GPS-RTK+南方CAS S在中小型水库库容测量中的应用

（临武县水务局郴州市424300）

GPS-RTK+南方CAS S在中小型水库库容测量中的应用

邓国法

（临武县水务局郴州市424300）

随着GPS-RTK技术的广泛应用，南方CASS地形地籍成图软件强大的绘图及计算功能。现代化的测量技术及绘图计算方法将得到大力发展及推广，文章结合临武县中小型水库库容测量的实际经验，综合介绍了GPS-RTK+南方CASS在中小型水库库容测量中的具体应用，该方法和测量经验可供中小型水库库容测量参考。

GPS－RTK南方CASS库容测量

中国中小型水库分布范围广、数量大，直接关系当地民生经济及社会效益。但许多中小型水库库容曲线精度低或没有库容曲线，直接影响到水库的防洪安全及灌溉、养殖、发电等效益。面对严峻的抗洪减灾，防汛抗旱工作任务，如何获得高精度的库容曲线是每座水库运行管理部门急需解决的难题。传统的野外测绘工作因投入大，耗时长、精度低等原因已被淘汰。GPS动态相位差分技术RTK可实时获得厘米级的三维坐标，野外数据采集速度快、精度高、无累积误差,操作简便,作业人员少等，南方CASS地形地籍成图软件工程应用模块中集成的土方计算功能，适用于复杂地形的库容计算，具有操作简单，计算准确的优点。GPS－RTK+南方CASS库容测量技术可在中小型水库库容测量中推广运用。

1 库容数据现状

临武县地处湖南省最南部，2015年底统计，临武县登记注册中小型水库共83座，从2003年开始水库除险加固，统计发现临武县区域内水库部分库容数据缺失，部分库容数据精度低，可利用价值不高。其原因如下：

（1）临武县83座水库中有53座修建于20世纪50～60年代，限于当时的历史条件及投入不足，缺少地形图，无库容数据。部分水库库容数据是在1∶10 000地形图上量算得出，各项误差较大。

（2）水库经过多年的后期开发利用，如修建公路、水库围堰、土石方开挖、清淤改造等必定造成库容变化大；且水库长期运行，部分水库淤积严重。

（3）水库除险加固后，坝顶或溢洪道高程发生变化。水库特征参数变化，无对应库容数据。

（4）所有中小型水库均无大比例尺库区地形图或数字化地形图，无法找到建设时保存完好的控制点，库容曲线及水库水位无法对应使用。

以上原因造成库容数据缺失及严重的不准确，水库运行管理部门无法对水库的日常运行及度汛抗旱工作进行管理。更为严重的是影响水库防洪安全以及水库效益的发挥，威胁人民群众的生命和财产安全。为从根本上解决以上问题，2012年11月临武县水务局组建了中小型水库测绘队，全面展开临武县中小型水库地形测量及库容测量。

2 测量方法和过程

2.1 GPS－RTK测量

常规测量作业方法在库容测量中的缺点：中小型水库多地处山区，交通困难，甚至只能步行到水库。工程工期紧，任务重大，精度要求高，需投入大量的人力和设备，测量精度难以保障。虽然GPS水下地形测量在库容测量中的优势非常明显，且不用降低水位。但对于数量众多，交通不便，工作经费有限的中小型水库还是有他的局限性。水下地形测量作业系统要携带GPS设备、数字化测深仪、测量船、笔记本电脑及其他工具、绳索、吊具设备等，水下地形测绘团队人员多，技术要求高，需配备专业测量船驾驶员，县级水利部门很难配置。

实时动态测量系统（Reak time kinematic）简称RTK，GPS－RTK测量以精度高、控制点及测站之间不要求通视，观测时间短，不受天气及夜间限制，可全天候作业，效率高，自动化程度高，操作简便。可实现测绘过程自动化、测绘产品数字化、提高了作业效益和成图精度，体现了高科技测绘技术的高效性和科学性，同时地形图后期修补测更为方便。

2.2 仪器设备、人员配置

本次测绘采用的仪器是南方RTK S86－2013,可接收我国自主研发的BDS北斗卫星定位系统、美国GPS全球卫星定位系统和俄罗斯GLONASS全球卫星定位系统等3个国家的卫星系统数据。多星座、多频段接收使RTK外置电台典型作业半径8 km，平面精度达到±1 cm+1 ppm，高程精度达到±2 cm+1 ppm，完全满足库容测量精度要求。同时S86－2013内置了发射电台，收发一体内置电台，打破了基准站与移动站之间的界限，两者之间可完全互换使用，内置电台可以不携带电瓶、外置电台、天线，只需携带2～3台GPS－RTK主机就可完成测量，内置电台大大减少了测量设备的携带，省略了外置电台架设工作，且测量点位精度不受影响。使用内置电台可以在（3～5）km半径范围内进行RTK测量，非常适合中小型水库库容测量。为节约开支，提高效率，本次测绘采取最精炼人员配置组合：主测1人，跑尺员2人，小工1～2人，车辆1台，南方S86－2013 GPS－RTK 3台套（1+ 2组合施测，1台基准站，两台移动站），随车备用连体雨裤和充气船，测绘组合工具包1套，照相机1台，根据库区地形地貌确定是否架设外置电台。其他具体施测时，视水库测区条件及测量人员的配备而定。

