qū),交通不便,測(cè)量工作難以開(kāi)展，而常規(guī)水利工程測(cè)量還僅限地面觀測(cè)技術(shù)，無(wú)當(dāng)今“天地一體化觀測(cè)”方式,手段單一,觀測(cè)技術(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，耗時(shí)耗力,是小地區(qū)測(cè)量,精度無(wú)法保證，不是按需測(cè)繪，應(yīng)用范圍和服務(wù)對(duì)象局限性較大，不能高效快速完成測(cè)繪工作。如采用信息化測(cè)繪技術(shù),就能在大范圍,高精度,全過(guò)程為水利工程提供優(yōu)質(zhì)地理信息服務(wù)，保證大壩的施工質(zhì)量和在計(jì)劃工期內(nèi)竣工。水電站工程測(cè)量由規(guī)劃設(shè)計(jì)階段地形圖測(cè)繪,施工階段放樣工作,水電站發(fā)電生產(chǎn)階段變形監(jiān)測(cè)組成，涉及內(nèi)容多,施工周期長(zhǎng),需測(cè)繪的范圍廣、常規(guī)測(cè)繪技術(shù)已無(wú)法勝任高效,快速,精確，全程的工作。

1 工程概述

龍盤(pán)水電站處云南省金沙江中游河段,石鼓鎮(zhèn)沿金沙江向下游48 km,在著名景點(diǎn)虎跳峽附近，到麗江市有80.5 km，到香格里拉縣有96 km。龍盤(pán)上游地形平坦開(kāi)闊，適合建水庫(kù)，總裝機(jī)容量420萬(wàn)kW，水庫(kù)正常蓄水位為2 010 m。總庫(kù)容371億m3，水庫(kù)建成能對(duì)下游水電站進(jìn)行庫(kù)容調(diào)節(jié)。工程總投資326億元,其水位落差達(dá)187 m(見(jiàn)圖1)。

2 水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的測(cè)量工作

1)機(jī)載激光掃描技術(shù)應(yīng)用于流域規(guī)劃階段的測(cè)量。

機(jī)載激光掃描技術(shù)運(yùn)用于大型工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的1∶200,1∶500地形圖測(cè)繪,測(cè)定局部地區(qū)河流的橫斷面,RTK技術(shù)測(cè)繪水下地形圖,在圖上進(jìn)行整個(gè)流域規(guī)劃，規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案，合理地選擇樞紐的位置和分布。在進(jìn)行梯級(jí)布置時(shí)，測(cè)定局部地區(qū)河流的橫斷面及水下地形圖。

2)用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量繪制大比例地形圖,建立數(shù)字水電。

金沙江虎跳峽地區(qū)山高坡陡,地勢(shì)險(xiǎn)峻,用常規(guī)測(cè)量?jī)x器將十分困難，而將三維激光掃描技術(shù)用于水電站1∶500,1∶1 000的地形圖測(cè)繪，與GPS結(jié)合,當(dāng)作超站儀使用,測(cè)站坐標(biāo)由GPS獲得，自由設(shè)站。三維激光掃描儀獲得地形、地貌數(shù)據(jù),經(jīng)內(nèi)業(yè)處理高效完成電站地區(qū)地形圖測(cè)繪任務(wù)，并以逼真的影像建立地形,地質(zhì)三維模型,如把壩體、導(dǎo)流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑,各種設(shè)備、管線的三維模型疊加上,實(shí)現(xiàn)水電站數(shù)字化設(shè)計(jì)和管理(見(jiàn)圖2)。

3)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到水電站工程。

采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪水電站項(xiàng)目區(qū)的地形圖,立面圖，斷面圖，三維影像。從測(cè)繪成果能實(shí)時(shí)獲取工程建設(shè)過(guò)程,以及竣工后的工程數(shù)據(jù)和地理信息，實(shí)時(shí)傳輸給工程監(jiān)理人員檢查施工質(zhì)量,為工程竣工驗(yàn)收提供資料,而工程運(yùn)營(yíng)期也可進(jìn)行變形觀測(cè)。

