龔 振 文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

·測量·

論水電站工程測量技術(shù)及測繪新技術(shù)應(yīng)用

龔 振 文

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

以云南龍盤水電站為例，闡述了水電站工程測量內(nèi)容，探討了測繪新技術(shù)在水利控制網(wǎng)布設(shè)、地形測量和水利施工放樣、變形觀測和測繪信息系統(tǒng)等方面的應(yīng)用情況，并分析了水利工程的測量發(fā)展方向，以降低水電工程勘測的難度和工作量。

水電站，測量，三維激光掃描技術(shù)，信息系統(tǒng)

0 引言

云南地處云貴高原,山高坡陡,河流縱橫,高差變化較大,地廣人稀,而水利工程常建在邊遠(yuǎn)地區(qū),山高路遠(yuǎn),遠(yuǎn)離城區(qū),交通不便,測量工作難以開展，而常規(guī)水利工程測量還僅限地面觀測技術(shù)，無當(dāng)今“天地一體化觀測”方式,手段單一,觀測技術(shù)沒有實現(xiàn)自動化，耗時耗力,是小地區(qū)測量,精度無法保證，不是按需測繪，應(yīng)用范圍和服務(wù)對象局限性較大，不能高效快速完成測繪工作。如采用信息化測繪技術(shù),就能在大范圍,高精度,全過程為水利工程提供優(yōu)質(zhì)地理信息服務(wù)，保證大壩的施工質(zhì)量和在計劃工期內(nèi)竣工。水電站工程測量由規(guī)劃設(shè)計階段地形圖測繪,施工階段放樣工作,水電站發(fā)電生產(chǎn)階段變形監(jiān)測組成，涉及內(nèi)容多,施工周期長,需測繪的范圍廣、常規(guī)測繪技術(shù)已無法勝任高效,快速,精確，全程的工作。

1 工程概述

龍盤水電站處云南省金沙江中游河段,石鼓鎮(zhèn)沿金沙江向下游48 km,在著名景點虎跳峽附近，到麗江市有80.5 km，到香格里拉縣有96 km。龍盤上游地形平坦開闊，適合建水庫，總裝機容量420萬kW，水庫正常蓄水位為2 010 m。總庫容371億m3，水庫建成能對下游水電站進(jìn)行庫容調(diào)節(jié)。工程總投資326億元,其水位落差達(dá)187 m(見圖1)。

2 水電站規(guī)劃設(shè)計階段的測量工作

1)機載激光掃描技術(shù)應(yīng)用于流域規(guī)劃階段的測量。

機載激光掃描技術(shù)運用于大型工程項目設(shè)計規(guī)劃階段的1∶200,1∶500地形圖測繪,測定局部地區(qū)河流的橫斷面,RTK技術(shù)測繪水下地形圖,在圖上進(jìn)行整個流域規(guī)劃，規(guī)劃梯級開發(fā)方案，合理地選擇樞紐的位置和分布。在進(jìn)行梯級布置時，測定局部地區(qū)河流的橫斷面及水下地形圖。

2)用三維激光掃描技術(shù)測量繪制大比例地形圖,建立數(shù)字水電。

金沙江虎跳峽地區(qū)山高坡陡,地勢險峻,用常規(guī)測量儀器將十分困難，而將三維激光掃描技術(shù)用于水電站1∶500,1∶1 000的地形圖測繪，與GPS結(jié)合,當(dāng)作超站儀使用,測站坐標(biāo)由GPS獲得，自由設(shè)站。三維激光掃描儀獲得地形、地貌數(shù)據(jù),經(jīng)內(nèi)業(yè)處理高效完成電站地區(qū)地形圖測繪任務(wù)，并以逼真的影像建立地形,地質(zhì)三維模型,如把壩體、導(dǎo)流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑,各種設(shè)備、管線的三維模型疊加上,實現(xiàn)水電站數(shù)字化設(shè)計和管理(見圖2)。

3)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)應(yīng)用到水電站工程。

采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)測繪水電站項目區(qū)的地形圖,立面圖，斷面圖，三維影像。從測繪成果能實時獲取工程建設(shè)過程,以及竣工后的工程數(shù)據(jù)和地理信息，實時傳輸給工程監(jiān)理人員檢查施工質(zhì)量,為工程竣工驗收提供資料,而工程運營期也可進(jìn)行變形觀測。

