數(shù)字化測繪技術(shù)在水利水電工程施工中的應(yīng)用

潘娟娟 劉 顥

（青州市水利建筑總公司，山東 青州 262500）

近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)水平逐步提升，水利工程測量測繪技術(shù)也朝著更加成熟的方向發(fā)展，能夠得到更加精準(zhǔn)的工程測量數(shù)據(jù)，使水利工程項(xiàng)目的綜合質(zhì)量得到有效保障。現(xiàn)如今，基于各種新興技術(shù)逐步創(chuàng)新發(fā)展的前提下，我國逐步增加了測繪技術(shù)的研發(fā)與運(yùn)用。當(dāng)前，在水利工程測量中，GPS、GIS等技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。隨著數(shù)字化測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，可以讓水利工程項(xiàng)目現(xiàn)場勘探得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，與以往工作技術(shù)模式相比，數(shù)字化技術(shù)具有更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[1]。所以，該文主要對數(shù)字化測繪技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用進(jìn)行深入地探討。

1 項(xiàng)目背景

該文在研究過程中將某水利工程作為案例，主要建設(shè)了18條河道工程、13條河道景觀工程、117 km截污管道、9座蓄水閘壩、6座排澇泵站及32座橋梁等。這個(gè)水利工程項(xiàng)目測區(qū)地形主要是丘陵與平地，人工、植被、地物及建筑等分散不均衡。該項(xiàng)目目前具有的資料料覆蓋面較小，針對沒有DLG（包括空間信息與屬性信息）、DOM（影響數(shù)據(jù)）等區(qū)域，可以使用數(shù)字化測繪技術(shù)進(jìn)行工程測量，依據(jù)測量狀況展開后期加工處理，這樣就能夠得到該水利工程項(xiàng)目的地形圖數(shù)據(jù)。

2 數(shù)字化測繪技術(shù)在工程施工中具有的重要性

2.1 測繪準(zhǔn)確率高

工程施工建設(shè)對測繪精準(zhǔn)度的要求一直很高，唯有測繪精準(zhǔn)度滿足施工建設(shè)的要求，才可以為工程順利施工提供有利的條件。為了能夠準(zhǔn)確施工，可以將數(shù)字化測繪技術(shù)廣泛應(yīng)用在施工建設(shè)中。利用該技術(shù)測量的工程數(shù)據(jù)，不僅可以保證數(shù)據(jù)測量的精準(zhǔn)度，深入分析工程數(shù)據(jù)，而且和人工測繪方法相比，數(shù)字化測繪技術(shù)可以防止人工測繪產(chǎn)生的誤差，在一定程度上提升了數(shù)據(jù)測繪的準(zhǔn)確度，從而為工程的實(shí)行提供根據(jù)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)保持完整

數(shù)字化測繪技術(shù)能夠加快工程數(shù)據(jù)存儲工作的完成進(jìn)度，可以迅速存儲有關(guān)數(shù)據(jù)，和人工存儲方法相比，提升了數(shù)據(jù)的存儲效率，這樣就可以將數(shù)據(jù)分析作為主要工作。數(shù)字化測繪技術(shù)能夠更好的把數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用于計(jì)算機(jī)終端中，然后借助計(jì)算機(jī)分析和整理數(shù)據(jù)，在一定程度上加快了工程測繪的速度。

2.3 自動化程度高

計(jì)算機(jī)是數(shù)字化測量技術(shù)完成自動化測繪工作的主要構(gòu)成元素。其具有的較強(qiáng)分析能力，根據(jù)專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件，能夠合理分析工程數(shù)據(jù)，同時(shí)提升了數(shù)據(jù)的處理效率。通過使用專業(yè)的繪圖軟件，能夠快速設(shè)計(jì)出工程圖。

2.4 提升精確度

在工程施工過程中運(yùn)用數(shù)字化測繪技術(shù)，可以使測繪工程的準(zhǔn)確度得到有效保障。計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他新型技術(shù)進(jìn)行整合，和以往測繪技術(shù)對比，該技術(shù)更加準(zhǔn)備、便捷。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到工程測量的各個(gè)環(huán)節(jié)，能夠減少人工失誤，可以使工程測繪的準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提高。依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以詳細(xì)計(jì)算數(shù)據(jù)，掃描測繪現(xiàn)場，進(jìn)而減少施工誤差。數(shù)字化測繪技術(shù)是目前工程測量中不可缺少的主要技術(shù)，其憑借自身準(zhǔn)確度高的特征在工程施工過程中得到有效應(yīng)用。

