李尤瑾， 崔恒軍， 焦建超

（江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司）

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化測繪技術(shù)的應(yīng)用越來越多，在不同應(yīng)用場景下，必須選擇合適的技術(shù)類型，保證技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性、合理性、可行性。數(shù)字化測繪技術(shù)具有自動(dòng)化、信息化、智能化等特點(diǎn)，可以全面提高測量工作質(zhì)量水準(zhǔn)，為大范圍、復(fù)雜化、高精度的水利工程測量工作提供了便利。

2 水利工程測量中數(shù)字化測繪技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 自動(dòng)化水平高

傳統(tǒng)的水利工程測量工作采用的是內(nèi)外業(yè)分離的方式，需要依靠人工進(jìn)行大量的野外測量活動(dòng)，然后根據(jù)測量結(jié)果繪制地圖，測量周期和成圖周期較長，而且會(huì)消耗大量的資源。數(shù)字化測繪技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提高了自動(dòng)化水平，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和分析，能夠擺脫對人力數(shù)量的依賴，室內(nèi)數(shù)據(jù)分析和室外數(shù)據(jù)采集可以同步進(jìn)行，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、修改數(shù)據(jù)的效果，保證了測量的時(shí)效性，在提高測量效率、降低測量成本方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 數(shù)據(jù)信息豐富

相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字化測繪技術(shù)進(jìn)行水利工程測量，能夠獲得更為全面豐富的數(shù)據(jù)信息，不僅包括基本的地圖信息，而且還涵蓋了地質(zhì)、地形、水文條件等相關(guān)數(shù)據(jù)，具有較高的利用價(jià)值，而且不同類型數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的兼容性，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)的支持下，雖然測繪信息量更大，但是通過全面篩查、整理后，可以將重復(fù)數(shù)據(jù)、冗余數(shù)據(jù)刪除，將獲得的數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)，滿足不同情況的使用需求。同時(shí)，獲得的測量數(shù)據(jù)可以在云端存儲(chǔ)，大大增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，有效降低了數(shù)據(jù)丟失、篡改的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2.3 測量精度更高

精確度是水利工程測量的核心目標(biāo)，而數(shù)字化測繪技術(shù)的應(yīng)用能夠較大幅度提升測量數(shù)據(jù)的精確性。在人工測量時(shí)，有些地方測量環(huán)境比較惡劣，具有不同程度的風(fēng)險(xiǎn)，難免會(huì)出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤和誤差，而且在數(shù)據(jù)整理、計(jì)算過程中，受知識(shí)儲(chǔ)備、技術(shù)能力等方面的限制，也會(huì)造成人為誤差的累計(jì)，從而導(dǎo)致測量精確度難以有效保證。利用數(shù)字化測繪技術(shù)，能夠降低惡劣條件下的測量風(fēng)險(xiǎn)，通過自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)，能夠?qū)⑷藶橐蛩禺a(chǎn)生的干擾降到最低，實(shí)現(xiàn)了提高測量數(shù)據(jù)精確度的目的。

3 水利工程測量中數(shù)字化測繪技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 GPS測量技術(shù)運(yùn)用

GPS 即全球定位系統(tǒng)，具有高精度、全天候、全覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在水利工程測量方面運(yùn)用GPS 技術(shù)，能夠依靠衛(wèi)星對測量物體進(jìn)行三維定位，利用不同定位原理，可以獲得良好的定位效果，滿足在不同環(huán)境中的測量需求。在傳統(tǒng)水利工程平面控制測量過程中，主要采用的是導(dǎo)線測量方法，無法保證測量數(shù)據(jù)的精確度，采用GPS靜態(tài)定位和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場控制網(wǎng)進(jìn)行更為科學(xué)準(zhǔn)確的測量。在該技術(shù)的幫助下，只需要耗費(fèi)15min左右的時(shí)間，就可以完成18km以內(nèi)區(qū)域的相對靜態(tài)定位，而且定位精度在40km范圍內(nèi)只有5×10-6～8×10-6。假如對300m～1500m 范圍內(nèi)的水利工程進(jìn)行定位測量，利用GPS技術(shù)，平面測量誤差不會(huì)超過1mm，所以，GPS技術(shù)在水利工程平面控制測量中運(yùn)用具有較高的可靠性。

