大型長距離輸水灌區(qū)工程測量技術(shù)研究

樂文強，顏景順，徐詠梅

(1.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023；2.廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530100）

0 引言

大型長距離輸水灌區(qū)工程與其他工程項目對比，有以下幾個特點：

（1）作為水利線性工程，經(jīng)緯度跨度較大，需要布設(shè)較為嚴(yán)密且高精度的平面、高程控制網(wǎng)。

（2）需要借助航測技術(shù)和激光雷達(dá)測量技術(shù)，提高工作效率。

（3）需要科學(xué)布設(shè)航線，保證航測飛行安全，且要布設(shè)足夠數(shù)量的像控點，進(jìn)行高精度的影像航攝。

（4）需要對隱蔽區(qū)域和航攝后變化區(qū)域及重要部位進(jìn)行補充調(diào)繪。

（5）測繪專業(yè)作為上序?qū)I(yè)，需盡快提供滿足項目階段要求的測繪成果以供下序?qū)I(yè)使用。

為解決傳統(tǒng)工程測量效率低、進(jìn)度慢的問題，本文針對大型長距離輸水灌區(qū)工程的特點，就如何高精度、快速、高效地完成測繪任務(wù)，探究有效的技術(shù)手段。

1 工程概況

廣西桂西北治旱龍江河谷灌區(qū)工程開發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉及城鄉(xiāng)供水，保障區(qū)域經(jīng)濟社會用水安全，為保障區(qū)域糧食生產(chǎn)安全、鞏固扶貧攻堅成果、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興創(chuàng)造條件。龍江河谷灌區(qū)是《廣西防汛抗旱水利提升工程實施方案》提出新建的重點灌區(qū)，已列入《“十四五”水安全保障規(guī)劃》《廣西水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》《柳江流域綜合規(guī)劃》。龍江河谷灌區(qū)工程規(guī)劃灌溉面積82 萬畝，主要建設(shè)內(nèi)容為：輸水干線長約300 km，其中隧洞段長約30 km；輸水支管16條總長約409 km。灌區(qū)位于東經(jīng)107°42′～108°58′，北緯24°08′～25°08′，平均高程為250 m，屬國家統(tǒng)一地理坐標(biāo)3°分帶的第36 號分帶。測區(qū)交通不便，地形以山地為主，植被茂密，通視困難，地形比較破碎凌亂，綜合困難程度為復(fù)雜地區(qū)類別。本工程測繪的主要任務(wù)是：①在工程區(qū)域內(nèi)建立四等GNSS平面控制網(wǎng)、四等高程控制網(wǎng)；②低空無人機航測1∶2000 正射影像DOM；③測繪工程區(qū)域1∶2000地形圖。

龍江河谷灌區(qū)工程屬于典型的大型長距離輸水灌區(qū)工程，工程規(guī)模大，工期要求緊，采取有效技術(shù)手段建立嚴(yán)密且高精度的平面、高程控制網(wǎng)及測繪高精度的地形圖產(chǎn)品，對大型長距離輸水灌區(qū)工程的順利開展有著至關(guān)重要的作用。

2 技術(shù)手段

2.1 控制網(wǎng)建立的有效技術(shù)手段

在大型長距離輸水灌區(qū)工程測量的實施過程中，需分別建立嚴(yán)密且高精度的平面控制網(wǎng)及高程控制網(wǎng)。建立平面控制網(wǎng)可采用傳統(tǒng)大地控制測量方法（三角測量、導(dǎo)線測量）及現(xiàn)代GNSS 測量方法。傳統(tǒng)大地控制測量方法耗時久、受人工干預(yù)較大，考慮到工程項目時間緊迫，使用現(xiàn)代GNSS測量方法。高程控制網(wǎng)的建立宜采用水準(zhǔn)測量方式。

2.1.1 利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建立高精度平面控制網(wǎng)

建立平面控制網(wǎng)流程：平面控制網(wǎng)布設(shè)及GNSS控制點選點埋石，平面GNSS控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，平面GNSS 控制網(wǎng)平差計算。平面控制網(wǎng)布設(shè)及GNSS 控制點選點埋石按相應(yīng)規(guī)范要求實施。大型長距離輸水灌區(qū)工程測量平面控制網(wǎng)布設(shè)時，因地形條件的限制，個別點位衛(wèi)星信號較差、觀測精度相對較低。傳統(tǒng)GNSS 基線處理，僅利用GPS、Glonass、Galileo 這三種衛(wèi)星，合格率為91.3%，某些基線在觀測條件較差時，處理失敗概率大。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯，把北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、GPS、Glonass、Galileo綜合利用起來，合格率為100%，同時提高GNSS回線閉合結(jié)果、異步環(huán)閉合差的精度。平面GNSS控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集選用兼容北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的接收機，如南方SOUTHS 86、華測i 90 等。平面GNSS 控制網(wǎng)平差計算采用Trimble Business Center（簡稱TBC）進(jìn)行。GNSS 回線閉合結(jié)果見表1，控制網(wǎng)異步閉合環(huán)結(jié)果見表2。

表1 GNSS回線閉合結(jié)果對比

表2 控制網(wǎng)異步閉合環(huán)結(jié)果對比

經(jīng)分析，增加了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)后，控制網(wǎng)各項精度均有明顯提升，特別適用于觀測條件不佳的控制網(wǎng)平差解算。

2.1.2 利用自編水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理小軟件提高高程控制網(wǎng)建立的效率