3 數(shù)字化測繪關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字化原圖技術(shù)

數(shù)字化原圖技術(shù)在應(yīng)用過程中需要使用矢量圖掃描儀，該儀器能夠在計(jì)算機(jī)中輸入大比例尺的原圖，同時(shí)使用數(shù)字化軟件處理測量獲得的數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)據(jù)改變?yōu)閿?shù)字地形圖，在較短的時(shí)間中可以得到準(zhǔn)確度高的結(jié)果圖。在工程施工過程中，為了保證測量準(zhǔn)確度，數(shù)字化測繪原圖和結(jié)果之間必須構(gòu)建密切關(guān)系。如果在施工過程中出現(xiàn)測量誤差，就會導(dǎo)致結(jié)果圖與原圖之間存在較大誤差，將數(shù)字化測繪技術(shù)應(yīng)用于工程施工過程中，可以避免出現(xiàn)這種狀況，并且可以直觀地顯示出各個(gè)地形地貌的實(shí)際狀況，最后得到精準(zhǔn)的水利工程測量結(jié)果。經(jīng)過有機(jī)整合FBM（分層匹配方法）與LSM（最小二乘法測量）技術(shù)，能夠采用多級影響金字塔匹配計(jì)算方式計(jì)算均勻分布在每張測量圖片的連接點(diǎn)，并且確保連接點(diǎn)的匹配準(zhǔn)確度達(dá)到0.1個(gè)像素[3]。經(jīng)過采用數(shù)字化全圖技術(shù)，還可以有機(jī)整合具體的測區(qū)狀況，進(jìn)而靈活調(diào)整圖片的匹配程度，與此同時(shí)，不會受到加密區(qū)形狀、大小以及重疊度的影響，因此可以在水利工程項(xiàng)目帶狀區(qū)域數(shù)據(jù)處理中使用這個(gè)技術(shù)。

3.2 GPS技術(shù)

GPS技術(shù)是一種集海、陸、空為一體全面采用三維導(dǎo)航和定位能力的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括空間星座系統(tǒng)與用戶設(shè)備系統(tǒng)，可以24 h發(fā)揮導(dǎo)航的作用，將該技術(shù)應(yīng)用于水利工程施工中，可以精準(zhǔn)定位被測量對象的點(diǎn)、線及面，利用處理模塊改變?yōu)槿S數(shù)據(jù)坐標(biāo)。GPS技術(shù)具有非常高的精準(zhǔn)度，在使用過程中，要進(jìn)行GPS選點(diǎn)，設(shè)置幾個(gè)埋設(shè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號，然后在埋設(shè)點(diǎn)中安裝GPS接收設(shè)備，確保大功率無線電發(fā)射源與埋設(shè)點(diǎn)之間的距離間隔為50 m以上，確保周圍15°之內(nèi)不存在障礙物。使用 GPS 軟件可以通過微信進(jìn)行報(bào)表檢 索，采取靜態(tài)模式來檢測控制點(diǎn)。

3.3 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)是一種地理信息系統(tǒng)，可以對地理空間模型進(jìn)行深入分析，同時(shí)得到動態(tài)空間地理信息，可以將數(shù)據(jù)改變?yōu)橄鄳?yīng)的地理圖形。測量工作人員使用GIS技術(shù)進(jìn)行水利工程測量工作時(shí)，，在數(shù)據(jù)庫中輸入搜集的相關(guān)信息，使有關(guān)設(shè)計(jì)者可以瀏覽檢索空間數(shù)據(jù)，逐步形成GIS空間動態(tài)模型，結(jié)合對水力資源的充分了解，最終設(shè)計(jì)出科學(xué)的水利工程切入點(diǎn)，圖1為GIS技術(shù)原理圖。

圖1 GIS技術(shù)原理圖

4 測量精度分析

4.1 實(shí)際測量精度

在水利工程項(xiàng)目施工過程中采用數(shù)字化測繪技術(shù)，測量結(jié)果可以直接影響后期的質(zhì)量與精準(zhǔn)度。區(qū)域網(wǎng)平差精度在測量成圖中所出現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，其可以利用多余控制點(diǎn)對坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行具體測量，同時(shí)還可以估算攝影測量得到的坐標(biāo)數(shù)值點(diǎn)，計(jì)算公式如下：