2.3 外业测绘

2.3.1 建立水库永久控制点

施测人员到达水库后，首先按照测绘技术要求进行现场踏勘选点，埋设永久控制点。原则如下：

（1）一般一座水库要建立4个以上永久控制点。

（2）控制点选择在易于安置接收设备、视野开阔的位置，控制点周围15°以上不应有高大障碍物，避免吸收或遮挡GPS信号。

（3）控制点应远离大功率无线电发射源和高压输电线，避免电磁场干扰GPS信号。

（4）控制点附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，减弱多路径效应的影响。

（5）控制点应选择有利于其他观测手段扩展与联测的地方，地面基础稳定，易于点位保存、交通方便。

（6）当利用原有控制点时，应对原有控制点的稳定性、完好性，是否安全可用做检查，符合要求方可利用。

2.3.2 架设仪器、设置参数

图1 万水洞水库施测时架站实况

基准站架设仪器采用了自由设站方法（图1），根据测区情况，将基准站架设在任意位置。在实际操作过程中体验到其优点是：①基准站不用架设在已知点上，可根据情况任意架设，可选择更安全、更方便、更有利、更空旷的地理位置。②可提高精度，由于基准站可以任意位置架设，基准站可架设在控制点与测区中间，缩小基准点与移动站之间距离，提高点位精度。③自由设站不需要严格对中整平，方便快捷，省时省力，减少了对中误差的影响；不用量取仪器高，最大限度地减少量取误差，提高精度；只要把基准站固定整平即可，移动站接收到基准站差分信号出现固定解后便可以开始测量。基准站架设时应当选择较好的位置（图2），要注意以下几个要求：①基准站应架设于交通方便、视野开阔的地方，周围没有较大障碍物。②邻近不应有强电磁辐射源，减少干扰。③基准站应选择地势相对较高的地方以扩大电台的作用距离。④地形地面稳固，防止基准站架设不稳定。本次水库测量多采用自由设站方法。架设启动移动站（图3）：确认基准站发射成功后，便进行移动站架设，先将接收机设置为移动站电台模式，打开主机，设置与基准站一致的差分数据格式，移动站达到固定解后，即可在手簿上看到高精度的实时三维坐标。

图2 万水洞水库施测时基准站

图3 外置电台发射天线和移动站

2.3.3 数据采集，地形测绘

以水库拼音或测绘时间为工程名称新建工程，固定解后进行点测量。库容计算的精度，与外业数据采集密切相关。根据库容计算的精度要求，确定合适的测量精度指标。本次测点密度按照1∶500地形测图要求进行测点密度控制。根据地形地貌情况确定测量点距离，要求测点必须能控制地形、地物的变化，测点分布均匀，不得出现漏测现象，保证三角网面与地面的符合精度。测绘范围：大坝及枢纽工程全部详测，库区内高程点采集要求高于坝顶高程（5～10）m。外业数据采集要求如下：测点越密，库容计算的精度越高；平坦和坡度变化较小的地面，测点可以稀疏一些；地形复杂，地势起伏变化较快，测点应密一些。坡度变化点须采集，高差大于0.5 m的坡坎，要求坡顶和坡脚都要测点，确保沿坡坎能组成三角网。

死库容测绘：本次测量为枯水期，结合水库捕鱼时间放空水库，即可开始测量，对于死库容较大无法放空的水库，则利用充气船和5 m测杆配合测量，对于小（I）、小（II）型水库死水位不深的则穿戴连体雨裤，持移动站进行水下点位数据采集。

数据导出与传输：利用GPS－RTK进行实地测量后，将野外采集的数据存储在手薄中，当一个水库的外业数据采集完成后，将测量数据导出成南方CASS格式的DAT数据文件。

2.3.4 数字化地形成图

本次测绘主要采用“草图+编码法”测图，在野外数据采集的同时现场绘制草图，标注所测地物及地物之间的大概相对位置，记下所测地物的点号，标注要同手薄里的点号一致，在保存点位时输入地物的编码，有助于内业成图时对地形地物的记忆。数字化地形成图步骤：

