水利水電工程測(cè)量技術(shù)發(fā)展探討

劉怡清

深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司 廣東 深圳 518000

水利水電工程測(cè)量技術(shù)在我國水利發(fā)展的過程當(dāng)中是絕對(duì)不能夠缺少的一部分，水利水電工程測(cè)量技術(shù)能夠有效地推動(dòng)我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著各種科學(xué)技術(shù)的層出不窮，水利水電工程測(cè)量技術(shù)也正在不斷的創(chuàng)新當(dāng)中，尤其是控制測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)包括水下地形測(cè)量技術(shù)等都是目前應(yīng)用的比較廣泛的技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展有效的擴(kuò)展了水利水電工程在未來的發(fā)展空間，并且也能夠更好的提升水利水電發(fā)展的質(zhì)量。

1 水利水電工程的發(fā)展及其重要性

自20世紀(jì)80年代以來，電子經(jīng)緯儀以及電子全站儀包括電子測(cè)距儀等在水利水電工程當(dāng)中都得到了廣泛的使用，這也為工程測(cè)量的現(xiàn)代化以及數(shù)字化發(fā)展創(chuàng)造了非常好的條件。在最近十年來，水利水電系統(tǒng)也相繼的引進(jìn)了一些具有高精確度的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)以及精密的儀器，例如電磁被距測(cè)儀以及全站儀等，這些設(shè)備在水利水電工程的建設(shè)過程當(dāng)中發(fā)揮了非常大的作用，有效的改變了傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在著的不足點(diǎn)[1]。

水利水電工程測(cè)量工作是基本上貫穿在整個(gè)水利工程建設(shè)的全過程的，無論是對(duì)于技術(shù)性還是實(shí)踐性的要求都非常的高。通過實(shí)際測(cè)量，對(duì)于各種地貌以及地物的形狀和大小等進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)的采集，就能夠利用這些數(shù)據(jù)來決定水利工程的設(shè)計(jì)，建筑物包括設(shè)備的大小以及具體的位置，因此水利水電工程的測(cè)量技術(shù)在整個(gè)工程建設(shè)的過程當(dāng)中其地位是舉足輕重的，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更是直接決定著整個(gè)工程的成敗。

2 控制測(cè)量技術(shù)

對(duì)于水利水電工程的測(cè)量工作來說，控制測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水利水電的控制測(cè)量已經(jīng)從傳統(tǒng)的方式過渡到了現(xiàn)代化的模式當(dāng)中，也就是說是以“GPS”、“北斗”等空間定位技術(shù)為主的，以傳統(tǒng)測(cè)量方式作為輔助方法，使用更加快速高效的方式來定位空間的三維坐標(biāo)。

在對(duì)于水利水電工程測(cè)量技術(shù)進(jìn)行劃分的時(shí)候，主要的依據(jù)就是它的工程階段以及具體的工程內(nèi)容，主要包含著兩個(gè)方面的測(cè)量技術(shù)，分別是平面控制以及高程控制。經(jīng)過研究之后不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)如今的水利水電工程平面測(cè)量技術(shù)已經(jīng)有了非常大的發(fā)展，從過去的三角網(wǎng)變?yōu)榱爽F(xiàn)在的邊角網(wǎng)、北斗網(wǎng)以及導(dǎo)線網(wǎng)等先進(jìn)的技術(shù)。近些年來，GPS、北斗等衛(wèi)星定位技術(shù)使用得越來越廣泛，在一些比較大的區(qū)域當(dāng)中，控制網(wǎng)的測(cè)圖繪制基本上采用的都是GPS、北斗技術(shù)，中小區(qū)域一般會(huì)選擇使用GPS、北斗作為首級(jí)網(wǎng)或者是使用多種設(shè)備來進(jìn)行觀測(cè)的混合網(wǎng)。專用平面控制網(wǎng)主要利用的是邊角同側(cè)網(wǎng)，也有一部分工程會(huì)選擇使用GPS、北斗布設(shè)首級(jí)網(wǎng)或者直接布設(shè)一個(gè)GPS或北斗混合網(wǎng)[3]。