4)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)的建立及應(yīng)用。

由無(wú)人機(jī)拍照水電站區(qū)域的航空攝像片，通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，繪制地形圖。用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取水電站區(qū)域綜合地質(zhì)信息,把無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星遙感技術(shù)所獲地形，地質(zhì)信息疊加并輸入到GIS中，在此系統(tǒng)完成水電站工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，施工，管理、決策工作。并為水電站項(xiàng)目立項(xiàng)，可研、綜合評(píng)估，方案論證，決策，水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)等工作提供強(qiáng)有力的地理信息保障。在三維GIS中進(jìn)行水電站工程選址工作,可實(shí)時(shí)調(diào)整大壩、地下洞群、廠房等三維布置,可多方案的比選、進(jìn)行方案可視化,高效,快速的優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)。

5)應(yīng)用全景真三維技術(shù)進(jìn)行水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)管理。

全景真三維技術(shù)用機(jī)載方式獲取的多角度傾斜影像數(shù)據(jù)，或用機(jī)載激光掃描系統(tǒng)獲取的地面高程數(shù)據(jù),全自動(dòng)化的直接生成全景真三維立體影像，全景系統(tǒng)可以為水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理提供形象,直觀,詳實(shí)的地理信息。它也可實(shí)時(shí)把水電站周圍的山體滑坡,坍塌等地質(zhì)災(zāi)害情況,水旱災(zāi)害情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全景圖像獲取，用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，使建設(shè)管理部門(mén)在第一時(shí)間掌握災(zāi)情，及時(shí)做出正確的決策，也可實(shí)時(shí)把水電站施工期,運(yùn)營(yíng)期的全景真三維立體影像實(shí)時(shí)采集為優(yōu)化水電站規(guī)劃,設(shè)計(jì),管理工作提供第一手形象,直觀,詳實(shí)的工程圖像資料(見(jiàn)圖4)。

3 水電站建設(shè)施工階段的測(cè)量工作

1)控制網(wǎng)測(cè)量。

由于水電站是大型工程，首級(jí)GPS平面控制網(wǎng)按二等GPS控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，加密控制測(cè)量網(wǎng)按三,四等GPS控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè),它能實(shí)時(shí)得到測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。目前正被廣泛應(yīng)用于中小型的水電站施工平面控制網(wǎng)測(cè)量中,同時(shí)它也適合于水電站等部位的施工定位。

2)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK或單基站GPS連續(xù)運(yùn)行參考站進(jìn)行大型水電站的施工測(cè)量。

網(wǎng)絡(luò)RTK是多基站RTK,服務(wù)范圍大,應(yīng)用內(nèi)容廣,基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星的信號(hào)，存儲(chǔ)和發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，用服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)差分服務(wù)和用戶管理，用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)把基準(zhǔn)站網(wǎng),流動(dòng)站和數(shù)據(jù)處理連成一個(gè)系統(tǒng)，極大提高了精度和可靠性。當(dāng)進(jìn)行水工隧洞施工測(cè)量時(shí),洞外控制測(cè)量采用GPS技術(shù)、洞內(nèi)控制測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量、隧洞中心線放樣、開(kāi)挖斷面和襯砌斷面的放樣等測(cè)量工作采用測(cè)量機(jī)器人來(lái)完成,用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行大壩的施工放樣包括壩軸線的測(cè)設(shè)、清基中的放樣工作、壩體分塊控制線的測(cè)設(shè)、壩體澆筑中的放樣工作，用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)也可進(jìn)行水電站廠房施工控制網(wǎng)的建立、基礎(chǔ)開(kāi)挖測(cè)量、廠房建筑放樣測(cè)量等。在建立廠房控制網(wǎng)時(shí)，其點(diǎn)位精度和點(diǎn)位分布都應(yīng)考慮機(jī)組的安裝測(cè)量。用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)安裝測(cè)量，包括閘門(mén)、壓力管道、機(jī)組設(shè)備放樣，單基站GPS連續(xù)運(yùn)行參考站應(yīng)用使測(cè)量和放樣高效,快捷,精度均衡分布,減少了因技術(shù)水平不等的人為因素(見(jiàn)圖5)。

3)用GIS建立工程測(cè)量信息系統(tǒng)。

由工程測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù),三維數(shù)字地形模型,工程三維模型及可進(jìn)行信息可視化查詢、分析、統(tǒng)計(jì)的軟件組成的工程測(cè)量綜合信息系統(tǒng),可對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、發(fā)布,進(jìn)行水工建筑物施工全過(guò)程的三維全景展示，達(dá)到信息的高效利用。為水電站工程的規(guī)劃設(shè)計(jì),施工管理提供信息服務(wù)。