（1）展点：展高程点、点号和代码。

（2）绘平面图：根据外业草图，选择相应的地图图示符号，绘制地形平面图。

（3）绘等高线：等高线的绘制是地形成图的重要环节，是表示地貌起伏的一种重要手段，也是后期库容计算的重要工作。等高线经修饰、编辑等后，最终形成数字化地形图（图4）。

图4 小水冲水库数字化地形图

3 南方CASS－DTM库容计算

3.1 计算准备工作

按照南方CASS数据格式导出原始测量数据，对导出的DAT数据文件进行校核，剔除不正确的高程点数据，收集水库已有相关资料和经过检查合格的1∶500数字化地形图（图4）。

3.2 库容计算

库容计算工作是库容测量的重要工作，传统手工计算方法的局限性，计算过程的复杂度，一直影响着库容计算的精度及效率。南方CASS地形地籍成图软件是基于AutoCAD平台开发的绘图计算软件，库容计算方法可完全采用土方计算原理进行水库的库容计算。南方CASS工程应用模块中适用于库容计算的共有以下三种计算方法：DTM法土方计算、方格网法土方计算和等高线法土方计算。

3.2.1 DTM法库容计算

由DTM模型来计算库容是根据实地测定的地面点位坐标（X，Y，Z）和库容水位计算高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的库容量，最后累计得到指定范围内的填方量即为该水位高程的实际库容量。计算顺序：

（1）根据已绘制好的地形图，判断组成三角网是否正确。如果软件自动组成的三角网在坡坎、沟、坑塘、突起和边界部分三角网组成错误，则人工删除错误三角网，保存修改正确后的三角网，根据修改完成后的三角网绘制等高线。

（2）根据三角网绘制生成的等高线，检查删除等高线与地形、地貌不一致部分的三角网，人工重组后重新生成等高线，直到一致。

（3）根据已绘制好的等高线用复合线画出每个要计算库容的水面范围，一定要闭合，但不要拟合，以免影响计算结果的精度。

（4）计算库容，输入多个设计水位标高，计算过程不需要人工干预，全部由软件自动完成。输出记录计算结果，完成计算工作。

3.2.2 方格网法库容计算

方格网法库容计算是根据实地测定的地面坐标（X，Y，Z）和库容水位高程，通过生成方格网来计算每一个方格内的库容量，最后累计得到指定范围内的填方量即为该水位高程的实际库容量。计算软件首先将方格的4个角上的高程相加取平均值与计算水位高程相减。然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积，再用长方体的体积计算公式得到库容量，方格网法简便直观，易于操作，因此这一方法在实际库容计算中应用非常广泛。

3.2.3 等高线法土方计算

本方法适用于已有库区地形图（纸质版），首先将纸质版地形图扫描矢量化得到电子地形图，但是这样的图没有高程数据文件，所以无法用DTM土方法和方格网法计算库容量。等高线法土方计算是根据矢量化后的等高线，计算任意两条等高线之间的库容量，要求所选等高线必须闭合。根据两条等高线所围面积以及两条等高线之间的高差，便可求出这两条等高线之间的库容量。

南方CASS地形地籍成图软件，工程应用模块中集成的三种计算功能,适用于复杂地面的土方量计算工作，具有操作简单、计算准确的优点，分别对4座水库进行了三种方法的库容计算结果的对比。三种计算方法都是建立在高精度、高密度测量数据基础之上，计算过程全部由软件根据单个计算单元累加计算完成，计算原理及方法严密。最终三种计算方法结果偏差不大，可见三种方法计算均不会影响计算精度，完全满足库容计算之要求。

绘制水库水位--库容关系曲线：利用CASS软件，分别计算出水库不同水位高程所对应的水库库容，得出最后测绘成果：水库水位--库容关系曲线表和曲线图（图5）。

图5 万水洞水库库容曲线图

4 小结

专家及学者关注的大型水库及高等级测量方法已相当成熟，但目前真正适合中小型水库、适合基层水利部门的水库测量技术方法有待大家的探索。以GPS-RTK+南方CASS在中小型水库库容测量中的成功应用，虽然在死库容测量中存在其局限性，需降低或腾空库水位，但仍以节约投入、省时高效、实用准确、简便易行、操作简单、精度可靠的优势在基层水利单位得到推广和应用，进而从根本上解决我国众多中小型水库、河湖的精准测绘难题。

[1]刘福臻.数字化测图教程[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

2016-12-20）

邓国法（1978－），男，湖南临武县人，大学本科，工程师，从事高速公路、桥梁、地形地籍、水库河湖测绘以及水利工程设计、水利工程运行管理16年，目前主要推广先进测绘技术在县级等基层水管单位的应用。