式中：μx為X坐標(biāo)攝影測量數(shù)值；μy為Y坐標(biāo)的具體測量值；μz為Z方向攝影測量精確值；nx、ny以及nz為測控點(diǎn)的個(gè)數(shù)；X控為平面控制測量；X攝為攝影測量；∑為固定差[4]。

表1與表2主要是針對區(qū)域網(wǎng)平差的絕對定向精準(zhǔn)度指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表1中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以明確各種地形在測量過程中需要符合的定向精準(zhǔn)要求，按照這些數(shù)值可以確保各種地形測量的精準(zhǔn)度。對表2中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得知各種地形在測量過程中，平面與高程允許存在的誤差。

表1 絕對定向精準(zhǔn)要求

表2 內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)精度要求

4.2 GPS觀測

根據(jù)該水利工程的具體狀況，一共需要使用6臺Ashtech靜態(tài)GPS單幀接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基線測量，這個(gè)準(zhǔn)確度安裝工程GPS數(shù)據(jù)搜集網(wǎng)。在開展GPS測繪工程施工期間，衛(wèi)星終止高度角需要大于15°，可以成功觀察與測量4個(gè)以上的衛(wèi)星有效觀測數(shù)，大于60 min的測繪時(shí)段。每個(gè)測繪時(shí)段獲取天線高度兩次的觀測誤差值需要保持在3 mm之內(nèi)，挑選2次測得天線高的均值當(dāng)作計(jì)算值。在使用GPS測繪技術(shù)對水利工程進(jìn)行觀察與測量過程中，需要將數(shù)據(jù)剔除率控制為10%之內(nèi)，不同級別的GPS同步環(huán)的閉合差需要符合以下公式要求，如公式（4）和公式（5）所示。式中：Wx、Wy為不同級別GPS同步環(huán)環(huán)線全長閉合差，mm；n為同步環(huán)中基線邊的個(gè)數(shù)；s為基線長度標(biāo)準(zhǔn)差，mm。

4.3 GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)

表3～表5是這個(gè)水利工程測量施工過程中，統(tǒng)計(jì)最后得到的環(huán)閉合差值結(jié)果、平面平差測繪基線及繪基線殘差值的相對精度結(jié)果。

表3 環(huán)閉合差值結(jié)果

根據(jù)表3中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出，閉合差區(qū)間范圍小于5 mm（含5 mm）的環(huán)個(gè)數(shù)為122個(gè)，所占比例為47.5%；閉合差區(qū)間在5 mm～10 mm的環(huán)個(gè)數(shù)為75個(gè)，所占比例為29.3%；閉合差區(qū)間范圍在10 mm～20 cm的環(huán)個(gè)數(shù)為52個(gè)，所占比例為20.4%；閉合差區(qū)間范圍在20 mm～25 cm 的環(huán)個(gè)數(shù)為10個(gè)，所占比例為3.9%。

表4統(tǒng)計(jì)的是測繪基線的殘差值結(jié)果，其中Vx、Vy、Vn（基線向量的改正數(shù)）測繪基線小于5 mm（含5 mm）的結(jié)果所占比例分別為90.3%、79.9%、86.9%；測繪基線在5 mm～10 mm所占的比例為9.2%、18.3%、12.1%；測繪基線在10 mm～20 mm所占的比例為0.9%、2.2%、1.3%。

表4 測繪基線的殘差值結(jié)果

表 5 平面平差測繪基線的精度結(jié)果

表5統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為平面平差測繪基線的結(jié)果，其中≥1/10萬的基線邊數(shù)為412個(gè)，所占比例為94.6%，1/10×105～1/4.5×105的基線邊數(shù)為24個(gè)，所占比例為5.6%，≤1/3.5×105的基線邊數(shù)為0個(gè)，所占比例為0%，

5 數(shù)字化測繪技術(shù)在水利水電施工中的應(yīng)用

5.1 數(shù)字化圖像技術(shù)