4 水電站運(yùn)營(yíng)管理階段變形監(jiān)測(cè)

1)用GPS、三維激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人、D-InSAR進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。

用測(cè)量機(jī)器人可固定的測(cè)站上架設(shè)儀器，由遠(yuǎn)程在線監(jiān)控管理,自動(dòng)完成大壩觀測(cè)點(diǎn)的采集、傳輸、處理、分析、變形危害預(yù)警等工作。也可用1臺(tái)GPS接收機(jī),多天線布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)技術(shù)完成大壩安全監(jiān)測(cè),也可用GPS連續(xù)運(yùn)行參考站對(duì)大壩工程建設(shè)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)，也可用中程激光掃描儀進(jìn)行大壩的變形監(jiān)測(cè)?？煽朔皵z影測(cè)量,GPS及測(cè)量機(jī)器人的點(diǎn)少,不能全覆蓋的缺點(diǎn),能高效快速得到高密度高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，近乎復(fù)制式的大壩變形監(jiān)測(cè)。因此在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用GPS、三維激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人、D-InSAR等最新測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)獲取自動(dòng)化；將實(shí)現(xiàn)多層次集成化變形監(jiān)測(cè)的設(shè)備；將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化處理與分析變形數(shù)據(jù)。

2)用三維GIS進(jìn)行變形數(shù)據(jù)分析,險(xiǎn)情模擬,預(yù)警。

用三維GIS建立水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)水電站各水工建筑及設(shè)施進(jìn)行三維仿真,分析處理安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬;能直觀、快捷、準(zhǔn)確地了解和分析建筑物的安全狀況,作出科學(xué)決策。

5 3S技術(shù)應(yīng)用于水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理

3S集成把GPS技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)融為一體，由GPS和RS向GIS輸送海量的水電站測(cè)區(qū)地形,地貌等空間數(shù)據(jù)，由GIS進(jìn)行水電站測(cè)區(qū)的空間分析、預(yù)測(cè)、決策，完成水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理工作。

水電站工程規(guī)劃需大量地形,地貌,水文,地質(zhì)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各方面信息,而RS和GPS的結(jié)合能夠?yàn)樗娬竟こ桃?guī)劃提供大量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，GIS可把RS和GPS所測(cè)繪得到的各種數(shù)據(jù)裝進(jìn)電腦,進(jìn)行可視化的規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理、監(jiān)測(cè),如水電站工程的總體布局方案比選、論證、分析、評(píng)估,模擬水電站工程的環(huán)境、生態(tài)影響，也可進(jìn)行水電站工程景觀地規(guī)劃、水電站工程環(huán)境及生態(tài)規(guī)劃、水電站工程交通規(guī)劃等。3S可用在庫(kù)區(qū)空間形態(tài)、地形地貌地質(zhì)構(gòu)造、三維水流流動(dòng)的展示,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行水電站工程選址、大壩及堤防,各水工建筑,水電站廠房的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工管理工作，例如水電站建設(shè)淹沒(méi)范圍,移民安置規(guī)劃、農(nóng)業(yè)灌溉用水渠道選線及環(huán)境影響評(píng)價(jià)、防洪規(guī)劃、水電站工程抗震設(shè)計(jì)、金沙江河道管理、水電站工程物料貯運(yùn)管理。

總之3S技術(shù)觀測(cè)、分析、預(yù)測(cè)、決策的各種信息接入水電站勘測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng),工程測(cè)量信息系統(tǒng),電站日常管理辦公系統(tǒng)，加上實(shí)時(shí)三維GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能形成“天地一體化”的大測(cè)繪系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)。能實(shí)時(shí)為規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理部門(mén)提供海量信息,以便作出科學(xué)決策,因此3S集成具有實(shí)時(shí)采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能,是新地理信息時(shí)代的智慧測(cè)繪手段(見(jiàn)圖7)。

