水利水電工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

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一、水利水電工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展綜述

1.1GPS定位測(cè)量技術(shù)

控制測(cè)量技術(shù)向來(lái)是水利水電工程測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要分支。近年來(lái)，隨著無(wú)線技術(shù)、傳感技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的水利水電控制測(cè)量技術(shù)也發(fā)生了新的變革，逐漸呈現(xiàn)出以“GPS無(wú)線定位測(cè)量技術(shù)”為主的全新發(fā)展方向。GPS是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它由美國(guó)研發(fā)并于1994年投入應(yīng)用，該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星群和地面控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成?？臻g衛(wèi)星群由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，它們的運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球上任何地點(diǎn)的“無(wú)縫覆蓋”監(jiān)測(cè)；地面控制系統(tǒng)由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)控站構(gòu)成，主要完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的錄入。GPS技術(shù)的研發(fā)源于上世紀(jì)50年代末，原本是美國(guó)軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年正式投入使用。20世紀(jì)70年代，美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星己布設(shè)完成，這也預(yù)示著GPS全球定位系統(tǒng)已邁進(jìn)成熟期。測(cè)量作為較早采用GPS技術(shù)的領(lǐng)域,最初主要用于高精度的大地測(cè)量和控制測(cè)量，建立各種類型和等級(jí)的測(cè)量控制網(wǎng)?，F(xiàn)在，GPS技術(shù)還用于各種類型的施工放樣、測(cè)圖、變形觀測(cè)、航空攝影測(cè)量、海測(cè)和地理信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)采集等方面。在各種類型的測(cè)量控制網(wǎng)的建立方面，GPS定位技術(shù)已基本上取代了常規(guī)測(cè)量手段，成為主要的技術(shù)手段。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷革新，GPS技術(shù)在工程定位測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其主要技術(shù)特性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1.1使用精密衛(wèi)星星歷。

精密衛(wèi)星星歷是GPS技術(shù)精密定位的重要保證，利用精密衛(wèi)星星歷，調(diào)制在L1載波上的衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星軌道信息等參量能夠被計(jì)算得更為精確，測(cè)量誤差率可以得到有效控制。

1.1.2區(qū)域范圍小，網(wǎng)中基線邊較短。

一般來(lái)說(shuō)，采用GPS技術(shù)能夠使得接收機(jī)的衛(wèi)星信號(hào)具有類似的誤差特性，且接收網(wǎng)中基線邊誤差不會(huì)超過(guò)5KM，在信號(hào)接收的過(guò)程中，能夠通過(guò)差分解算使得公共誤差得到很大程度的抵消，從而獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。而區(qū)域范圍小、網(wǎng)中基線邊較短的特性也成為了GPS測(cè)量技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。

1.1.3測(cè)量點(diǎn)選擇靈活。

傳統(tǒng)測(cè)量模式下，相鄰的測(cè)量點(diǎn)之間需要互相通視，因此對(duì)測(cè)量工作條件和人員素質(zhì)要求較高，且人眼觀測(cè)也會(huì)使得測(cè)量的精度降低。在GPS測(cè)量中，無(wú)需考慮站點(diǎn)的互相通視，測(cè)量的數(shù)據(jù)完全依靠衛(wèi)星給出，精度和靈活性都得到顯著提升，測(cè)量的過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。由于GPS技術(shù)具有精密性高、區(qū)域范圍小、測(cè)量點(diǎn)選擇靈活等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在水利水電工程項(xiàng)目測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在我國(guó)三峽水利工程項(xiàng)目的截流施工階段，施工方面應(yīng)用了靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)，創(chuàng)建了三等平面控制網(wǎng)；在庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)工程中，項(xiàng)目組也應(yīng)用GPS與GLONASS進(jìn)行組合，對(duì)12個(gè)滑坡體進(jìn)行了準(zhǔn)確定位監(jiān)測(cè)。

1.2變形測(cè)量技術(shù)