水利水電工程的高程控制網(wǎng)測(cè)量?jī)x器從光學(xué)水準(zhǔn)儀也發(fā)展到了現(xiàn)在的數(shù)字水準(zhǔn)儀以及液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)等觀測(cè)方法，從過去的以人工為主的讀數(shù)發(fā)展到了現(xiàn)在的現(xiàn)代化的自動(dòng)讀數(shù)，能夠?qū)τ跀?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄，并且也可以完成自動(dòng)觀測(cè)。作業(yè)方式從過去的單一幾何水準(zhǔn)發(fā)展到了現(xiàn)在的測(cè)量三角高程以及靜力水準(zhǔn)等。數(shù)字水準(zhǔn)儀在應(yīng)用的過程當(dāng)中速度非常的快，而且精準(zhǔn)度也比較高，使用起來非常的方便，在應(yīng)用的時(shí)候勞動(dòng)強(qiáng)度也比較輕，能夠有效的實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化，因此得到了非常廣泛的使用。

測(cè)圖控制網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)從原來的前方交會(huì)以及后方交會(huì)等傳統(tǒng)的技術(shù)變?yōu)榱穗姶挪y(cè)距導(dǎo)線，然后再發(fā)展到目前的RTK技術(shù)以及CORS技術(shù)。RTK技術(shù)在應(yīng)用時(shí)的原理就在于基于載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，能夠?qū)崟r(shí)的提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)當(dāng)中的三維數(shù)據(jù)結(jié)果，并且其精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。利用RTK技術(shù)能夠有效的提升工作人員的作業(yè)效率，如果想要得到一組圖的三維坐標(biāo)，只需要幾秒鐘的時(shí)間即可，因?yàn)镽TK技術(shù)在作業(yè)的時(shí)候效率非常的高，而且定位精度也比較高，因此廣泛的使用在水利水電工程的測(cè)量當(dāng)中[2]。

CORS技術(shù)也是近些年來所使用的一種綜合性的服務(wù)系統(tǒng)，它的主要構(gòu)成部分包括基準(zhǔn)站網(wǎng)以及數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)定位導(dǎo)航、用戶所使用的系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)的播發(fā)系統(tǒng)等?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)的主要責(zé)任就是對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行采集，并且將其傳送到數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心對(duì)其進(jìn)行處理，形成數(shù)據(jù)文件，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送，裝載了網(wǎng)絡(luò)RTK模塊就能夠接收系統(tǒng)所發(fā)出來的差分?jǐn)?shù)據(jù)。也就是說用戶只需要一臺(tái)流動(dòng)站就能夠完成全天24個(gè)小時(shí)的RTK測(cè)量，將所獲得的WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系統(tǒng)即可，因?yàn)樵撓到y(tǒng)在運(yùn)行的過程當(dāng)中不需要架設(shè)基站，而且作用距離非常的遠(yuǎn)，最重要的是能夠做到24個(gè)小時(shí)不間斷的運(yùn)行，可以更好的提升作業(yè)效率，減少測(cè)量的成本，因此現(xiàn)在我國已經(jīng)有很多的大、中城市都建立了CORS系統(tǒng)。一般會(huì)將該系統(tǒng)使用在城市周邊的測(cè)繪以及國土，包括交通和林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域，RTK技術(shù)以及CORS技術(shù)不僅能夠在測(cè)圖控制方面進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)也能夠充分的使用在斷面測(cè)量以及水下地形測(cè)量等多個(gè)方面[4-5]。

3 水利水電工程測(cè)量技術(shù)分析

現(xiàn)如今隨著測(cè)繪新技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種設(shè)備的使用，水利水電工程的測(cè)量技術(shù)得到了非常大的發(fā)展以及進(jìn)步，水利水電工程的測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是向著自動(dòng)化以及實(shí)時(shí)化，包括數(shù)字化的方向發(fā)展。同時(shí)在對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的時(shí)候，也更加趨向于科學(xué)化以及標(biāo)準(zhǔn)化，測(cè)量的數(shù)據(jù)的傳播以及應(yīng)用要向著社會(huì)化跟多樣化的方向發(fā)展。

