信息化测绘成果在水利工程设计中的应用

陈海兵 李文格 尹 欣

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 前言

目前在水利工程设计中大多利用传统的平面地形图作为底图进行设计，但这些传统的测绘成果越来越难以满足日益复杂的设计需求，利用信息化测绘成果进行水利工程设计已是大势所趋。

永定河生态走廊建设工程作为北京市的重点水利工程之一，被定位为“京西绿色生态走廊与城市西南的生态屏障”，由于多年断水，加之河道内沙石被偷盗采掘，河道已变得杂乱不堪，且沿河建筑物繁多，地形复杂，给治理的设计工作也带来了很大的挑战，前期设计工作要求高、工期紧。为了能够圆满地完成各项设计任务，首次引入信息化测绘成果，实现了河道纵横断面的自动批量生成和精确土方量计算，制作了永定河三维仿真电子沙盘。充分地证实了信息化测绘成果在工程设计中的优越性。本文将对信息化测绘成果在上述三个方面的应用进行逐一介绍。

2 信息化测绘成果的生产

信息化测绘成果的基础数据主要包括数字线划图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字栅格图（DRG），亦简称4D数据。数字线划图的生产方法主要有通过传统的工程测量获取和通过航空摄影后采集两种方法，数字高程模型可以通过对传统平面测绘成果进行转化，也可通过航空摄影测量获取。数字正射影像一般是通过对航空摄影影像进行纠正获取。数字栅格图一般是通过对现有测绘成果进行处理获得。本文主要介绍利用现有测绘成果转化成信息化测绘成果及其在水利工程设计中的应用。

在传统的二维地形图中，地形都是由线段和符号来表达，难以详尽地表达出真实的地形变化，通过对地形数据构建三角网形成三维地形曲面。利用现有的技术手段来生产三维地形曲面主要是通过加密特征高程点的外业测量，然后人工提取地形变化处的三维特征线（包括等高线），如直墙、坡坎等处的特征线。在三维设计软件——Civil 3D中可利用这些三维特征线和离散高程点构建出三维地形曲面。构建三维地形曲面之后，可以轻松实现曲面数据统计及相关分析等功能。12

三维地形曲面的精度由野外实测高程点的密度和精度来决定。目前传统的测量仪器所获取的高程精度能完全满足精度要求。实测高程点的密度越大，精度越高，但生产成本也越高，且生产周期也越长。经过多次反复实验，我们认为按照 1：500地形测量的规范要求进行测量，并在地形变化较大区域适当增加相关高程点的采集，即可保证生成的三维地形曲面精度满足工程设计需求。

3 利用信息化测绘成果实现纵横断 的批自动生成

施工断面图是一项繁琐的设计工作，传统获取横断面图的方法是由测绘人员根据指定的中心线在实地放样出所需测量横断面的桩号，然后根据桩号所在位置的方位角依次测出横断面线上地形变化点的坐标高程，最后根据点与点之间的距离和高差画出断面图。

而在三维地形曲面上，根据给定的河道中心线，通过设定横断面线之间的间距可以自动生成横断面采样线，且采样线可自动获取对应的地面高程数据，并自动批量生成横断面图。Civil 3D提供了丰富的横断面格式编辑功能，通过设置完全能满足各种施工图的需求。且自动生成纵横断面图功能采用的是动态更新技术，即一旦设计曲面、地形曲面有变动或者采样线有变化，所有的断面图会根据设计变更自动更新，在遇到设计变更时，不再需要野外实地补测，极大地提高了设计人员的工作效率。

图1 横断 批 自动生成

图2 设计断 与现状断 叠加

4 利用信息化测绘成果 行土方 计算

施工土方量的计算精度问题一直以来困扰着许多设计人员，传统的土方量计算方法是以断面法进行估算，最终结果的精度由横断面截取的密度和河道地形变化的大小来决定，在同一工程区里，截取的横断面越密，土方量的计算结果精度越高，截取的两个断面之间地形变化越小，土方量的计算结果也越准。

而有了高精度的地形曲面之后，土方量的计算变得简单和可靠了。在现状地形曲面上，可以使用放坡，添加或修改特征线、特征点等方法快速生成设计曲面。指定需要进行运算的现状地形曲面和设计地形曲面，根据实地土壤情况设置松散系数等参数，即可快速计算出工程的挖填方量，程序还可以实现自动土方量平衡，自动生成土方施工图等功能。

图3 土方 自动计算义程

5 利用信息化测绘成果制作三维仿真电子沙盘

在土方量计算和断面采集等方面，地形数据越精细，测绘成果的精度就越高，同时三维地形曲面的数据量也越大，对计算机硬件的要求也越高，而且三维仿真电子沙盘系统中，我们对于地形的表达不需要上述处理过程中那么精细，一般地形数据采用数字高程模型DEM即可，因为DEM数据的数据量比三维地形曲面的数据量要小很多，利用系统浏览时能够流畅显示。数字正射影像数据的分辨率越高，影像就越清晰，在三维仿真电子沙盘系统中的效果就越好。

目前影像的来源主要有卫星影像，最高分辨率可达0.5m；航拍影像数据，最高分辨率可达厘米级，尤其是低空无人机航拍影像数据。本项目中采用分辨率为 0.2m的航拍影像数据，模型可通过平面地形图数据实现批量生成，纹理需要实地拍摄采集。

6 总结

目前高精度三维测绘产品的生产技术手段多种多样，除了已经介绍的通过二维地形图转化成三维地形曲面的方法，还可利用航摄技术或者机载雷达技术等新方法直接获取高精度三维地形数据，同时还可以获取高分辨率的影像资料，结合这些数据可制作成三维仿真场景，能任意角度任意浏览和漫游，能为项目决策层提供直观决策平台。三维测绘产品的生产流程日趋完善，为全面推广三维设计提供了有利条件。

利用三维测绘成果进行永定河绿色生态走廊建设项目的设计过程中，我们圆满高效的完成了土方量计算任务和横断面自动出图任务，比通过传统方法缩短了80%的工期，且精度还有了很大的提高。

在水利工程设计过程中，设计变更是经常出现的，以往遇到设计变更时测绘部门都需要投入大量的人力和物力去做一些近乎重复的测量工作，而现在基本可以做到一劳永逸，极大地降低了设计生产成本。

经历了首次成功的尝试，我们深刻地体会到三维设计的优势所在，三维设计这一新的设计理念是值得推广的，利用三维测绘产品进行水利工程设计也必将是未来的主流设计方法。

虽然此次利用三维设计的新方法进行工程设计取得了一些成绩，但在设计过程中也发现了一些有待提高和完善的地方，如地物的表达目前主要还需要依靠符号。利用现有技术手段生产三维测绘产品成本较高，如果利用航摄技术或者机载雷达技术，则可以更高效的生产三维测绘产品，同时还能提供高分辨率的地面影像资料，可以使地物的表达不再依赖符号化的抽象表达。目前Civil3D软件还只是一个工程设计的通用平台，针对水利工程设计的功能模块较少，较专业的水利设计功能模块还需要进行二次开发。

1. 李春根, 周飞千. 测绘成果信息化和土地信息系统的建立.浙江测绘, 2000(3): 48-50.

2. 马永生. 几种土方量计算方法的比较. 中国科技博览,2009(35): 222-223.

3. 冯玉芳, 马政才. 三维电子沙盘实现技术研究. 电脑知识与技术, 2008(30).