數(shù)字化測繪技術(shù)在水利水電工程施工中的應用

潘娟娟 劉 顥

（青州市水利建筑總公司，山東 青州 262500）

近年來，我國社會經(jīng)濟水平逐步提升，水利工程測量測繪技術(shù)也朝著更加成熟的方向發(fā)展，能夠得到更加精準的工程測量數(shù)據(jù)，使水利工程項目的綜合質(zhì)量得到有效保障。現(xiàn)如今，基于各種新興技術(shù)逐步創(chuàng)新發(fā)展的前提下，我國逐步增加了測繪技術(shù)的研發(fā)與運用。當前，在水利工程測量中，GPS、GIS等技術(shù)得到廣泛運用。隨著數(shù)字化測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，可以讓水利工程項目現(xiàn)場勘探得到的結(jié)果更加準確，與以往工作技術(shù)模式相比，數(shù)字化技術(shù)具有更強的技術(shù)優(yōu)點[1]。所以，該文主要對數(shù)字化測繪技術(shù)在水利工程施工中的應用進行深入地探討。

1 項目背景

該文在研究過程中將某水利工程作為案例，主要建設了18條河道工程、13條河道景觀工程、117 km截污管道、9座蓄水閘壩、6座排澇泵站及32座橋梁等。這個水利工程項目測區(qū)地形主要是丘陵與平地，人工、植被、地物及建筑等分散不均衡。該項目目前具有的資料料覆蓋面較小，針對沒有DLG（包括空間信息與屬性信息）、DOM（影響數(shù)據(jù)）等區(qū)域，可以使用數(shù)字化測繪技術(shù)進行工程測量，依據(jù)測量狀況展開后期加工處理，這樣就能夠得到該水利工程項目的地形圖數(shù)據(jù)。

2 數(shù)字化測繪技術(shù)在工程施工中具有的重要性

2.1 測繪準確率高

工程施工建設對測繪精準度的要求一直很高，唯有測繪精準度滿足施工建設的要求，才可以為工程順利施工提供有利的條件。為了能夠準確施工，可以將數(shù)字化測繪技術(shù)廣泛應用在施工建設中。利用該技術(shù)測量的工程數(shù)據(jù)，不僅可以保證數(shù)據(jù)測量的精準度，深入分析工程數(shù)據(jù)，而且和人工測繪方法相比，數(shù)字化測繪技術(shù)可以防止人工測繪產(chǎn)生的誤差，在一定程度上提升了數(shù)據(jù)測繪的準確度，從而為工程的實行提供根據(jù)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)保持完整

數(shù)字化測繪技術(shù)能夠加快工程數(shù)據(jù)存儲工作的完成進度，可以迅速存儲有關數(shù)據(jù)，和人工存儲方法相比，提升了數(shù)據(jù)的存儲效率，這樣就可以將數(shù)據(jù)分析作為主要工作。數(shù)字化測繪技術(shù)能夠更好的把數(shù)據(jù)存儲應用于計算機終端中，然后借助計算機分析和整理數(shù)據(jù)，在一定程度上加快了工程測繪的速度。

2.3 自動化程度高

計算機是數(shù)字化測量技術(shù)完成自動化測繪工作的主要構(gòu)成元素。其具有的較強分析能力，根據(jù)專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件，能夠合理分析工程數(shù)據(jù)，同時提升了數(shù)據(jù)的處理效率。通過使用專業(yè)的繪圖軟件，能夠快速設計出工程圖。

2.4 提升精確度

在工程施工過程中運用數(shù)字化測繪技術(shù)，可以使測繪工程的準確度得到有效保障。計算機技術(shù)與其他新型技術(shù)進行整合，和以往測繪技術(shù)對比，該技術(shù)更加準備、便捷。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)應用到工程測量的各個環(huán)節(jié)，能夠減少人工失誤，可以使工程測繪的準確度得到進一步提高。依靠計算機技術(shù)，可以詳細計算數(shù)據(jù)，掃描測繪現(xiàn)場，進而減少施工誤差。數(shù)字化測繪技術(shù)是目前工程測量中不可缺少的主要技術(shù)，其憑借自身準確度高的特征在工程施工過程中得到有效應用。

3 數(shù)字化測繪關鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字化原圖技術(shù)

數(shù)字化原圖技術(shù)在應用過程中需要使用矢量圖掃描儀，該儀器能夠在計算機中輸入大比例尺的原圖，同時使用數(shù)字化軟件處理測量獲得的數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)據(jù)改變?yōu)閿?shù)字地形圖，在較短的時間中可以得到準確度高的結(jié)果圖。在工程施工過程中，為了保證測量準確度，數(shù)字化測繪原圖和結(jié)果之間必須構(gòu)建密切關系。如果在施工過程中出現(xiàn)測量誤差，就會導致結(jié)果圖與原圖之間存在較大誤差，將數(shù)字化測繪技術(shù)應用于工程施工過程中，可以避免出現(xiàn)這種狀況，并且可以直觀地顯示出各個地形地貌的實際狀況，最后得到精準的水利工程測量結(jié)果。經(jīng)過有機整合FBM（分層匹配方法）與LSM（最小二乘法測量）技術(shù)，能夠采用多級影響金字塔匹配計算方式計算均勻分布在每張測量圖片的連接點，并且確保連接點的匹配準確度達到0.1個像素[3]。經(jīng)過采用數(shù)字化全圖技術(shù)，還可以有機整合具體的測區(qū)狀況，進而靈活調(diào)整圖片的匹配程度，與此同時，不會受到加密區(qū)形狀、大小以及重疊度的影響，因此可以在水利工程項目帶狀區(qū)域數(shù)據(jù)處理中使用這個技術(shù)。