4)水利勘測設(shè)計一體化系統(tǒng)的建立及應(yīng)用。

由無人機拍照水電站區(qū)域的航空攝像片，通過數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，繪制地形圖。用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取水電站區(qū)域綜合地質(zhì)信息,把無人機和衛(wèi)星遙感技術(shù)所獲地形，地質(zhì)信息疊加并輸入到GIS中，在此系統(tǒng)完成水電站工程的規(guī)劃、設(shè)計，施工，管理、決策工作。并為水電站項目立項，可研、綜合評估，方案論證，決策，水利工程勘測設(shè)計等工作提供強有力的地理信息保障。在三維GIS中進(jìn)行水電站工程選址工作,可實時調(diào)整大壩、地下洞群、廠房等三維布置,可多方案的比選、進(jìn)行方案可視化,高效,快速的優(yōu)化設(shè)計(見圖3)。

5)應(yīng)用全景真三維技術(shù)進(jìn)行水電站規(guī)劃設(shè)計管理。

全景真三維技術(shù)用機載方式獲取的多角度傾斜影像數(shù)據(jù)，或用機載激光掃描系統(tǒng)獲取的地面高程數(shù)據(jù),全自動化的直接生成全景真三維立體影像，全景系統(tǒng)可以為水電站規(guī)劃、設(shè)計、管理提供形象,直觀,詳實的地理信息。它也可實時把水電站周圍的山體滑坡,坍塌等地質(zhì)災(zāi)害情況,水旱災(zāi)害情況進(jìn)行現(xiàn)場全景圖像獲取，用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，使建設(shè)管理部門在第一時間掌握災(zāi)情，及時做出正確的決策，也可實時把水電站施工期,運營期的全景真三維立體影像實時采集為優(yōu)化水電站規(guī)劃,設(shè)計,管理工作提供第一手形象,直觀,詳實的工程圖像資料(見圖4)。

3 水電站建設(shè)施工階段的測量工作

1)控制網(wǎng)測量。

由于水電站是大型工程，首級GPS平面控制網(wǎng)按二等GPS控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，加密控制測量網(wǎng)按三,四等GPS控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè),它能實時得到測點三維坐標(biāo)。目前正被廣泛應(yīng)用于中小型的水電站施工平面控制網(wǎng)測量中,同時它也適合于水電站等部位的施工定位。

2)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK或單基站GPS連續(xù)運行參考站進(jìn)行大型水電站的施工測量。

網(wǎng)絡(luò)RTK是多基站RTK,服務(wù)范圍大,應(yīng)用內(nèi)容廣,基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星的信號，存儲和發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，用服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)差分服務(wù)和用戶管理，用無線通信網(wǎng)絡(luò)把基準(zhǔn)站網(wǎng),流動站和數(shù)據(jù)處理連成一個系統(tǒng)，極大提高了精度和可靠性。當(dāng)進(jìn)行水工隧洞施工測量時,洞外控制測量采用GPS技術(shù)、洞內(nèi)控制測量、聯(lián)系測量、隧洞中心線放樣、開挖斷面和襯砌斷面的放樣等測量工作采用測量機器人來完成,用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行大壩的施工放樣包括壩軸線的測設(shè)、清基中的放樣工作、壩體分塊控制線的測設(shè)、壩體澆筑中的放樣工作，用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)也可進(jìn)行水電站廠房施工控制網(wǎng)的建立、基礎(chǔ)開挖測量、廠房建筑放樣測量等。在建立廠房控制網(wǎng)時，其點位精度和點位分布都應(yīng)考慮機組的安裝測量。用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)安裝測量，包括閘門、壓力管道、機組設(shè)備放樣，單基站GPS連續(xù)運行參考站應(yīng)用使測量和放樣高效,快捷,精度均衡分布,減少了因技術(shù)水平不等的人為因素(見圖5)。

