水利水電工程測量技術的發展

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一、水利水電工程測量技術的發展綜述

1.1GPS定位測量技術

控制測量技術向來是水利水電工程測量技術發展的重要分支。近年來，隨著無線技術、傳感技術和信息技術的飛速發展，傳統的水利水電控制測量技術也發生了新的變革，逐漸呈現出以“GPS無線定位測量技術”為主的全新發展方向。GPS是全球定位系統的簡稱，它由美國研發并于1994年投入應用，該系統主要由空間衛星群和地面控制系統兩大部分構成。空間衛星群由24顆衛星構成，它們的運行周期為11小時58分，以實現對地球上任何地點的“無縫覆蓋”監測；地面控制系統由1個主控站、3個注入站和5個監控站構成，主要完成對測量數據的錄入。GPS技術的研發源于上世紀50年代末，原本是美國軍方的一個項目，1964年正式投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS，主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星己布設完成，這也預示著GPS全球定位系統已邁進成熟期。測量作為較早采用GPS技術的領域,最初主要用于高精度的大地測量和控制測量，建立各種類型和等級的測量控制網。現在，GPS技術還用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測、航空攝影測量、海測和地理信息系統中地理數據采集等方面。在各種類型的測量控制網的建立方面，GPS定位技術已基本上取代了常規測量手段，成為主要的技術手段。隨著測量技術的不斷革新，GPS技術在工程定位測量領域得到了廣泛的應用，其主要技術特性體現在以下幾個方面：

1.1.1使用精密衛星星歷。

精密衛星星歷是GPS技術精密定位的重要保證，利用精密衛星星歷，調制在L1載波上的衛星軌道參數、衛星軌道信息等參量能夠被計算得更為精確，測量誤差率可以得到有效控制。

1.1.2區域范圍小，網中基線邊較短。

一般來說，采用GPS技術能夠使得接收機的衛星信號具有類似的誤差特性，且接收網中基線邊誤差不會超過5KM，在信號接收的過程中，能夠通過差分解算使得公共誤差得到很大程度的抵消，從而獲得高精度的測量數據。而區域范圍小、網中基線邊較短的特性也成為了GPS測量技術的核心優勢。

1.1.3測量點選擇靈活。

傳統測量模式下，相鄰的測量點之間需要互相通視，因此對測量工作條件和人員素質要求較高，且人眼觀測也會使得測量的精度降低。在GPS測量中，無需考慮站點的互相通視，測量的數據完全依靠衛星給出，精度和靈活性都得到顯著提升，測量的過程完全由計算機自動完成。由于GPS技術具有精密性高、區域范圍小、測量點選擇靈活等優勢，近年來在水利水電工程項目測量中得到了廣泛應用。例如，在我國三峽水利工程項目的截流施工階段，施工方面應用了靜態GPS測量技術，創建了三等平面控制網；在庫區滑坡監測工程中，項目組也應用GPS與GLONASS進行組合，對12個滑坡體進行了準確定位監測。

1.2變形測量技術

變形測量又稱為變形觀測，在具體的應用中，通過對監測對象的變形測量，確定物體內部形態的變化特征，從而確定被測物體的形態。變形測量技術是現代水利水電工程測量的全新發展分支，能夠對水利水電工程項目的基準網、工作基點、變形體和監測資料進行分析和測量。常用的變形測量技術包含以下幾種：

1.2.1大地測量技術。

通過采用電子水準儀、精密全站儀等設備，以三角測量、幾何水準測量和三角高程測量作為技術手段，完成變形監測基準網、工作基點和變形體變形測量等工作。該種技術的優點為：理論方法成熟，測量數據精準，成本較低。缺點為：觀測強度較大，數據處理智能化較低。

1.2.2液體靜力水準測量技術。

該技術是變形測量技術的一個發展分支，主要應用在水利工程壩體廊道內高程觀測和高程傳遞，在具體的測量過程中，主要通過傳感器對水體的高度進行定位和測量。該技術的優勢為：精度高、智能性好，能夠同時測量數十個監測點。缺點為：成本較高，測量數據處理過程較復雜。

1.2.3基準線測量技術。

該技術廣泛應用在對土石壩、重力壩等直線形狀水利大壩壩體的測量中，在具體的應用中又分為引張線法、視準線法、大氣激光準直法等。

（1）引張線法：該種測量方法被廣泛應用在對水利大壩的位移監測中。目前，主要的測量儀器包含光電跟蹤式引張線測量儀、電容感應式引張線測量儀、CCD引張線測量儀和電磁感應式引張線測量儀。由于取消了測量系統中的浮托設備，引張線測量儀器的精度得到了大大提升，因此，該種測量方法的主要優勢在于：設備簡單、測量精度高、速度快、成本較低以及自動化程度高。

