GPS-RTK+南方CAS S在中小型水庫庫容測量中的應用

（臨武縣水務局郴州市424300）

GPS-RTK+南方CAS S在中小型水庫庫容測量中的應用

鄧國法

（臨武縣水務局郴州市424300）

隨著GPS-RTK技術(shù)的廣泛應用，南方CASS地形地籍成圖軟件強大的繪圖及計算功能?，F(xiàn)代化的測量技術(shù)及繪圖計算方法將得到大力發(fā)展及推廣，文章結(jié)合臨武縣中小型水庫庫容測量的實際經(jīng)驗，綜合介紹了GPS-RTK+南方CASS在中小型水庫庫容測量中的具體應用，該方法和測量經(jīng)驗可供中小型水庫庫容測量參考。

GPS－RTK南方CASS庫容測量

中國中小型水庫分布范圍廣、數(shù)量大，直接關(guān)系當?shù)孛裆?jīng)濟及社會效益。但許多中小型水庫庫容曲線精度低或沒有庫容曲線，直接影響到水庫的防洪安全及灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)電等效益。面對嚴峻的抗洪減災，防汛抗旱工作任務，如何獲得高精度的庫容曲線是每座水庫運行管理部門急需解決的難題。傳統(tǒng)的野外測繪工作因投入大，耗時長、精度低等原因已被淘汰。GPS動態(tài)相位差分技術(shù)RTK可實時獲得厘米級的三維坐標，野外數(shù)據(jù)采集速度快、精度高、無累積誤差,操作簡便,作業(yè)人員少等，南方CASS地形地籍成圖軟件工程應用模塊中集成的土方計算功能，適用于復雜地形的庫容計算，具有操作簡單，計算準確的優(yōu)點。GPS－RTK+南方CASS庫容測量技術(shù)可在中小型水庫庫容測量中推廣運用。

1 庫容數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

臨武縣地處湖南省最南部，2015年底統(tǒng)計，臨武縣登記注冊中小型水庫共83座，從2003年開始水庫除險加固，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)臨武縣區(qū)域內(nèi)水庫部分庫容數(shù)據(jù)缺失，部分庫容數(shù)據(jù)精度低，可利用價值不高。其原因如下：

（1）臨武縣83座水庫中有53座修建于20世紀50～60年代，限于當時的歷史條件及投入不足，缺少地形圖，無庫容數(shù)據(jù)。部分水庫庫容數(shù)據(jù)是在1∶10 000地形圖上量算得出，各項誤差較大。

（2）水庫經(jīng)過多年的后期開發(fā)利用，如修建公路、水庫圍堰、土石方開挖、清淤改造等必定造成庫容變化大；且水庫長期運行，部分水庫淤積嚴重。

（3）水庫除險加固后，壩頂或溢洪道高程發(fā)生變化。水庫特征參數(shù)變化，無對應庫容數(shù)據(jù)。

（4）所有中小型水庫均無大比例尺庫區(qū)地形圖或數(shù)字化地形圖，無法找到建設(shè)時保存完好的控制點，庫容曲線及水庫水位無法對應使用。

以上原因造成庫容數(shù)據(jù)缺失及嚴重的不準確，水庫運行管理部門無法對水庫的日常運行及度汛抗旱工作進行管理。更為嚴重的是影響水庫防洪安全以及水庫效益的發(fā)揮，威脅人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。為從根本上解決以上問題，2012年11月臨武縣水務局組建了中小型水庫測繪隊，全面展開臨武縣中小型水庫地形測量及庫容測量。

2 測量方法和過程

2.1 GPS－RTK測量

常規(guī)測量作業(yè)方法在庫容測量中的缺點：中小型水庫多地處山區(qū)，交通困難，甚至只能步行到水庫。工程工期緊，任務重大，精度要求高，需投入大量的人力和設(shè)備，測量精度難以保障。雖然GPS水下地形測量在庫容測量中的優(yōu)勢非常明顯，且不用降低水位。但對于數(shù)量眾多，交通不便，工作經(jīng)費有限的中小型水庫還是有他的局限性。水下地形測量作業(yè)系統(tǒng)要攜帶GPS設(shè)備、數(shù)字化測深儀、測量船、筆記本電腦及其他工具、繩索、吊具設(shè)備等，水下地形測繪團隊人員多，技術(shù)要求高，需配備專業(yè)測量船駕駛員，縣級水利部門很難配置。

