水利工程测量中数字化测绘技术的应用探析

2023-09-20李尤瑾崔恒军焦建超

智能建筑与智慧城市 2023年9期

李尤瑾，崔恒军，焦建超

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司）

1 引言

随着现代信息技术的不断发展，数字化测绘技术的应用越来越多，在不同应用场景下，必须选择合适的技术类型，保证技术应用的科学性、合理性、可行性。数字化测绘技术具有自动化、信息化、智能化等特点，可以全面提高测量工作质量水准，为大范围、复杂化、高精度的水利工程测量工作提供了便利。

2 水利工程测量中数字化测绘技术应用优势

2.1 自动化水平高

传统的水利工程测量工作采用的是内外业分离的方式，需要依靠人工进行大量的野外测量活动，然后根据测量结果绘制地图，测量周期和成图周期较长，而且会消耗大量的资源。数字化测绘技术在计算机技术的基础上，提高了自动化水平，可以远程进行数据测量和分析，能够摆脱对人力数量的依赖，室内数据分析和室外数据采集可以同步进行，而且能够实现实时监测、修改数据的效果，保证了测量的时效性，在提高测量效率、降低测量成本方面具有重要的现实意义。

2.2 数据信息丰富

相对于传统测绘技术，运用数字化测绘技术进行水利工程测量，能够获得更为全面丰富的数据信息，不仅包括基本的地图信息，而且还涵盖了地质、地形、水文条件等相关数据，具有较高的利用价值，而且不同类型数据具有较强的兼容性，在计算机存储技术的支持下，虽然测绘信息量更大，但是通过全面筛查、整理后，可以将重复数据、冗余数据删除，将获得的数据分层存储，满足不同情况的使用需求。同时，获得的测量数据可以在云端存储，大大增加了数据存储的安全性，有效降低了数据丢失、篡改的风险[1]。

2.3 测量精度更高

精确度是水利工程测量的核心目标，而数字化测绘技术的应用能够较大幅度提升测量数据的精确性。在人工测量时，有些地方测量环境比较恶劣，具有不同程度的风险，难免会出现一定的错误和误差，而且在数据整理、计算过程中，受知识储备、技术能力等方面的限制，也会造成人为误差的累计，从而导致测量精确度难以有效保证。利用数字化测绘技术，能够降低恶劣条件下的测量风险，通过自动化的数据采集、处理、存储，能够将人为因素产生的干扰降到最低，实现了提高测量数据精确度的目的。

3 水利工程测量中数字化测绘技术的具体应用

3.1 GPS测量技术运用

GPS 即全球定位系统，具有高精度、全天候、全覆盖等优点，广泛应用于各行各业。在水利工程测量方面运用GPS 技术，能够依靠卫星对测量物体进行三维定位，利用不同定位原理，可以获得良好的定位效果，满足在不同环境中的测量需求。在传统水利工程平面控制测量过程中，主要采用的是导线测量方法，无法保证测量数据的精确度，采用GPS静态定位和实时动态定位技术，能够对现场控制网进行更为科学准确的测量。在该技术的帮助下，只需要耗费15min左右的时间，就可以完成18km以内区域的相对静态定位，而且定位精度在40km范围内只有5×10-6～8×10-6。假如对300m～1500m 范围内的水利工程进行定位测量，利用GPS技术，平面测量误差不会超过1mm，所以，GPS技术在水利工程平面控制测量中运用具有较高的可靠性。

在水利工程测量中，GPS 的动态定位测量技术也具有广泛的应用价值，在横断面测量、纵断面测量、中桩测量、导线测量等项目中应用较多，能够摆脱透视要求的限制，在2s～4s 的测量时间就可以达到1cm～2cm 的精确度。在运用动态定位测量技术时，应该提前设置某个控制点，在该区域位置通过静止观测方式观测几分钟直到结束初始化工作，然后以预定采样间隔为准开始自动观测，基准站能够实时获取采样点的动态定位数据。另外，GPS 技术在水利工程高程测量方面也能够实现不错的效果，在明确区域性大地水准面高程时，结合运用传统水准测量和GPS 测量技术，测量人员在设置现场GPS 观测点时，应该首先掌握分布均匀、密度适当的水准测量资料，然后再通过GPS 技术获取到现场观测点的大地高程差。同时，以大地水准面数学模型为依据，计算测量点高程的异常差，从而获得正常高。在许多水利工程高程测量案例中，利用GPS 静态定位技术测量大地高程误差只有3×10-6～4×10-6，倘若在20km 范围内作业测量精确度则可以控制在厘米层级，而且在此测量方式引入高级水准点能够获得更为精准的测量结果[2]。