在水利工程測量中，GPS 的動(dòng)態(tài)定位測量技術(shù)也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，在橫斷面測量、縱斷面測量、中樁測量、導(dǎo)線測量等項(xiàng)目中應(yīng)用較多，能夠擺脫透視要求的限制，在2s～4s 的測量時(shí)間就可以達(dá)到1cm～2cm 的精確度。在運(yùn)用動(dòng)態(tài)定位測量技術(shù)時(shí)，應(yīng)該提前設(shè)置某個(gè)控制點(diǎn)，在該區(qū)域位置通過靜止觀測方式觀測幾分鐘直到結(jié)束初始化工作，然后以預(yù)定采樣間隔為準(zhǔn)開始自動(dòng)觀測，基準(zhǔn)站能夠?qū)崟r(shí)獲取采樣點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)。另外，GPS 技術(shù)在水利工程高程測量方面也能夠?qū)崿F(xiàn)不錯(cuò)的效果，在明確區(qū)域性大地水準(zhǔn)面高程時(shí)，結(jié)合運(yùn)用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和GPS 測量技術(shù)，測量人員在設(shè)置現(xiàn)場GPS 觀測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該首先掌握分布均勻、密度適當(dāng)?shù)乃疁?zhǔn)測量資料，然后再通過GPS 技術(shù)獲取到現(xiàn)場觀測點(diǎn)的大地高程差。同時(shí)，以大地水準(zhǔn)面數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，計(jì)算測量點(diǎn)高程的異常差，從而獲得正常高。在許多水利工程高程測量案例中，利用GPS 靜態(tài)定位技術(shù)測量大地高程誤差只有3×10-6～4×10-6，倘若在20km 范圍內(nèi)作業(yè)測量精確度則可以控制在厘米層級，而且在此測量方式引入高級水準(zhǔn)點(diǎn)能夠獲得更為精準(zhǔn)的測量結(jié)果[2]。

3.2 無人機(jī)PPK技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字化遙感技術(shù)主要是從飛行器上利用各種傳感儀收集電磁波信息，經(jīng)加工處理后形成圖像，為工程建設(shè)提供依據(jù)，在水利工程測量中，經(jīng)常與其他測繪技術(shù)配合運(yùn)用。無人機(jī)航空攝影測量是一種低空遙感影像獲取技術(shù)，具有效率高、靈活性強(qiáng)、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為獲取地形測量成果的有效方法。河道是重要的水利工程設(shè)施，隨著環(huán)保要求的不斷提高，河道治理工程越來越多，大多數(shù)河道呈帶狀分布，周邊植被茂密，布設(shè)數(shù)量和結(jié)構(gòu)均符合要求的地面像控點(diǎn)比較困難。在這種情況下，如果采用無人機(jī)遙感技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)精度并不高，而且存在時(shí)間延遲的問題。利用實(shí)時(shí)差分技術(shù)，可以使無人機(jī)遙感測量作業(yè)少設(shè)或不設(shè)控制點(diǎn)，但是受制于通信需求作用，工作距離有限，所以也不適合復(fù)雜地形條件下的航測作業(yè)。

通過提高曝光瞬間相機(jī)的外方位元素觀測精度，能夠提高空三解算成果精度，減少外業(yè)相控點(diǎn)的數(shù)量。在無人機(jī)搭載RTK 模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合PPK技術(shù)，即GNSS動(dòng)態(tài)拆分后處理技術(shù)，能夠獲得更高精度的POS 數(shù)據(jù)，而且可以降低信號中斷和曝光延遲造成的誤差，提升空三解算精度，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)免像控航測的需求。無人機(jī)PPK技術(shù)充分利用了載波相位進(jìn)行事后差分的GNSS 定位技術(shù)，通過流動(dòng)站接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)同步觀測GNSS衛(wèi)星載波相位，并將同步接收到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行線性組合，形成虛擬載波相位觀測量，確定接收機(jī)之間厘米級相對位置，結(jié)合基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)解，計(jì)算無人機(jī)流動(dòng)站的三維坐標(biāo)，圖1 為無人機(jī)PPK 技術(shù)原理示意圖。在PPK技術(shù)支持下，獲取攝站點(diǎn)坐標(biāo)，再加上慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算，獲得高精度POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測量，從而完成了無人機(jī)免像控大比例尺測圖工作。相對于RTK技術(shù)，無人機(jī)PPK技術(shù)不需要流動(dòng)站和基站之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，所以作業(yè)半徑更大，同時(shí)解決了數(shù)據(jù)鏈易斷開的問題。