實時動態(tài)測量系統(tǒng)（Reak time kinematic）簡稱RTK，GPS－RTK測量以精度高、控制點及測站之間不要求通視，觀測時間短，不受天氣及夜間限制，可全天候作業(yè)，效率高，自動化程度高，操作簡便?？蓪崿F(xiàn)測繪過程自動化、測繪產(chǎn)品數(shù)字化、提高了作業(yè)效益和成圖精度，體現(xiàn)了高科技測繪技術(shù)的高效性和科學性，同時地形圖后期修補測更為方便。

2.2 儀器設(shè)備、人員配置

本次測繪采用的儀器是南方RTK S86－2013,可接收我國自主研發(fā)的BDS北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、美國GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等3個國家的衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)。多星座、多頻段接收使RTK外置電臺典型作業(yè)半徑8 km，平面精度達到±1 cm+1 ppm，高程精度達到±2 cm+1 ppm，完全滿足庫容測量精度要求。同時S86－2013內(nèi)置了發(fā)射電臺，收發(fā)一體內(nèi)置電臺，打破了基準站與移動站之間的界限，兩者之間可完全互換使用，內(nèi)置電臺可以不攜帶電瓶、外置電臺、天線，只需攜帶2～3臺GPS－RTK主機就可完成測量，內(nèi)置電臺大大減少了測量設(shè)備的攜帶，省略了外置電臺架設(shè)工作，且測量點位精度不受影響。使用內(nèi)置電臺可以在（3～5）km半徑范圍內(nèi)進行RTK測量，非常適合中小型水庫庫容測量。為節(jié)約開支，提高效率，本次測繪采取最精煉人員配置組合：主測1人，跑尺員2人，小工1～2人，車輛1臺，南方S86－2013 GPS－RTK 3臺套（1+ 2組合施測，1臺基準站，兩臺移動站），隨車備用連體雨褲和充氣船，測繪組合工具包1套，照相機1臺，根據(jù)庫區(qū)地形地貌確定是否架設(shè)外置電臺。其他具體施測時，視水庫測區(qū)條件及測量人員的配備而定。

2.3 外業(yè)測繪

2.3.1 建立水庫永久控制點

施測人員到達水庫后，首先按照測繪技術(shù)要求進行現(xiàn)場踏勘選點，埋設(shè)永久控制點。原則如下：

（1）一般一座水庫要建立4個以上永久控制點。

（2）控制點選擇在易于安置接收設(shè)備、視野開闊的位置，控制點周圍15°以上不應有高大障礙物，避免吸收或遮擋GPS信號。

（3）控制點應遠離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線，避免電磁場干擾GPS信號。

（4）控制點附近不應有大面積水域或強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，減弱多路徑效應的影響。

（5）控制點應選擇有利于其他觀測手段擴展與聯(lián)測的地方，地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點位保存、交通方便。

（6）當利用原有控制點時，應對原有控制點的穩(wěn)定性、完好性，是否安全可用做檢查，符合要求方可利用。

2.3.2 架設(shè)儀器、設(shè)置參數(shù)

圖1 萬水洞水庫施測時架站實況

基準站架設(shè)儀器采用了自由設(shè)站方法（圖1），根據(jù)測區(qū)情況，將基準站架設(shè)在任意位置。在實際操作過程中體驗到其優(yōu)點是：①基準站不用架設(shè)在已知點上，可根據(jù)情況任意架設(shè)，可選擇更安全、更方便、更有利、更空曠的地理位置。②可提高精度，由于基準站可以任意位置架設(shè)，基準站可架設(shè)在控制點與測區(qū)中間，縮小基準點與移動站之間距離，提高點位精度。③自由設(shè)站不需要嚴格對中整平，方便快捷，省時省力，減少了對中誤差的影響；不用量取儀器高，最大限度地減少量取誤差，提高精度；只要把基準站固定整平即可，移動站接收到基準站差分信號出現(xiàn)固定解后便可以開始測量?；鶞收炯茉O(shè)時應當選擇較好的位置（圖2），要注意以下幾個要求：①基準站應架設(shè)于交通方便、視野開闊的地方，周圍沒有較大障礙物。②鄰近不應有強電磁輻射源，減少干擾。③基準站應選擇地勢相對較高的地方以擴大電臺的作用距離。④地形地面穩(wěn)固，防止基準站架設(shè)不穩(wěn)定。本次水庫測量多采用自由設(shè)站方法。架設(shè)啟動移動站（圖3）：確認基準站發(fā)射成功后，便進行移動站架設(shè)，先將接收機設(shè)置為移動站電臺模式，打開主機，設(shè)置與基準站一致的差分數(shù)據(jù)格式，移動站達到固定解后，即可在手簿上看到高精度的實時三維坐標。