3)用GIS建立工程測量信息系統(tǒng)。

由工程測量數(shù)據(jù)庫,三維數(shù)字地形模型,工程三維模型及可進(jìn)行信息可視化查詢、分析、統(tǒng)計的軟件組成的工程測量綜合信息系統(tǒng),可對大量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、發(fā)布,進(jìn)行水工建筑物施工全過程的三維全景展示，達(dá)到信息的高效利用。為水電站工程的規(guī)劃設(shè)計,施工管理提供信息服務(wù)。

4 水電站運營管理階段變形監(jiān)測

1)用GPS、三維激光掃描儀、測量機器人、D-InSAR進(jìn)行變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。

用測量機器人可固定的測站上架設(shè)儀器，由遠(yuǎn)程在線監(jiān)控管理,自動完成大壩觀測點的采集、傳輸、處理、分析、變形危害預(yù)警等工作。也可用1臺GPS接收機,多天線布置監(jiān)測點技術(shù)完成大壩安全監(jiān)測,也可用GPS連續(xù)運行參考站對大壩工程建設(shè)進(jìn)行實時、有效、長期的變形監(jiān)測，也可用中程激光掃描儀進(jìn)行大壩的變形監(jiān)測。可克服近景攝影測量,GPS及測量機器人的點少,不能全覆蓋的缺點,能高效快速得到高密度高精度的觀測數(shù)據(jù)，近乎復(fù)制式的大壩變形監(jiān)測。因此在變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用GPS、三維激光掃描儀、測量機器人、D-InSAR等最新測繪技術(shù)進(jìn)行形變監(jiān)測。實現(xiàn)變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)獲取自動化；將實現(xiàn)多層次集成化變形監(jiān)測的設(shè)備；將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化處理與分析變形數(shù)據(jù)。

2)用三維GIS進(jìn)行變形數(shù)據(jù)分析,險情模擬,預(yù)警。

用三維GIS建立水電站安全監(jiān)測系統(tǒng),對水電站各水工建筑及設(shè)施進(jìn)行三維仿真,分析處理安全監(jiān)測數(shù)據(jù),并進(jìn)行動態(tài)模擬;能直觀、快捷、準(zhǔn)確地了解和分析建筑物的安全狀況,作出科學(xué)決策。

5 3S技術(shù)應(yīng)用于水電站工程規(guī)劃設(shè)計及管理

3S集成把GPS技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)融為一體，由GPS和RS向GIS輸送海量的水電站測區(qū)地形,地貌等空間數(shù)據(jù)，由GIS進(jìn)行水電站測區(qū)的空間分析、預(yù)測、決策，完成水電站工程規(guī)劃設(shè)計及管理工作。

水電站工程規(guī)劃需大量地形,地貌,水文,地質(zhì)及社會經(jīng)濟等各方面信息,而RS和GPS的結(jié)合能夠為水電站工程規(guī)劃提供大量實時的數(shù)據(jù)信息，GIS可把RS和GPS所測繪得到的各種數(shù)據(jù)裝進(jìn)電腦,進(jìn)行可視化的規(guī)劃設(shè)計、管理、監(jiān)測,如水電站工程的總體布局方案比選、論證、分析、評估,模擬水電站工程的環(huán)境、生態(tài)影響，也可進(jìn)行水電站工程景觀地規(guī)劃、水電站工程環(huán)境及生態(tài)規(guī)劃、水電站工程交通規(guī)劃等。3S可用在庫區(qū)空間形態(tài)、地形地貌地質(zhì)構(gòu)造、三維水流流動的展示,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行水電站工程選址、大壩及堤防,各水工建筑,水電站廠房的規(guī)劃、設(shè)計、施工管理工作，例如水電站建設(shè)淹沒范圍,移民安置規(guī)劃、農(nóng)業(yè)灌溉用水渠道選線及環(huán)境影響評價、防洪規(guī)劃、水電站工程抗震設(shè)計、金沙江河道管理、水電站工程物料貯運管理。

總之3S技術(shù)觀測、分析、預(yù)測、決策的各種信息接入水電站勘測設(shè)計系統(tǒng),工程測量信息系統(tǒng),電站日常管理辦公系統(tǒng)，加上實時三維GIS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)就能形成“天地一體化”的大測繪系統(tǒng)(見圖6)。能實時為規(guī)劃設(shè)計及管理部門提供海量信息,以便作出科學(xué)決策,因此3S集成具有實時采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能,是新地理信息時代的智慧測繪手段(見圖7)。