變形測(cè)量又稱為變形觀測(cè)，在具體的應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形測(cè)量，確定物體內(nèi)部形態(tài)的變化特征，從而確定被測(cè)物體的形態(tài)。變形測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代水利水電工程測(cè)量的全新發(fā)展分支，能夠?qū)λ姽こ添?xiàng)目的基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)、變形體和監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析和測(cè)量。常用的變形測(cè)量技術(shù)包含以下幾種：

1.2.1大地測(cè)量技術(shù)。

通過(guò)采用電子水準(zhǔn)儀、精密全站儀等設(shè)備，以三角測(cè)量、幾何水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量作為技術(shù)手段，完成變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)和變形體變形測(cè)量等工作。該種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：理論方法成熟，測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，成本較低。缺點(diǎn)為：觀測(cè)強(qiáng)度較大，數(shù)據(jù)處理智能化較低。

1.2.2液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)。

該技術(shù)是變形測(cè)量技術(shù)的一個(gè)發(fā)展分支，主要應(yīng)用在水利工程壩體廊道內(nèi)高程觀測(cè)和高程傳遞，在具體的測(cè)量過(guò)程中，主要通過(guò)傳感器對(duì)水體的高度進(jìn)行定位和測(cè)量。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：精度高、智能性好，能夠同時(shí)測(cè)量數(shù)十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。缺點(diǎn)為：成本較高，測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程較復(fù)雜。

1.2.3基準(zhǔn)線測(cè)量技術(shù)。

該技術(shù)廣泛應(yīng)用在對(duì)土石壩、重力壩等直線形狀水利大壩壩體的測(cè)量中，在具體的應(yīng)用中又分為引張線法、視準(zhǔn)線法、大氣激光準(zhǔn)直法等。

（1）引張線法：該種測(cè)量方法被廣泛應(yīng)用在對(duì)水利大壩的位移監(jiān)測(cè)中。目前，主要的測(cè)量?jī)x器包含光電跟蹤式引張線測(cè)量?jī)x、電容感應(yīng)式引張線測(cè)量?jī)x、CCD引張線測(cè)量?jī)x和電磁感應(yīng)式引張線測(cè)量?jī)x。由于取消了測(cè)量系統(tǒng)中的浮托設(shè)備，引張線測(cè)量?jī)x器的精度得到了大大提升，因此，該種測(cè)量方法的主要優(yōu)勢(shì)在于：設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、速度快、成本較低以及自動(dòng)化程度高。

（2）視準(zhǔn)線法：該種測(cè)量方法主要應(yīng)用在壩體較短的水利大壩測(cè)量中，此外，還可應(yīng)用在高邊坡、滑坡體等地勢(shì)的水平位移數(shù)據(jù)測(cè)量中。視準(zhǔn)線法的優(yōu)點(diǎn)在于：設(shè)備采購(gòu)便捷、操作簡(jiǎn)單、成本費(fèi)用較低。缺點(diǎn)在于：測(cè)量精度與大氣光照角度、光照精準(zhǔn)度等因素有密切關(guān)聯(lián)，因此，具體的測(cè)量數(shù)據(jù)容易受到大氣光照角度、光照精準(zhǔn)度的影響，精度較低。

1.3數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)

數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)也是近年來(lái)興起的一種水利水電工程測(cè)繪技術(shù)。該種技術(shù)主要基于全站儀和信息技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)應(yīng)用三維測(cè)繪軟件、數(shù)字成圖軟件等，對(duì)水利水電工程項(xiàng)目進(jìn)行專業(yè)測(cè)繪和成圖，同時(shí)，還能夠應(yīng)用數(shù)字GIS設(shè)備對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集和處理。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用模式主要分為電子平板數(shù)字系統(tǒng)、測(cè)記法數(shù)字系統(tǒng)和掌上數(shù)字測(cè)繪系統(tǒng)三個(gè)部分。上述三個(gè)系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)。

1.3.1電子平板數(shù)字系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由全站儀、便攜機(jī)和支持軟件構(gòu)成，在具體的操作中，以測(cè)站和鏡站兩種方式為主。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)為：成圖精美、作業(yè)直觀，測(cè)繪精度高。缺點(diǎn)為：系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性較差，僅適用于地勢(shì)平坦的水利水電工程項(xiàng)目測(cè)量。