圖2 萬水洞水庫施測時基準站

圖3 外置電臺發(fā)射天線和移動站

2.3.3 數(shù)據(jù)采集，地形測繪

以水庫拼音或測繪時間為工程名稱新建工程，固定解后進行點測量。庫容計算的精度，與外業(yè)數(shù)據(jù)采集密切相關(guān)。根據(jù)庫容計算的精度要求，確定合適的測量精度指標。本次測點密度按照1∶500地形測圖要求進行測點密度控制。根據(jù)地形地貌情況確定測量點距離，要求測點必須能控制地形、地物的變化，測點分布均勻，不得出現(xiàn)漏測現(xiàn)象，保證三角網(wǎng)面與地面的符合精度。測繪范圍：大壩及樞紐工程全部詳測，庫區(qū)內(nèi)高程點采集要求高于壩頂高程（5～10）m。外業(yè)數(shù)據(jù)采集要求如下：測點越密，庫容計算的精度越高；平坦和坡度變化較小的地面，測點可以稀疏一些；地形復雜，地勢起伏變化較快，測點應密一些。坡度變化點須采集，高差大于0.5 m的坡坎，要求坡頂和坡腳都要測點，確保沿坡坎能組成三角網(wǎng)。

死庫容測繪：本次測量為枯水期，結(jié)合水庫捕魚時間放空水庫，即可開始測量，對于死庫容較大無法放空的水庫，則利用充氣船和5 m測桿配合測量，對于?。↖）、?。↖I）型水庫死水位不深的則穿戴連體雨褲，持移動站進行水下點位數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)導出與傳輸：利用GPS－RTK進行實地測量后，將野外采集的數(shù)據(jù)存儲在手薄中，當一個水庫的外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，將測量數(shù)據(jù)導出成南方CASS格式的DAT數(shù)據(jù)文件。

2.3.4 數(shù)字化地形成圖

本次測繪主要采用“草圖+編碼法”測圖，在野外數(shù)據(jù)采集的同時現(xiàn)場繪制草圖，標注所測地物及地物之間的大概相對位置，記下所測地物的點號，標注要同手薄里的點號一致，在保存點位時輸入地物的編碼，有助于內(nèi)業(yè)成圖時對地形地物的記憶。數(shù)字化地形成圖步驟：

（1）展點：展高程點、點號和代碼。

（2）繪平面圖：根據(jù)外業(yè)草圖，選擇相應的地圖圖示符號，繪制地形平面圖。

（3）繪等高線：等高線的繪制是地形成圖的重要環(huán)節(jié)，是表示地貌起伏的一種重要手段，也是后期庫容計算的重要工作。等高線經(jīng)修飾、編輯等后，最終形成數(shù)字化地形圖（圖4）。

圖4 小水沖水庫數(shù)字化地形圖

3 南方CASS－DTM庫容計算

3.1 計算準備工作

按照南方CASS數(shù)據(jù)格式導出原始測量數(shù)據(jù)，對導出的DAT數(shù)據(jù)文件進行校核，剔除不正確的高程點數(shù)據(jù)，收集水庫已有相關(guān)資料和經(jīng)過檢查合格的1∶500數(shù)字化地形圖（圖4）。

3.2 庫容計算

庫容計算工作是庫容測量的重要工作，傳統(tǒng)手工計算方法的局限性，計算過程的復雜度，一直影響著庫容計算的精度及效率。南方CASS地形地籍成圖軟件是基于AutoCAD平臺開發(fā)的繪圖計算軟件，庫容計算方法可完全采用土方計算原理進行水庫的庫容計算。南方CASS工程應用模塊中適用于庫容計算的共有以下三種計算方法：DTM法土方計算、方格網(wǎng)法土方計算和等高線法土方計算。

