水利水电工程测量技术的发展

2014-04-06陈静

水利规划与设计 2014年4期

陈静

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

1 引言

测量在水利水电工程项目中起到至关重要的作用。工程项目的精确度、质量等都依赖于良好的前期勘探与测量环节，随着现代科学技术发展的日新月异，水利水电工程测量技术的发展势头也十分强劲，一些先进的测量技术对水利水电工程施工起到了很好的“事半功倍”的作用，例如，GPS定位测量技术、变形测量技术、数字地形测量技术和水底地形测量技术都是近年来涌现出的新颖的水利工程测量技术。在实践应用中，上述技术的高效性、高精度性和便捷性得到了业内技术人员的一致肯定。综上所述，对这些全新的水利工程的测量技术进行研究和总结，了解其应用领域、技术特性和发展趋势，并详细探讨这些测量技术的优缺点，将对我国水利水电工程测量技术的革新有着积极的意义。

2 水利水电工程测量技术的发展综述

2.1 GPS定位测量技术

控制测量技术向来是水利水电工程测量技术发展的重要分支。近年来，随着无线技术、传感技术和信息技术的飞速发展，传统的水利水电控制测量技术也发生了新的变革，逐渐呈现出以“GPS无线定位测量技术”为主的全新发展方向。

GPS是全球定位系统的简称，它由美国研发并于1994年投入应用，该系统主要由空间卫星群和地面控制系统两大部分构成。空间卫星群由24颗卫星构成，它们的运行周期为11小时58分，以实现对地球上任何地点的“无缝覆盖”监测；地面控制系统由1个主控站、3个注入站和5个监控站构成，主要完成对测量数据的录入。GPS技术的研发源于上世纪50年代末，原本是美国军方的一个项目，1964年正式投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过 20余年的研究实验，耗资 300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星己布设完成，这也预示着GPS全球定位系统已迈进成熟期。

测量作为较早采用 GPS技术的领域,最初主要用于高精度的大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网。现在，GPS技术还用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据采集等方面。在各种类型的测量控制网的建立方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为主要的技术手段。

随着测量技术的不断革新，GPS技术在工程定位测量领域得到了广泛的应用，其主要技术特性体现在以下几个方面：

2.1.1 使用精密卫星星历。

精密卫星星历是GPS技术精密定位的重要保证，利用精密卫星星历，调制在L1载波上的卫星轨道参数、卫星轨道信息等参量能够被计算得更为精确，测量误差率可以得到有效控制。

2.1.2 区域范围小，网中基线边较短。

一般来说，采用GPS技术能够使得接收机的卫星信号具有类似的误差特性，且接收网中基线边误差不会超过5KM，在信号接收的过程中，能够通过差分解算使得公共误差得到很大程度的抵消，从而获得高精度的测量数据。而区域范围小、网中基线边较短的特性也成为了GPS测量技术的核心优势。

2.1.3 测量点选择灵活。

传统测量模式下，相邻的测量点之间需要互相通视，因此对测量工作条件和人员素质要求较高，且人眼观测也会使得测量的精度降低。在GPS测量中，无需考虑站点的互相通视，测量的数据完全依靠卫星给出，精度和灵活性都得到显著提升，测量的过程完全由计算机自动完成。

由于 GPS技术具有精密性高、区域范围小、测量点选择灵活等优势，近年来在水利水电工程项目测量中得到了广泛应用。例如，在我国三峡水利工程项目的截流施工阶段，施工方面应用了静态GPS测量技术，创建了三等平面控制网；在库区滑坡监测工程中，项目组也应用 GPS与GLONASS进行组合，对12个滑坡体进行了准确定位监测。

2.2 变形测量技术

变形测量又称为变形观测，在具体的应用中，通过对监测对象的变形测量，确定物体内部形态的变化特征，从而确定被测物体的形态。变形测量技术是现代水利水电工程测量的全新发展分支，能够对水利水电工程项目的基准网、工作基点、变形体和监测资料进行分析和测量。常用的变形测量技术包含以下几种：

2.2.1 大地测量技术。

通过采用电子水准仪、精密全站仪等设备，以三角测量、几何水准测量和三角高程测量作为技术手段，完成变形监测基准网、工作基点和变形体变形测量等工作。该种技术的优点为：理论方法成熟，测量数据精准，成本较低。缺点为：观测强度较大，数据处理智能化较低。