圖1 無人機(jī)PPK技術(shù)原理示意圖

3.3 GIS技術(shù)的應(yīng)用

GIS 技術(shù)在水利工程測量中的有效應(yīng)用，可以充分利用系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，不用到現(xiàn)場實(shí)地勘測就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理工作，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫資源，便于后期調(diào)用。同時(shí)，利用GIS技術(shù)中的建模程序，對采集到的地理信息數(shù)據(jù)開展自動(dòng)建模工作，構(gòu)建3D 地形圖，涵蓋基本的地理數(shù)據(jù)信息。GIS技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變了水利工程測量信息獲取的方式，獲得的地理模型屬于動(dòng)態(tài)模型，使測量工作由靜態(tài)測量向動(dòng)態(tài)測量轉(zhuǎn)變，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都可以得到實(shí)時(shí)更新，從而更加全面、準(zhǔn)確地獲取水利工程所在區(qū)域的水域資源分布情況。在進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以得到更為合理的河道切入點(diǎn)和各類灌溉設(shè)施的最佳位置，水利工程具有灌溉、發(fā)電、防洪等多種功能，需要準(zhǔn)確掌握周邊環(huán)境信息。利用GIS 技術(shù)，能夠獲取水利工程所在區(qū)域地理信息，通過判斷分析得到土地形態(tài)和利用價(jià)值，在進(jìn)行一系列初步分析后，可以對具體組成部分進(jìn)行詳細(xì)劃分，并呈現(xiàn)在地理模型中，開展進(jìn)一步分析。這樣在進(jìn)行后期開發(fā)利用時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)地理模型中的標(biāo)注信息，快速明確水利工程所在區(qū)域土地的利用價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)提高設(shè)計(jì)效率和土地利用率的目的。

3.4 智能無人船技術(shù)應(yīng)用

水利工程測量工作條件比較復(fù)雜，在面對一些特殊困難時(shí)，必須采用更加具有針對性的數(shù)字化測繪技術(shù)。在一些近海海域地形地貌調(diào)查、管線核查等測繪任務(wù)中，受氣候條件的影響，海上作業(yè)時(shí)間窗口有限，存在較大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。采用傳統(tǒng)的人工測繪難度較大，效率不高，精確度有限，而且需要消耗大量的人力、物力、財(cái)力，在測量過程中存在許多不確定性因素。智能無人船技術(shù)是融合了自動(dòng)化控制、GPS 定位以及各類識(shí)別設(shè)備的水上自動(dòng)測量綜合平臺(tái)，可以搭載各種不同設(shè)備，比如聲吶等，方便開展多種測量工作。無人船吃水淺，可以輕松靠近測繪區(qū)域，不易觸礁擱淺，自主航行貼線精度高。在有限的作業(yè)時(shí)間內(nèi)，采用無人船集群測繪作業(yè)方式，可以減少專業(yè)測繪人員的投入，有效降低了人為因素產(chǎn)生的干擾。在多船協(xié)同作業(yè)下，船艇調(diào)度、人員維護(hù)、租用管理等方面工作明顯減少，展現(xiàn)出高效精準(zhǔn)、全天候作業(yè)、氣候環(huán)境影響低等特點(diǎn)，大大提高了外業(yè)調(diào)查效率。在廣東大灣區(qū)近海海底基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查項(xiàng)目中采用了無人船集群測繪作業(yè)，根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，相對于傳統(tǒng)的測繪方式，測量效率可以提升10倍，為打造廣東海洋大數(shù)據(jù)一張圖夯實(shí)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

隨著技術(shù)的不斷成熟，無人船的自主航行、協(xié)同控制、感知避障能力越來越強(qiáng)，成為復(fù)雜淺海地形一體化和智能探測關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了水利工程數(shù)據(jù)采集的廣度、精度、準(zhǔn)度和連續(xù)性。

4 結(jié)語

綜上所述，水利工程涵蓋的范圍較廣，包括城鎮(zhèn)供水、海涂圍墾、河道清理、水力發(fā)電、港口工程等，對于社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)提升、民生改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水利工程建設(shè)需要在各項(xiàng)數(shù)據(jù)的支撐下進(jìn)行，為了提高測量數(shù)據(jù)的全面性和精確性，必須提高測繪技術(shù)應(yīng)用水平。在復(fù)雜條件下，通過自動(dòng)化、信息化測繪技術(shù)應(yīng)用，能夠降低對人工操作的依賴，提高測繪質(zhì)量和效率，為水利工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。