高程控制網(wǎng)建立宜采用水準(zhǔn)測量方式。基于規(guī)范要求及項目特點，本項目采用數(shù)字水準(zhǔn)儀Leica-Sprinter 350進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并利用作者編寫的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理小軟件，可快速獲取水準(zhǔn)測段高差及電子水準(zhǔn)測量記錄手簿（見圖1），并查找出水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的超限項，及時進(jìn)行補測，避免人工計算產(chǎn)生粗差或誤差。最后利用武漢大學(xué)的Coswin系統(tǒng)進(jìn)行平差處理，即可建立嚴(yán)密、高精度的高程控制網(wǎng)。

圖1 水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理軟件成果

2.2 地形圖測繪的有效技術(shù)手段

地形圖測繪包含地物采集及地形地貌碎部點采集。傳統(tǒng)地形圖外業(yè)測量采用人工實地采集碎部點方式完成。因龍江河谷灌區(qū)工程山地較多，植被茂密，地形凌亂破碎，人工實地采集碎部點作業(yè)周期長，且受衛(wèi)星信息影響較大，難以保證作業(yè)效率及地形圖產(chǎn)品精度。結(jié)合項目特點，地物采集采用低空無人機航攝，地形地貌碎部點采集采用激光雷達(dá)測量技術(shù)，結(jié)合加載高精度大地水準(zhǔn)面模型的外業(yè)調(diào)繪完成地形圖測繪。

2.2.1 利用低空無人機航測提升地物采集效率

工程區(qū)域植被種類多，且小塊狀地類居多，人工實地采集地物耗時長且效率不高。為快速完成工程區(qū)域內(nèi)的地物采集，采用大疆精靈Phantom4 RTK 無人機及飛馬D2000 無人機進(jìn)行低空航空攝影測量。大疆精靈Phantom4 RTK 無人機、飛馬D2000無人機結(jié)合動態(tài)后處理技術(shù)（PPK）可減少像控點布設(shè)，通過Context Capture Center 軟件進(jìn)行空三處理后可獲取高分辨率的立體像對及正射影像。再結(jié)合航天遠(yuǎn)景多源空間信息綜合處理平臺Map?Matrix進(jìn)行地物采集，可大幅度提升地物采集效率。經(jīng)實地用GNSS-RTK方法采集各類地物坐標(biāo)檢驗，航測采集地物與RTK采集地物坐標(biāo)對比見表3。經(jīng)分析，航測采集的地物完全滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）精度要求。

表3 航測采集地物與RTK采集地物坐標(biāo)對比m

2.2.2 利用激光雷達(dá)測量技術(shù)提升地形地貌碎部點采集效率

本工程地形以山地為主，地形比較破碎凌亂，屬于植被高覆蓋區(qū)，GNSS 信號較差。人工實地采集地形地貌碎部點作業(yè)周期長，爬山涉水，人員投入大，人工成本高，且精度難以保證。為獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)，采用華測激光雷達(dá)掃描儀AU900 進(jìn)行激光雷達(dá)測量工作。激光雷達(dá)測量系統(tǒng)軟硬件配套成熟，測程長、精度高，在復(fù)雜測區(qū)環(huán)境下，仍能保證較高數(shù)據(jù)精度，確保成果質(zhì)量，且數(shù)據(jù)形式多樣，數(shù)據(jù)成果豐富。經(jīng)實地用GNSS-RTK方法采集各處地形點高程檢驗，激光點云高程與RTK采集高程對比見表4。

表4 激光點云高程與RTK采集高程對比m

經(jīng)分析，激光雷達(dá)高程數(shù)據(jù)精度較高，在大部分地形復(fù)雜地區(qū)均滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL 197-2013）精度要求，且成本低、效率高，應(yīng)用在大型長距離輸水灌區(qū)工程測量中直接經(jīng)濟效益明顯，值得推廣。

2.2.3 采用千尋網(wǎng)絡(luò)差分信號、加載高精度大地水準(zhǔn)面模型提高外業(yè)調(diào)繪高程精度

傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)繪需擺設(shè)基準(zhǔn)站，且流動站與基準(zhǔn)站的距離不應(yīng)大于5 km；網(wǎng)絡(luò)RTK測量可不受流動站到基準(zhǔn)站間距離的限制，但應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的有限服務(wù)范圍內(nèi)。擺設(shè)基準(zhǔn)站存在基準(zhǔn)站被盜或被移動的風(fēng)險，可能造成外業(yè)成本增加或測量誤差超限。本項目工程區(qū)域內(nèi)均有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，采用千尋網(wǎng)絡(luò)差分信號可不受基準(zhǔn)站距離的限制，且可獲取全天候的水平精度2 cm、高程精度5 cm的實時定位數(shù)據(jù)，測量精度得到有效保證。試驗在作業(yè)時加載大地水準(zhǔn)面模型，校正測區(qū)中部一座國家Ⅰ等水準(zhǔn)點，用千尋網(wǎng)絡(luò)差分信號平滑采集本項目四等水準(zhǔn)點高程。經(jīng)分析，30 km 范圍內(nèi)高程誤差均小于10 cm，60 km范圍內(nèi)高程誤差均小于15 cm。故加載高精度大地水準(zhǔn)面模型可保證外業(yè)調(diào)繪的高程精度，首次在水準(zhǔn)點上校正后，后續(xù)作業(yè)可10～20 km 再用等級水準(zhǔn)點驗證，期間只需在上次采集的碎部點上驗證即可。

3 結(jié)語

本文以廣西桂西北治旱龍江河谷灌區(qū)工程為例，研究針對大型長距離輸水線路工程測量的有效技術(shù)手段，并采用數(shù)據(jù)對比分析的辦法，探究如何建立嚴(yán)密且高精度的平面、高程控制網(wǎng)，測繪滿足項目階段要求的地形圖，為類似項目提供參考。