3.1 數(shù)字地形測(cè)繪技術(shù)

就目前來看，全站儀以及計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用的非常的廣泛了，所以利用該技術(shù)形成的大比例尺地形圖數(shù)字測(cè)繪也已經(jīng)成為了測(cè)繪過程當(dāng)中的主要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)也利用先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)了成圖軟件，使用先進(jìn)的三維技術(shù)，不僅能夠更好的滿足于專業(yè)測(cè)圖的要求，同時(shí)也能夠?qū)τ谇岸藬?shù)據(jù)進(jìn)行采集跟更新。 數(shù)字化的測(cè)繪技術(shù)在進(jìn)行應(yīng)用的過程當(dāng)中，其主要的模式就是利用電子平板模式和數(shù)字測(cè)記模式以及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量模式。如圖1所示。

圖1 為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

電子平板數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)在應(yīng)用的過程當(dāng)中包含著兩種作業(yè)方式，分別為測(cè)站以及鏡站，其特點(diǎn)就在于模擬傳統(tǒng)的白紙成圖，整體的作業(yè)過程更加的直觀，不需要編碼測(cè)繪，也不容易產(chǎn)生錯(cuò)漏問題。但是缺點(diǎn)就在于便攜機(jī)的電池使用的時(shí)間非常短，一般來說在三個(gè)小時(shí)左右，而且機(jī)械相對(duì)來說比較笨重，穩(wěn)定性能比較差，更加適合使用在比較平坦的地方，不適合使用在條件比較惡劣的水利水電工程的地形圖測(cè)繪當(dāng)中[6]。

測(cè)記法數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于一種內(nèi)業(yè)繪圖軟件，其缺點(diǎn)就在于作業(yè)的過程不夠直觀，而且測(cè)量點(diǎn)號(hào)跟草圖的點(diǎn)號(hào)可能會(huì)存在著不一致的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致出現(xiàn)地圖標(biāo)記的錯(cuò)誤，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖工作人員的個(gè)人要求會(huì)非常的高，但是其優(yōu)點(diǎn)就在于該系統(tǒng)適合使用在各種環(huán)境下。

掌上數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是一種內(nèi)業(yè)繪圖軟件，該系統(tǒng)在應(yīng)用的過程當(dāng)中能夠有效地克服筆記本電腦以及電子平板的缺點(diǎn)，發(fā)揮出筆記本電腦以及電子手簿包括掌上平板的現(xiàn)代化優(yōu)勢(shì)，能夠做到可視化的界面以及更加人性化的設(shè)計(jì)，操作起來非常的簡(jiǎn)單，工作人員攜帶起來也非常的方便，而且具有著極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，是目前來說比較理想的野外測(cè)繪數(shù)據(jù)采集工具。

3.2 變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

變形監(jiān)測(cè)技術(shù)也可以稱之為變形測(cè)量或者是變形觀測(cè)，主要是對(duì)于被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，確定被監(jiān)測(cè)對(duì)象的空間位置，包括內(nèi)部形態(tài)的具體變化。變形監(jiān)測(cè)按照其變形的部分也可以分成兩個(gè)部分，分別是外部變形監(jiān)測(cè)以及內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)，一般來說，涉及到了測(cè)量學(xué)范疇的主要是外部變形監(jiān)測(cè)。外部變形監(jiān)測(cè)按照變形的方向也可以分為水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè)，水利水電工程當(dāng)中進(jìn)行外部變形監(jiān)測(cè)的過程當(dāng)中主要分為變形監(jiān)測(cè)，基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量，變形體形監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)資料分析等一系列的內(nèi)容。如圖2、3所示。

圖2 為變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖3 深圳某水庫在原人工觀測(cè)位移墩改造成北斗GNSS表觀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一般來說，常用的水利水電工程的外部變形監(jiān)測(cè)辦法主要包含以下幾種。