3.2 GPS技術(shù)

GPS技術(shù)是一種集海、陸、空為一體全面采用三維導航和定位能力的導航定位系統(tǒng)，包括空間星座系統(tǒng)與用戶設備系統(tǒng)，可以24 h發(fā)揮導航的作用，將該技術(shù)應用于水利工程施工中，可以精準定位被測量對象的點、線及面，利用處理模塊改變?yōu)槿S數(shù)據(jù)坐標。GPS技術(shù)具有非常高的精準度，在使用過程中，要進行GPS選點，設置幾個埋設點進行標號，然后在埋設點中安裝GPS接收設備，確保大功率無線電發(fā)射源與埋設點之間的距離間隔為50 m以上，確保周圍15°之內(nèi)不存在障礙物。使用 GPS 軟件可以通過微信進行報表檢 索，采取靜態(tài)模式來檢測控制點。

3.3 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)是一種地理信息系統(tǒng)，可以對地理空間模型進行深入分析，同時得到動態(tài)空間地理信息，可以將數(shù)據(jù)改變?yōu)橄鄳牡乩韴D形。測量工作人員使用GIS技術(shù)進行水利工程測量工作時，，在數(shù)據(jù)庫中輸入搜集的相關信息，使有關設計者可以瀏覽檢索空間數(shù)據(jù)，逐步形成GIS空間動態(tài)模型，結(jié)合對水力資源的充分了解，最終設計出科學的水利工程切入點，圖1為GIS技術(shù)原理圖。

圖1 GIS技術(shù)原理圖

4 測量精度分析

4.1 實際測量精度

在水利工程項目施工過程中采用數(shù)字化測繪技術(shù)，測量結(jié)果可以直接影響后期的質(zhì)量與精準度。區(qū)域網(wǎng)平差精度在測量成圖中所出現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算中發(fā)揮著關鍵性的作用，其可以利用多余控制點對坐標點進行具體測量，同時還可以估算攝影測量得到的坐標數(shù)值點，計算公式如下：

式中：μx為X坐標攝影測量數(shù)值；μy為Y坐標的具體測量值；μz為Z方向攝影測量精確值；nx、ny以及nz為測控點的個數(shù)；X控為平面控制測量；X攝為攝影測量；∑為固定差[4]。

表1與表2主要是針對區(qū)域網(wǎng)平差的絕對定向精準度指標參考標準。根據(jù)表1中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以明確各種地形在測量過程中需要符合的定向精準要求，按照這些數(shù)值可以確保各種地形測量的精準度。對表2中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行分析可以得知各種地形在測量過程中，平面與高程允許存在的誤差。

表1 絕對定向精準要求

表2 內(nèi)業(yè)加密點精度要求

4.2 GPS觀測

根據(jù)該水利工程的具體狀況，一共需要使用6臺Ashtech靜態(tài)GPS單幀接收設備，實現(xiàn)基線測量，這個準確度安裝工程GPS數(shù)據(jù)搜集網(wǎng)。在開展GPS測繪工程施工期間，衛(wèi)星終止高度角需要大于15°，可以成功觀察與測量4個以上的衛(wèi)星有效觀測數(shù)，大于60 min的測繪時段。每個測繪時段獲取天線高度兩次的觀測誤差值需要保持在3 mm之內(nèi)，挑選2次測得天線高的均值當作計算值。在使用GPS測繪技術(shù)對水利工程進行觀察與測量過程中，需要將數(shù)據(jù)剔除率控制為10%之內(nèi)，不同級別的GPS同步環(huán)的閉合差需要符合以下公式要求，如公式（4）和公式（5）所示。式中：Wx、Wy為不同級別GPS同步環(huán)環(huán)線全長閉合差，mm；n為同步環(huán)中基線邊的個數(shù)；s為基線長度標準差，mm。

4.3 GPS測量精度標準

表3～表5是這個水利工程測量施工過程中，統(tǒng)計最后得到的環(huán)閉合差值結(jié)果、平面平差測繪基線及繪基線殘差值的相對精度結(jié)果。

表3 環(huán)閉合差值結(jié)果

根據(jù)表3中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以看出，閉合差區(qū)間范圍小于5 mm（含5 mm）的環(huán)個數(shù)為122個，所占比例為47.5%；閉合差區(qū)間在5 mm～10 mm的環(huán)個數(shù)為75個，所占比例為29.3%；閉合差區(qū)間范圍在10 mm～20 cm的環(huán)個數(shù)為52個，所占比例為20.4%；閉合差區(qū)間范圍在20 mm～25 cm 的環(huán)個數(shù)為10個，所占比例為3.9%。