6 水電站工程測(cè)量技術(shù)的展望

把網(wǎng)絡(luò)RTK超站儀、測(cè)量機(jī)器人，三維激光掃描系統(tǒng)，CORS，RTK，3S集成系統(tǒng)等應(yīng)用到水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì),施工放樣及變形監(jiān)測(cè)是工程測(cè)量技術(shù)一次全新顛覆性的技術(shù)革命。地面三維激光掃描技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、大范圍地獲得地面三維信息，明顯降低了水電工程中勘測(cè)的難度和工作量，用GPS連續(xù)運(yùn)行參考站

及RTK系統(tǒng)與測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行測(cè)量工作可提高工作效率，適應(yīng)信息社會(huì)信息化測(cè)繪的要求。應(yīng)用GIS技術(shù)建立工程測(cè)量信息系統(tǒng)，把水電站工程測(cè)量各階段測(cè)繪成果裝入工程測(cè)量信息系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息,水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì),施工,管理人員隨時(shí)方便查詢,利用相關(guān)工程地形,地質(zhì)等信息,為優(yōu)化設(shè)計(jì),工程順利進(jìn)行,保證施工質(zhì)量,大壩的安全運(yùn)行保駕護(hù)航,為工程全過(guò)程提供測(cè)繪技術(shù)支持和保障。

用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)，航空與航天技術(shù)，獲取影像,按照統(tǒng)一坐標(biāo)無(wú)縫拼接而成可以迅速建立基于真實(shí)影像的三維數(shù)字水電站，人們可以直觀的從三維水電站上判讀出山川、河流、道路,提供給使用者一個(gè)與真實(shí)生活環(huán)境一樣的三維水電站環(huán)境。通過(guò)對(duì)三維水電站的數(shù)字化管理，為水電站建設(shè)、企業(yè)管理、險(xiǎn)情監(jiān)控提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務(wù)，提高水電站整體信息化管理和經(jīng)營(yíng)管理水平。使水電站規(guī)劃，設(shè)計(jì)、管理，決策科學(xué)化、實(shí)時(shí)化、數(shù)字化、高效化、信息化。

將來(lái)用物聯(lián)網(wǎng)把水電站中的大壩及堤防,各水工建筑,水電站廠房、公路、橋梁、隧道等相連。加上實(shí)景三維技術(shù)、3S技術(shù)及網(wǎng)絡(luò),能實(shí)時(shí)觀測(cè)水電站工程全景,就能實(shí)現(xiàn)實(shí)景化水電站工程規(guī)劃設(shè)計(jì)管理，實(shí)現(xiàn)可視、可量測(cè)、可分析、可決策的智慧測(cè)繪,工程測(cè)量將進(jìn)入實(shí)時(shí)化、數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集及處理、網(wǎng)絡(luò)化、社會(huì)化的測(cè)繪成果服務(wù)的信息化測(cè)繪時(shí)代。

7 結(jié)語(yǔ)

測(cè)繪新技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，使傳統(tǒng)水利工程測(cè)量技術(shù)發(fā)生全新的變革，全面應(yīng)用到水電站地形測(cè)繪，施工放樣，竣工測(cè)量。信息化測(cè)繪將在水電站勘測(cè)、施工、監(jiān)測(cè)、管理方面全面應(yīng)用。未來(lái)的水利工程測(cè)量將是“天地一體化”的立體測(cè)繪,將是能夠?qū)崟r(shí)、智能地采集和處理海量空間數(shù)據(jù)，提供空間信息和知識(shí)服務(wù)的信息化測(cè)繪,智慧測(cè)繪。

[1] 鄢文生.解析水利工程施工測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(2)：59-60.

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Discussion on the application of hydro power station engineering measurement technology and surveying and mapping new technology

Gong Zhenwen

(WaterResourcesCollege,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

Taking the Yunnan Longpan hydro power station as an example, this paper introduced the measurement contents of hydro power station engineering, discussed the application situation of surveying and mapping new technology in hydraulic control network layout, topographic measurement and water conservancy construction lofting, deformation observation and surveying and mapping information system and other aspects, and analyzed the measurement development direction of water conservancy project, in order to reduce the difficulty and workload of hydro power engineering survey.

hydro power station, measurement, 3D laser scanning, information system

1009-6825(2015)05-0179-03

2014-12-09

龔振文(1963- )，男，副教授

TU198

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