3.2.1 DTM法庫容計算

由DTM模型來計算庫容是根據(jù)實地測定的地面點位坐標（X，Y，Z）和庫容水位計算高程，通過生成三角網(wǎng)來計算每一個三棱錐的庫容量，最后累計得到指定范圍內(nèi)的填方量即為該水位高程的實際庫容量。計算順序：

（1）根據(jù)已繪制好的地形圖，判斷組成三角網(wǎng)是否正確。如果軟件自動組成的三角網(wǎng)在坡坎、溝、坑塘、突起和邊界部分三角網(wǎng)組成錯誤，則人工刪除錯誤三角網(wǎng)，保存修改正確后的三角網(wǎng)，根據(jù)修改完成后的三角網(wǎng)繪制等高線。

（2）根據(jù)三角網(wǎng)繪制生成的等高線，檢查刪除等高線與地形、地貌不一致部分的三角網(wǎng)，人工重組后重新生成等高線，直到一致。

（3）根據(jù)已繪制好的等高線用復合線畫出每個要計算庫容的水面范圍，一定要閉合，但不要擬合，以免影響計算結(jié)果的精度。

（4）計算庫容，輸入多個設(shè)計水位標高，計算過程不需要人工干預，全部由軟件自動完成。輸出記錄計算結(jié)果，完成計算工作。

3.2.2 方格網(wǎng)法庫容計算

方格網(wǎng)法庫容計算是根據(jù)實地測定的地面坐標（X，Y，Z）和庫容水位高程，通過生成方格網(wǎng)來計算每一個方格內(nèi)的庫容量，最后累計得到指定范圍內(nèi)的填方量即為該水位高程的實際庫容量。計算軟件首先將方格的4個角上的高程相加取平均值與計算水位高程相減。然后通過指定的方格邊長得到每個方格的面積，再用長方體的體積計算公式得到庫容量，方格網(wǎng)法簡便直觀，易于操作，因此這一方法在實際庫容計算中應用非常廣泛。

3.2.3 等高線法土方計算

本方法適用于已有庫區(qū)地形圖（紙質(zhì)版），首先將紙質(zhì)版地形圖掃描矢量化得到電子地形圖，但是這樣的圖沒有高程數(shù)據(jù)文件，所以無法用DTM土方法和方格網(wǎng)法計算庫容量。等高線法土方計算是根據(jù)矢量化后的等高線，計算任意兩條等高線之間的庫容量，要求所選等高線必須閉合。根據(jù)兩條等高線所圍面積以及兩條等高線之間的高差，便可求出這兩條等高線之間的庫容量。

南方CASS地形地籍成圖軟件，工程應用模塊中集成的三種計算功能,適用于復雜地面的土方量計算工作，具有操作簡單、計算準確的優(yōu)點，分別對4座水庫進行了三種方法的庫容計算結(jié)果的對比。三種計算方法都是建立在高精度、高密度測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，計算過程全部由軟件根據(jù)單個計算單元累加計算完成，計算原理及方法嚴密。最終三種計算方法結(jié)果偏差不大，可見三種方法計算均不會影響計算精度，完全滿足庫容計算之要求。

繪制水庫水位--庫容關(guān)系曲線：利用CASS軟件，分別計算出水庫不同水位高程所對應的水庫庫容，得出最后測繪成果：水庫水位--庫容關(guān)系曲線表和曲線圖（圖5）。

圖5 萬水洞水庫庫容曲線圖

4 小結(jié)

專家及學者關(guān)注的大型水庫及高等級測量方法已相當成熟，但目前真正適合中小型水庫、適合基層水利部門的水庫測量技術(shù)方法有待大家的探索。以GPS-RTK+南方CASS在中小型水庫庫容測量中的成功應用，雖然在死庫容測量中存在其局限性，需降低或騰空庫水位，但仍以節(jié)約投入、省時高效、實用準確、簡便易行、操作簡單、精度可靠的優(yōu)勢在基層水利單位得到推廣和應用，進而從根本上解決我國眾多中小型水庫、河湖的精準測繪難題。

[1]劉福臻.數(shù)字化測圖教程[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

2016-12-20）

鄧國法（1978－），男，湖南臨武縣人，大學本科，工程師，從事高速公路、橋梁、地形地籍、水庫河湖測繪以及水利工程設(shè)計、水利工程運行管理16年，目前主要推廣先進測繪技術(shù)在縣級等基層水管單位的應用。