表4統(tǒng)計的是測繪基線的殘差值結(jié)果，其中Vx、Vy、Vn（基線向量的改正數(shù)）測繪基線小于5 mm（含5 mm）的結(jié)果所占比例分別為90.3%、79.9%、86.9%；測繪基線在5 mm～10 mm所占的比例為9.2%、18.3%、12.1%；測繪基線在10 mm～20 mm所占的比例為0.9%、2.2%、1.3%。

表4 測繪基線的殘差值結(jié)果

表 5 平面平差測繪基線的精度結(jié)果

表5統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為平面平差測繪基線的結(jié)果，其中≥1/10萬的基線邊數(shù)為412個，所占比例為94.6%，1/10×105～1/4.5×105的基線邊數(shù)為24個，所占比例為5.6%，≤1/3.5×105的基線邊數(shù)為0個，所占比例為0%，

5 數(shù)字化測繪技術(shù)在水利水電施工中的應用

5.1 數(shù)字化圖像技術(shù)

做好數(shù)字化立體攝影測繪工作以后，需要提升測繪的精準性，同時采取空三自動恢復技術(shù)測繪模型，在測量期間，需要根據(jù)編碼確定底層和地標2個元素的數(shù)據(jù)，這樣能夠加強對信息的記憶。工作人員需要利用CASA軟件進行編輯，通過AutoCAD軟件轉(zhuǎn)換搜集到的數(shù)據(jù)，格式為dwg，合理地處理線寬與線型，為了形象地對地形邊變化進行分析，可以使用線色標記，在編輯期間需要注意地界位置、地標和地標之間參考關系及等高線閉合等細節(jié)方面的問題。編輯工作完成以后要進行復查，然后確保圖像與現(xiàn)有數(shù)據(jù)相符，使用CAD軟件復查封閉區(qū)域。利用三維軟件形成DLG三維數(shù)據(jù)，格式是DXF，然后標記三維圖像之后改變?yōu)镈EM，利用分幅裁剪工具進一步處理這些圖像，最終拼合成整個圖幅。完成空三圖像處理工作之后，使用DOM軟件導入圖像，依據(jù)圖像當中的元素分析與改正，獲得正影像，把其處理為正影像圖像，最終轉(zhuǎn)換為DOM格式[5]。

5.2 GIS技術(shù)的應用

GIS可以詳細分析地理空間模型，將其改變?yōu)橛行У目臻g地理信息，標記有關的數(shù)據(jù)信息。測量者使用RS系統(tǒng)可以查詢GPS提供的定位遙感信息，然后使用RS系統(tǒng)和GIS標注幾何信息，詳細劃分測繪地理信息的類型。信息存儲期間，構(gòu)建GIS空間動態(tài)模型，為設計人員提供形象的地理數(shù)據(jù)分析圖，熟練掌握地層結(jié)構(gòu)與有關數(shù)據(jù)，是工程設計更加科學合理。搜集大量信息以后，通過量化控制動態(tài)處理可以科學合理的制定方案[6]。

5.3 數(shù)字化地形處理

數(shù)字化測繪技術(shù)經(jīng)過不斷健全與完善，呈現(xiàn)出非常強大的地形處理功能，能夠更好地利用數(shù)字化信息繪制工程地形，有效保證工程的正常實施。數(shù)字化地形處理工作開展的過程中需要得到全站儀與RTK設備的支持，RTK設備能夠?qū)崟r測量場地，平面測量精準度能夠高達1 cm～2 cm，具備超高的測量精準度。全站儀屬于一種光電測量設備，其運用三角測量的方法可以明確2個點之間的距離，其最大測繪距離可以高達15 km，測繪精準度范圍是±（5 mm+2 ppm·D），D指的是測量的距離。例如，通過聯(lián)合使用全站儀與RTK設備，能夠?qū)Φ匦螌崿F(xiàn)精準的數(shù)字化處理，RTK設備可以搜集地形信息，收錄與整理數(shù)據(jù)信息，為數(shù)字化地圖的形成打好基礎。全站儀能夠進一步驗證RTK設備搜集到的各種地形數(shù)據(jù)，進而可以規(guī)避測量誤差對數(shù)據(jù)結(jié)果造成的直接影響，從而可以使最后形成的數(shù)字化地形圖的精準性與可靠性得到有效保障。

6 結(jié)論

總而言之，數(shù)字化測繪技術(shù)在工程施工過程中發(fā)揮了至關重要的作用，可以為整個水利工程領域提供便利條件，既可以從某種程度上加快行業(yè)經(jīng)濟水平的提升，通過運用各種數(shù)字化測繪技術(shù)，能夠搜集與分析更多的數(shù)據(jù)信息，為工程的施工提供有力的數(shù)據(jù)保障條件，同時數(shù)字化測繪技術(shù)還能夠自動化測量，從某種程度上來看減少了人工測量的成本，所以采用完善的數(shù)字化測繪技術(shù)，使工程測繪的總體水平得到大大提高，為工程施工過程的安全性與穩(wěn)定性得到有效保障。