做好數(shù)字化立體攝影測繪工作以后，需要提升測繪的精準(zhǔn)性，同時(shí)采取空三自動恢復(fù)技術(shù)測繪模型，在測量期間，需要根據(jù)編碼確定底層和地標(biāo)2個(gè)元素的數(shù)據(jù)，這樣能夠加強(qiáng)對信息的記憶。工作人員需要利用CASA軟件進(jìn)行編輯，通過AutoCAD軟件轉(zhuǎn)換搜集到的數(shù)據(jù)，格式為dwg，合理地處理線寬與線型，為了形象地對地形邊變化進(jìn)行分析，可以使用線色標(biāo)記，在編輯期間需要注意地界位置、地標(biāo)和地標(biāo)之間參考關(guān)系及等高線閉合等細(xì)節(jié)方面的問題。編輯工作完成以后要進(jìn)行復(fù)查，然后確保圖像與現(xiàn)有數(shù)據(jù)相符，使用CAD軟件復(fù)查封閉區(qū)域。利用三維軟件形成DLG三維數(shù)據(jù)，格式是DXF，然后標(biāo)記三維圖像之后改變?yōu)镈EM，利用分幅裁剪工具進(jìn)一步處理這些圖像，最終拼合成整個(gè)圖幅。完成空三圖像處理工作之后，使用DOM軟件導(dǎo)入圖像，依據(jù)圖像當(dāng)中的元素分析與改正，獲得正影像，把其處理為正影像圖像，最終轉(zhuǎn)換為DOM格式[5]。

5.2 GIS技術(shù)的應(yīng)用

GIS可以詳細(xì)分析地理空間模型，將其改變?yōu)橛行У目臻g地理信息，標(biāo)記有關(guān)的數(shù)據(jù)信息。測量者使用RS系統(tǒng)可以查詢GPS提供的定位遙感信息，然后使用RS系統(tǒng)和GIS標(biāo)注幾何信息，詳細(xì)劃分測繪地理信息的類型。信息存儲期間，構(gòu)建GIS空間動態(tài)模型，為設(shè)計(jì)人員提供形象的地理數(shù)據(jù)分析圖，熟練掌握地層結(jié)構(gòu)與有關(guān)數(shù)據(jù)，是工程設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。搜集大量信息以后，通過量化控制動態(tài)處理可以科學(xué)合理的制定方案[6]。

5.3 數(shù)字化地形處理

數(shù)字化測繪技術(shù)經(jīng)過不斷健全與完善，呈現(xiàn)出非常強(qiáng)大的地形處理功能，能夠更好地利用數(shù)字化信息繪制工程地形，有效保證工程的正常實(shí)施。數(shù)字化地形處理工作開展的過程中需要得到全站儀與RTK設(shè)備的支持，RTK設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)測量場地，平面測量精準(zhǔn)度能夠高達(dá)1 cm～2 cm，具備超高的測量精準(zhǔn)度。全站儀屬于一種光電測量設(shè)備，其運(yùn)用三角測量的方法可以明確2個(gè)點(diǎn)之間的距離，其最大測繪距離可以高達(dá)15 km，測繪精準(zhǔn)度范圍是±（5 mm+2 ppm·D），D指的是測量的距離。例如，通過聯(lián)合使用全站儀與RTK設(shè)備，能夠?qū)Φ匦螌?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)字化處理，RTK設(shè)備可以搜集地形信息，收錄與整理數(shù)據(jù)信息，為數(shù)字化地圖的形成打好基礎(chǔ)。全站儀能夠進(jìn)一步驗(yàn)證RTK設(shè)備搜集到的各種地形數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以規(guī)避測量誤差對數(shù)據(jù)結(jié)果造成的直接影響，從而可以使最后形成的數(shù)字化地形圖的精準(zhǔn)性與可靠性得到有效保障。

6 結(jié)論

總而言之，數(shù)字化測繪技術(shù)在工程施工過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，可以為整個(gè)水利工程領(lǐng)域提供便利條件，既可以從某種程度上加快行業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的提升，通過運(yùn)用各種數(shù)字化測繪技術(shù)，能夠搜集與分析更多的數(shù)據(jù)信息，為工程的施工提供有力的數(shù)據(jù)保障條件，同時(shí)數(shù)字化測繪技術(shù)還能夠自動化測量，從某種程度上來看減少了人工測量的成本，所以采用完善的數(shù)字化測繪技術(shù)，使工程測繪的總體水平得到大大提高，為工程施工過程的安全性與穩(wěn)定性得到有效保障。