（2）視準線法：該種測量方法主要應用在壩體較短的水利大壩測量中，此外，還可應用在高邊坡、滑坡體等地勢的水平位移數據測量中。視準線法的優點在于：設備采購便捷、操作簡單、成本費用較低。缺點在于：測量精度與大氣光照角度、光照精準度等因素有密切關聯，因此，具體的測量數據容易受到大氣光照角度、光照精準度的影響，精度較低。

1.3數字地形測量技術

數字地形測量技術也是近年來興起的一種水利水電工程測繪技術。該種技術主要基于全站儀和信息技術的發展，通過應用三維測繪軟件、數字成圖軟件等，對水利水電工程項目進行專業測繪和成圖，同時，還能夠應用數字GIS設備對測量的數據進行精確采集和處理。一般來說，數字地形測量技術的應用模式主要分為電子平板數字系統、測記法數字系統和掌上數字測繪系統三個部分。上述三個系統各有優勢。

1.3.1電子平板數字系統。

該系統主要由全站儀、便攜機和支持軟件構成，在具體的操作中，以測站和鏡站兩種方式為主。該系統的優勢為：成圖精美、作業直觀，測繪精度高。缺點為：系統設備穩定性較差，僅適用于地勢平坦的水利水電工程項目測量。

1.3.2測記法數字系統。

該系統由全站儀、GPSRTK和繪圖軟件構成，能夠對各類環境的地形進行測繪，且精度和智能化水平較高；但由于設備本身的設計缺陷，可能產生作業不直觀、地物錯漏等問題。

1.3.3掌上數字測繪系統。

該系統主要由全站儀、掌上測圖系統和繪圖軟件構成。由于掌上測繪系統具有便攜性高、可視化程度強、操作便捷等優勢，因此，在具體的水利水電工程項目測量中，技術人員可將平板電腦、PDA等硬件設備與數字測繪軟件系統結合起來，實現便捷、高效的測量。同時，掌上數字測繪系統還可以與無線技術融合，利用無線遠程傳輸功能，能夠實現野外測繪數據的適時傳送，大大提升了水利水電工程項目測繪數據傳輸、處理的效率。目前，數字地形測量技術在我國水利水電工程項目中得到了大范圍的推廣和應用。例如，2012年1月，在我國長江勘測規劃設計研究有限公司承擔的巴基斯坦KAROT水電站項目建設中，項目組便利用電子平板數字系統，對KAROT水電站壩址區和水庫區進行了GPS控制測量、斷面測量等作業，為建設方提供了精準的測量數據。

1.4水底地形測量技術

傳統的水底地形測量技術具有誤差較高、作業效率較低等劣勢，主要原因為：傳統模式下，水底地形測量技術主要依賴經緯儀、測距儀等工具，接著采用斷面法作為測量理論基礎，并結合測深錘進行壩低水深數據的搜集。上述過程中，由于儀器精度不高，測量環境中未知因素較多，因此，對測量的精準度帶來較大的負面影響。近年來，隨著GPS、DGPS、CORS等技術的飛速發展，水底地形測量技術可依靠的儀器變得更為多元化。目前，業內技術人員主要依賴衛星定位技術與多波束探測儀之間的緊密配合，對大壩水底的地形進行測量。在具體的測量過程中，技術人員依靠先進的設備，將差分全球定位系統搜集的測量對象作為基準參照點，而將多波束探測儀與GPS接收機作為測量信號的判定與接收裝置，接收裝置能夠對測量儀器反饋回的測量數據進行有效接收，并明確測量的誤差與偽距之間的修正值。對數據進行修正是該種測量方法的一大特點，測量對象的參數能夠得到適時的修正，從而提升測量的連續性和數據的精準度。例如，以CORS系統為核心的水底地形測量技術能夠將測量的精準度提升到厘米級別。

二、結束語

本文對水利水電工程項目測量技術的發展情況進行了總結，并詳細探討了幾種典型水利水電工程測量技術的特點、應用領域等內容。相信隨著現代科技水平的不斷提升，更多先進的測量技術將會涌現出來，為我國水利水電工程的建設發展提供更為優質的服務。

作者：陳靜 單位：吉林省水利水電勘測設計研究院