1.3.2測(cè)記法數(shù)字系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由全站儀、GPSRTK和繪圖軟件構(gòu)成，能夠?qū)Ω黝惌h(huán)境的地形進(jìn)行測(cè)繪，且精度和智能化水平較高；但由于設(shè)備本身的設(shè)計(jì)缺陷，可能產(chǎn)生作業(yè)不直觀、地物錯(cuò)漏等問(wèn)題。

1.3.3掌上數(shù)字測(cè)繪系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由全站儀、掌上測(cè)圖系統(tǒng)和繪圖軟件構(gòu)成。由于掌上測(cè)繪系統(tǒng)具有便攜性高、可視化程度強(qiáng)、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，因此，在具體的水利水電工程項(xiàng)目測(cè)量中，技術(shù)人員可將平板電腦、PDA等硬件設(shè)備與數(shù)字測(cè)繪軟件系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)便捷、高效的測(cè)量。同時(shí)，掌上數(shù)字測(cè)繪系統(tǒng)還可以與無(wú)線技術(shù)融合，利用無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)野外測(cè)繪數(shù)據(jù)的適時(shí)傳送，大大提升了水利水電工程項(xiàng)目測(cè)繪數(shù)據(jù)傳輸、處理的效率。目前，數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)在我國(guó)水利水電工程項(xiàng)目中得到了大范圍的推廣和應(yīng)用。例如，2012年1月，在我國(guó)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司承擔(dān)的巴基斯坦KAROT水電站項(xiàng)目建設(shè)中，項(xiàng)目組便利用電子平板數(shù)字系統(tǒng)，對(duì)KAROT水電站壩址區(qū)和水庫(kù)區(qū)進(jìn)行了GPS控制測(cè)量、斷面測(cè)量等作業(yè)，為建設(shè)方提供了精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.4水底地形測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)的水底地形測(cè)量技術(shù)具有誤差較高、作業(yè)效率較低等劣勢(shì)，主要原因?yàn)椋簜鹘y(tǒng)模式下，水底地形測(cè)量技術(shù)主要依賴經(jīng)緯儀、測(cè)距儀等工具，接著采用斷面法作為測(cè)量理論基礎(chǔ)，并結(jié)合測(cè)深錘進(jìn)行壩低水深數(shù)據(jù)的搜集。上述過(guò)程中，由于儀器精度不高，測(cè)量環(huán)境中未知因素較多，因此，對(duì)測(cè)量的精準(zhǔn)度帶來(lái)較大的負(fù)面影響。近年來(lái)，隨著GPS、DGPS、CORS等技術(shù)的飛速發(fā)展，水底地形測(cè)量技術(shù)可依靠的儀器變得更為多元化。目前，業(yè)內(nèi)技術(shù)人員主要依賴衛(wèi)星定位技術(shù)與多波束探測(cè)儀之間的緊密配合，對(duì)大壩水底的地形進(jìn)行測(cè)量。在具體的測(cè)量過(guò)程中，技術(shù)人員依靠先進(jìn)的設(shè)備，將差分全球定位系統(tǒng)搜集的測(cè)量對(duì)象作為基準(zhǔn)參照點(diǎn)，而將多波束探測(cè)儀與GPS接收機(jī)作為測(cè)量信號(hào)的判定與接收裝置，接收裝置能夠?qū)y(cè)量?jī)x器反饋回的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效接收，并明確測(cè)量的誤差與偽距之間的修正值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正是該種測(cè)量方法的一大特點(diǎn)，測(cè)量對(duì)象的參數(shù)能夠得到適時(shí)的修正，從而提升測(cè)量的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。例如，以CORS系統(tǒng)為核心的水底地形測(cè)量技術(shù)能夠?qū)y(cè)量的精準(zhǔn)度提升到厘米級(jí)別。

二、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)水利水電工程項(xiàng)目測(cè)量技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)，并詳細(xì)探討了幾種典型水利水電工程測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容。相信隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提升，更多先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)將會(huì)涌現(xiàn)出來(lái)，為我國(guó)水利水電工程的建設(shè)發(fā)展提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

作者：陳靜 單位：吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院