①大地測(cè)量法

這種方法也是在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)使用的比較多的一種辦法，能夠有效的完成變形監(jiān)測(cè)以及對(duì)于基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量等，它的主要特征就在于使用常規(guī)的儀器即可，而且整套理論都非常的成熟，數(shù)據(jù)非常的可靠，觀測(cè)過程當(dāng)中所使用的費(fèi)用相對(duì)來說也比較低。但是觀測(cè)的時(shí)間非常的長(zhǎng)，對(duì)于工作人員來說勞動(dòng)強(qiáng)度也比較高，而且容易受到其他因素所產(chǎn)生的影響，在觀測(cè)的過程當(dāng)中自動(dòng)化程度比較低。

②基準(zhǔn)線測(cè)量法

基準(zhǔn)線測(cè)量法也是水平位移變形監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中的常用方法之一，土石壩以及重力壩等直線型大壩的壩體包括壩基等，一般來說都會(huì)使用引張線法以及垂線法來進(jìn)行觀測(cè)，如果壩體比較短，也可以選擇使用視準(zhǔn)線法以及大氣激光準(zhǔn)直法來進(jìn)行觀測(cè)[7]。

在各種方法當(dāng)中視準(zhǔn)線法的優(yōu)點(diǎn)就在于所使用的設(shè)備比較普通，而且操作起來非常的方便，所使用的費(fèi)用比較少，但是容易受到精準(zhǔn)度以及大氣折光等多種因素的影響，導(dǎo)致在操作的時(shí)候不容易控制誤差，精度會(huì)受到非常明顯的影響，所以近些年來使用的還是比較少的。引張線法一般來說會(huì)廣泛的使用在大壩水平位移監(jiān)測(cè)上面，它的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備非常的簡(jiǎn)單，而且測(cè)量起來比較方便，速度非常的快，精度比較高，成本很低。引張線法數(shù)據(jù)讀數(shù)在早期的時(shí)候都是由人工來進(jìn)行測(cè)讀的，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到目前的步進(jìn)電機(jī)光電跟蹤式引張線儀以及電容感應(yīng)引張線儀和CCD式引張線儀，基本上能夠有效的實(shí)現(xiàn)全程的自動(dòng)化觀測(cè)。對(duì)于比較短距離的引張線也取消了系統(tǒng)當(dāng)中的浮托裝置，這樣能夠更好的提升測(cè)量的精準(zhǔn)度，簡(jiǎn)化引張線的觀測(cè)程序，是可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化觀測(cè)的。

垂線也可以分為兩種形式，一種是正垂線，而另外一種則是倒垂線，同時(shí)在變形監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，垂線應(yīng)用的也是非常廣泛的，一般來說會(huì)使用正垂線，利用一線多站式的方法，主要可以對(duì)于水工建筑過程當(dāng)中的各個(gè)高程面的平面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者是傾斜測(cè)量等都可以使用。倒垂線一般來說要求擁有更加穩(wěn)定的基巖，大多數(shù)會(huì)使用在巖層錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)或者是水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)當(dāng)中，通過各種科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，垂線監(jiān)測(cè)也得到了明顯的發(fā)展，從過去的完全依靠人工讀數(shù)變?yōu)榱爽F(xiàn)在的自動(dòng)化遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀。

③液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法

垂直位移監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包含著水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量以及液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)等，目前發(fā)展的比較快的就是液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)，該測(cè)量系統(tǒng)在應(yīng)用的過程當(dāng)中非常適合使用在壩體廊道內(nèi)的高程觀測(cè)或者是高程傳遞中，它能夠通過各種傳感器的液面高度來同時(shí)獲取數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度非常的高，而且能夠完成自動(dòng)化，具有著可移動(dòng)和持續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。兩個(gè)容器之間的距離能夠達(dá)到數(shù)10km，例如可以跨河或者是跨海峽來進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，通過一種壓力傳感器能夠允許兩個(gè)容器之間的高差，從過去的數(shù)厘米達(dá)到現(xiàn)在的數(shù)米。