2.2.2 液体静力水准测量技术。

该技术是变形测量技术的一个发展分支，主要应用在水利工程坝体廊道内高程观测和高程传递，在具体的测量过程中，主要通过传感器对水体的高度进行定位和测量。该技术的优势为：精度高、智能性好，能够同时测量数十个监测点。缺点为：成本较高，测量数据处理过程较复杂。

2.2.3 基准线测量技术。

该技术广泛应用在对土石坝、重力坝等直线形状水利大坝坝体的测量中，在具体的应用中又分为引张线法、视准线法、大气激光准直法等。

（1）引张线法：该种测量方法被广泛应用在对水利大坝的位移监测中。目前，主要的测量仪器包含光电跟踪式引张线测量仪、电容感应式引张线测量仪、CCD引张线测量仪和电磁感应式引张线测量仪。由于取消了测量系统中的浮托设备，引张线测量仪器的精度得到了大大提升，因此，该种测量方法的主要优势在于：设备简单、测量精度高、速度快、成本较低以及自动化程度高。

（2）视准线法：该种测量方法主要应用在坝体较短的水利大坝测量中，此外，还可应用在高边坡、滑坡体等地势的水平位移数据测量中。视准线法的优点在于：设备采购便捷、操作简单、成本费用较低。缺点在于：测量精度与大气光照角度、光照精准度等因素有密切关联，因此，具体的测量数据容易受到大气光照角度、光照精准度的影响，精度较低。

2.3 数字地形测量技术

数字地形测量技术也是近年来兴起的一种水利水电工程测绘技术。该种技术主要基于全站仪和信息技术的发展，通过应用三维测绘软件、数字成图软件等，对水利水电工程项目进行专业测绘和成图，同时，还能够应用数字GIS设备对测量的数据进行精确采集和处理。一般来说，数字地形测量技术的应用模式主要分为电子平板数字系统、测记法数字系统和掌上数字测绘系统三个部分。上述三个系统各有优势。

2.3.1 电子平板数字系统。

该系统主要由全站仪、便携机和支持软件构成，在具体的操作中，以测站和镜站两种方式为主。该系统的优势为：成图精美、作业直观，测绘精度高。缺点为：系统设备稳定性较差，仅适用于地势平坦的水利水电工程项目测量。

2.3.2 测记法数字系统。

该系统由全站仪、GPSRTK和绘图软件构成，能够对各类环境的地形进行测绘，且精度和智能化水平较高；但由于设备本身的设计缺陷，可能产生作业不直观、地物错漏等问题。

2.3.3 掌上数字测绘系统。

该系统主要由全站仪、掌上测图系统和绘图软件构成。由于掌上测绘系统具有便携性高、可视化程度强、操作便捷等优势，因此，在具体的水利水电工程项目测量中，技术人员可将平板电脑、PDA等硬件设备与数字测绘软件系统结合起来，实现便捷、高效的测量。同时，掌上数字测绘系统还可以与无线技术融合，利用无线远程传输功能，能够实现野外测绘数据的适时传送，大大提升了水利水电工程项目测绘数据传输、处理的效率。

目前，数字地形测量技术在我国水利水电工程项目中得到了大范围的推广和应用。例如，2012年1月，在我国长江勘测规划设计研究有限公司承担的巴基斯坦KAROT水电站项目建设中，项目组便利用电子平板数字系统，对 KAROT水电站坝址区和水库区进行了GPS控制测量、断面测量等作业，为建设方提供了精准的测量数据。

2.4 水底地形测量技术

传统的水底地形测量技术具有误差较高、作业效率较低等劣势，主要原因为：传统模式下，水底地形测量技术主要依赖经纬仪、测距仪等工具，接着采用断面法作为测量理论基础，并结合测深锤进行坝低水深数据的搜集。上述过程中，由于仪器精度不高，测量环境中未知因素较多，因此，对测量的精准度带来较大的负面影响。

近年来，随着GPS、DGPS、CORS等技术的飞速发展，水底地形测量技术可依靠的仪器变得更为多元化。目前，业内技术人员主要依赖卫星定位技术与多波束探测仪之间的紧密配合，对大坝水底的地形进行测量。在具体的测量过程中，技术人员依靠先进的设备，将差分全球定位系统搜集的测量对象作为基准参照点，而将多波束探测仪与GPS接收机作为测量信号的判定与接收装置，接收装置能够对测量仪器反馈回的测量数据进行有效接收，并明确测量的误差与伪距之间的修正值。对数据进行修正是该种测量方法的一大特点，测量对象的参数能够得到适时的修正，从而提升测量的连续性和数据的精准度。例如，以CORS系统为核心的水底地形测量技术能够将测量的精准度提升到厘米级别。