3.2 无人机PPK技术应用

数字化遥感技术主要是从飞行器上利用各种传感仪收集电磁波信息，经加工处理后形成图像，为工程建设提供依据，在水利工程测量中，经常与其他测绘技术配合运用。无人机航空摄影测量是一种低空遥感影像获取技术，具有效率高、灵活性强、成本低等诸多优点，成为获取地形测量成果的有效方法。河道是重要的水利工程设施，随着环保要求的不断提高，河道治理工程越来越多，大多数河道呈带状分布，周边植被茂密，布设数量和结构均符合要求的地面像控点比较困难。在这种情况下，如果采用无人机遥感技术获得的数据精度并不高，而且存在时间延迟的问题。利用实时差分技术，可以使无人机遥感测量作业少设或不设控制点，但是受制于通信需求作用，工作距离有限，所以也不适合复杂地形条件下的航测作业。

通过提高曝光瞬间相机的外方位元素观测精度，能够提高空三解算成果精度，减少外业相控点的数量。在无人机搭载RTK 模块的基础上，结合PPK技术，即GNSS动态拆分后处理技术，能够获得更高精度的POS 数据，而且可以降低信号中断和曝光延迟造成的误差，提升空三解算精度，从而实现无人机免像控航测的需求。无人机PPK技术充分利用了载波相位进行事后差分的GNSS 定位技术，通过流动站接收机和基准站接收机同步观测GNSS卫星载波相位，并将同步接收到的数据在计算机中进行线性组合，形成虚拟载波相位观测量，确定接收机之间厘米级相对位置，结合基准站已知坐标解，计算无人机流动站的三维坐标，图1 为无人机PPK 技术原理示意图。在PPK技术支持下，获取摄站点坐标，再加上惯导系统的姿态数据计算，获得高精度POS数据，进行空中三角测量，从而完成了无人机免像控大比例尺测图工作。相对于RTK技术，无人机PPK技术不需要流动站和基站之间进行实时数据通信，所以作业半径更大，同时解决了数据链易断开的问题。

图1 无人机PPK技术原理示意图

3.3 GIS技术的应用

GIS 技术在水利工程测量中的有效应用，可以充分利用系统中的各项数据，不用到现场实地勘测就可以进行数据采集、分析、处理工作，建立相关数据库资源，便于后期调用。同时，利用GIS技术中的建模程序，对采集到的地理信息数据开展自动建模工作，构建3D 地形图，涵盖基本的地理数据信息。GIS技术的应用转变了水利工程测量信息获取的方式，获得的地理模型属于动态模型，使测量工作由静态测量向动态测量转变，各项数据都可以得到实时更新，从而更加全面、准确地获取水利工程所在区域的水域资源分布情况。在进行水利工程设计时，可以得到更为合理的河道切入点和各类灌溉设施的最佳位置，水利工程具有灌溉、发电、防洪等多种功能，需要准确掌握周边环境信息。利用GIS 技术，能够获取水利工程所在区域地理信息，通过判断分析得到土地形态和利用价值，在进行一系列初步分析后，可以对具体组成部分进行详细划分，并呈现在地理模型中，开展进一步分析。这样在进行后期开发利用时，设计人员可以根据地理模型中的标注信息，快速明确水利工程所在区域土地的利用价值，从而实现提高设计效率和土地利用率的目的。

3.4 智能无人船技术应用

水利工程测量工作条件比较复杂，在面对一些特殊困难时，必须采用更加具有针对性的数字化测绘技术。在一些近海海域地形地貌调查、管线核查等测绘任务中，受气候条件的影响，海上作业时间窗口有限，存在较大的作业风险。采用传统的人工测绘难度较大，效率不高，精确度有限，而且需要消耗大量的人力、物力、财力，在测量过程中存在许多不确定性因素。智能无人船技术是融合了自动化控制、GPS 定位以及各类识别设备的水上自动测量综合平台，可以搭载各种不同设备，比如声呐等，方便开展多种测量工作。无人船吃水浅，可以轻松靠近测绘区域，不易触礁搁浅，自主航行贴线精度高。在有限的作业时间内，采用无人船集群测绘作业方式，可以减少专业测绘人员的投入，有效降低了人为因素产生的干扰。在多船协同作业下，船艇调度、人员维护、租用管理等方面工作明显减少，展现出高效精准、全天候作业、气候环境影响低等特点，大大提高了外业调查效率。在广东大湾区近海海底基础数据调查项目中采用了无人船集群测绘作业，根据相关实践经验，相对于传统的测绘方式，测量效率可以提升10倍，为打造广东海洋大数据一张图夯实了数据基础。

随着技术的不断成熟，无人船的自主航行、协同控制、感知避障能力越来越强，成为复杂浅海地形一体化和智能探测关键技术，有效提升了水利工程数据采集的广度、精度、准度和连续性。