在GNSS定位中，把高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星作為已知位置的空間點(diǎn)，其位置可由衛(wèi)星星歷查詢得知，用戶通過專用GNSS接收機(jī)捕獲衛(wèi)星信號(hào)并跟蹤，從而計(jì)算出衛(wèi)星與用戶的距離，然后利用空間距離后方交會(huì)的方法確定接收機(jī)的位置，理論上，已知三顆衛(wèi)星S1、S2、S3的空間位置以及GNSS接收機(jī)到衛(wèi)星S1、S2、S3的距離d1、d2、d3，即可推算GNSS接收機(jī)于以S1、S2、S3為球心，距離d1、d2、d3為半徑的圓球交會(huì)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)定位[8-9]。

3.3 水下地形測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量在進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候使用的都是經(jīng)緯儀或者是電磁波測(cè)距儀以及標(biāo)尺，這是測(cè)量過程當(dāng)中的主要工具，基本上會(huì)使用斷面法或者是極坐標(biāo)法來對(duì)其進(jìn)行定位，然后利用測(cè)深桿來收集數(shù)據(jù)，這種方法在應(yīng)用的時(shí)候存在著很明顯的誤差大的缺點(diǎn)，而且作業(yè)效率也非常低，因此近些年來很少被采用。

現(xiàn)如今隨著衛(wèi)星定位技術(shù)不斷的發(fā)展，GPS 、北斗、RTK以及CORS系統(tǒng)發(fā)展的非常的迅速，以這些系統(tǒng)來配合多波束測(cè)深儀完成水下地形測(cè)量，得到了非常廣泛的應(yīng)用。GPS、北斗主要是以某一個(gè)支點(diǎn)當(dāng)做是基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS接收機(jī)來接收衛(wèi)星信號(hào)，并且和已知位置進(jìn)行比較，確定誤差，并且進(jìn)行修正，把這些修正值通過無線電臺(tái)進(jìn)行接收，用戶的接收機(jī)接收修正值來實(shí)時(shí)的校正GPS、北斗信號(hào)，它有著全天候而且高精度的優(yōu)點(diǎn)。目前GPS北斗以及RTK包括系統(tǒng)的定位級(jí)別已經(jīng)非常的高了，它的精準(zhǔn)度能夠達(dá)到厘米級(jí)，而且還可以做到實(shí)時(shí)無驗(yàn)潮測(cè)量。以上幾種辦法在進(jìn)行水下進(jìn)行測(cè)量，跟岸上基準(zhǔn)點(diǎn)交匯法以及坐標(biāo)法等定位技術(shù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代化的衛(wèi)星技術(shù)更加具有優(yōu)勢(shì)，尤其是在比較大面積的水域進(jìn)行地形測(cè)量的時(shí)候，能夠更好的縮短測(cè)量的工作周期，并且也可以減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

綜上所述，近些年來我國對(duì)于水利水電工程測(cè)量方面的投入變得越來越多，所以我國的水利水電工程測(cè)量研究發(fā)展的非常的快，進(jìn)步也很大，取得了非常好的成績(jī)，但是可以發(fā)現(xiàn)東西部以及各個(gè)單位之間的發(fā)展非常的不平衡，是無法滿足于現(xiàn)代化的水利水電工程建設(shè)的需求的。因此必須要大力的促進(jìn)水利水電工程測(cè)量技術(shù)以及手段的更新?lián)Q代，盡快的推動(dòng)測(cè)繪新技術(shù)的不斷發(fā)展，加快集成技術(shù)的研究，推動(dòng)傳統(tǒng)的手工測(cè)量技術(shù)不斷的改革，向著電子化以及數(shù)字化包括自動(dòng)化方向邁進(jìn)。同時(shí)相關(guān)的一些行業(yè)以及相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)也是非常的重要的，這樣也能夠幫助我們拓展新的測(cè)繪市場(chǎng)以及新的服務(wù)領(lǐng)域，增加測(cè)繪的附加值，讓水利水電測(cè)繪從原來的純技術(shù)型面向技術(shù)服務(wù)型來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，推動(dòng)我國的水利水電工程測(cè)量向著更加廣闊的未來發(fā)展。