6 水電站工程測量技術(shù)的展望

把網(wǎng)絡(luò)RTK超站儀、測量機器人，三維激光掃描系統(tǒng)，CORS，RTK，3S集成系統(tǒng)等應(yīng)用到水電站工程規(guī)劃設(shè)計,施工放樣及變形監(jiān)測是工程測量技術(shù)一次全新顛覆性的技術(shù)革命。地面三維激光掃描技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、大范圍地獲得地面三維信息，明顯降低了水電工程中勘測的難度和工作量，用GPS連續(xù)運行參考站

及RTK系統(tǒng)與測量機器人進(jìn)行測量工作可提高工作效率，適應(yīng)信息社會信息化測繪的要求。應(yīng)用GIS技術(shù)建立工程測量信息系統(tǒng)，把水電站工程測量各階段測繪成果裝入工程測量信息系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息,水電站工程規(guī)劃設(shè)計,施工,管理人員隨時方便查詢,利用相關(guān)工程地形,地質(zhì)等信息,為優(yōu)化設(shè)計,工程順利進(jìn)行,保證施工質(zhì)量,大壩的安全運行保駕護(hù)航,為工程全過程提供測繪技術(shù)支持和保障。

用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、3S技術(shù)虛擬現(xiàn)實，航空與航天技術(shù)，獲取影像,按照統(tǒng)一坐標(biāo)無縫拼接而成可以迅速建立基于真實影像的三維數(shù)字水電站，人們可以直觀的從三維水電站上判讀出山川、河流、道路,提供給使用者一個與真實生活環(huán)境一樣的三維水電站環(huán)境。通過對三維水電站的數(shù)字化管理，為水電站建設(shè)、企業(yè)管理、險情監(jiān)控提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務(wù)，提高水電站整體信息化管理和經(jīng)營管理水平。使水電站規(guī)劃，設(shè)計、管理，決策科學(xué)化、實時化、數(shù)字化、高效化、信息化。

將來用物聯(lián)網(wǎng)把水電站中的大壩及堤防,各水工建筑,水電站廠房、公路、橋梁、隧道等相連。加上實景三維技術(shù)、3S技術(shù)及網(wǎng)絡(luò),能實時觀測水電站工程全景,就能實現(xiàn)實景化水電站工程規(guī)劃設(shè)計管理，實現(xiàn)可視、可量測、可分析、可決策的智慧測繪,工程測量將進(jìn)入實時化、數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集及處理、網(wǎng)絡(luò)化、社會化的測繪成果服務(wù)的信息化測繪時代。

7 結(jié)語

測繪新技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，使傳統(tǒng)水利工程測量技術(shù)發(fā)生全新的變革，全面應(yīng)用到水電站地形測繪，施工放樣，竣工測量。信息化測繪將在水電站勘測、施工、監(jiān)測、管理方面全面應(yīng)用。未來的水利工程測量將是“天地一體化”的立體測繪,將是能夠?qū)崟r、智能地采集和處理海量空間數(shù)據(jù)，提供空間信息和知識服務(wù)的信息化測繪,智慧測繪。

[1] 鄢文生.解析水利工程施工測量技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(2)：59-60.

[2] 李超洪.淺談水利工程的施工測量[J].中國科技信息，2009(2)：11-13.

[3] 宋 宏.地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].測繪技術(shù)裝備，2008(2)：85-86.

Discussion on the application of hydro power station engineering measurement technology and surveying and mapping new technology

Gong Zhenwen

(WaterResourcesCollege,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

Taking the Yunnan Longpan hydro power station as an example, this paper introduced the measurement contents of hydro power station engineering, discussed the application situation of surveying and mapping new technology in hydraulic control network layout, topographic measurement and water conservancy construction lofting, deformation observation and surveying and mapping information system and other aspects, and analyzed the measurement development direction of water conservancy project, in order to reduce the difficulty and workload of hydro power engineering survey.

hydro power station, measurement, 3D laser scanning, information system

1009-6825(2015)05-0179-03

2014-12-09

龔振文(1963- )，男，副教授

TU198

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