现代地理信息技术在水利工程施工管理中的应用

解海军，陈丽

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450001）

1 引言

随着现代科技水平的不断发展和水利工程建设水平、要求的不断提高，施工区域内全面、准确的地理信息资料在施工管理中的作用日益显著。与传统的测量仪器实测、人工相机拍照相比，无人机航测、地理信息软件在获取施工区大范围、高清晰度的地理信息图片及数据方面，其优势较为明显，已经广泛应用于国民经济建设的各个领域。本文从水利工程施工管理角度出发，着重阐述现代地理信息技术在工程建设过程中的应用。

2 地理信息的获取途经

除采用传统现有水利部门地理信息资料，采用测量仪器进行实测，人工现场摄影外，现代化地理信息获取的方式还有无人机航拍、地理信息软件（主要为Google Earth、ArcGIS、奥维地图、水经注）下载等。

3 地理信息在水利工程中的应用

3.1 在现场踏勘期间的运用

可以实现360°全景、大区域内地形、地貌、道路、河流、生活及生产临建设施信息的全面收集，为工程筹建期之前技术人员全面、快速、细致了解工区内的施工主客观信息，开展后续工作提供便捷条件。

如利用水经注软件获取带有标识的地理信息，利用软件自带的功能将地形图转换在CAD界面中，完成现场踏勘行进路线及主要特征建筑物的标注，利用无人机航测可完成细部地形图展示。

以水经注软件为例，在根据指定区域下载卫星图（如图1所示，一般建议下载18级以内），导出为*dxf格式的CAD文件，可在CAD环境下进行相关注释操作。对于地形图中建筑物的距离、面积测量，则可在软件界面利用其相应功能完成。

图1 水经注软件下载不同精度地图

3.2 在工程规划期间的运用

借助无人机航测、地理信息软件获得的工区内全面、翔实的地理信息（见图2），可利用安装有地理信息软件的计算机进行图上尺寸丈量、提取地形等高线、3D地貌生成、地貌框图提取，在分析场地内河流、沟谷、道路、地面建筑物、动力能源等分布情况后[1]，为施工初期场区内风、水、电及道路、生产及生活营地、生产辅助设施等的布置提供充分的依据。此外，可借助地理信息软件的相关功能，实现现场踏勘路径、已知建筑物位置坐标数据的导入，以及场内建筑物特征坐标、地形数据的导出[2]。

图2 无人机获取的某水电站场地影像图

在获取施工区域影像图中，利用水经注软件功能可直接在平面地形图中量测建筑物尺寸及距离，结合南方CASS软件，可以完成该区域内地形等高线生成，借助相关等高线成图软件可完成3D地貌生成。

例如，在CASS中基于高程点生成等高线操作中，先利用水经注软件将下载的指定区域电子地图导出格式设定为“*dat”，再在CASS软件中利用“等高线”菜单中“建立DTM”“绘制等高线”选项功能，依次完成三角网建立、等高线生成。

在初期施工规划中，根据补充完善的无人机航拍信息，结合场地地貌、施工条件、时空特点，完成地埋、跨沟、架空、开挖或回填区等部位临建设施的合理布置。此外，根据初步获取的3D地貌，完成建（构）筑物占地面积、基础土石方施工工程量估算。

3.3 在方案实施期间的应用

针对水利工程不同施工时段、不同现场地理信息情况，借助现代地理信息获取方式，能够快速、有效收集对施工期有用的相关信息，根据场内施工条件变化、工程施工进度形象面貌、后续新建建筑物特点及施工要求，优化调整现场施工资源布置，选取最优施工方案，在工程质量、安全、环保目标有保障的前提下，缩短工区，实现降本增效。

在进行BIM实体建模时，可从视觉感出发，获得工程结构体型，为工程量测算、建筑物施工结构分层、分块及年月形象进度面貌控制获取有用信息。

在施工阶段，现场技术人员依照设计图纸完成建筑物BIM建模后，可将模型置于借助地理信息技术生成的三维地形中，进行场内道路优化布置，并通过计算机布尔运算，求解不规则区域土石方开挖工程。施工过程中，通过无人机现场航测，通过查看现场施工进度影像照片，通过技术手段提取的建筑物特征数据，根据施工时段划分，在BIM模型上完成相应时段建筑物体形剖切，最终求解出不同时段的完建工程量，为后续项目施工计划安排，人员、设备配置及物资供应提供依据。此外，通过无人机现场航测获取的工程建设信息，及时审核工程施工可能存在的安全、质量、进度、环保方面的问题，及时进行研判、处理。

在河南天池抽水蓄能电站上、下水库土建及金属结构安装工程施工中，中国水利水电第十一工程局有限公司与华北水利水电大学合作，采用无人机航测收集现场地理信息，创建了工程场区地形模型（见图3）和开挖地形模型，快速、便捷完成开挖工工程量统计及场区平面布置及优化。

图3 依据地形数据创建3D实体地形图

3.4 在后期运行管理的应用

水利工程在建成运行期间，需长期对大坝、厂房及库区进行运行管理，由于水利工程体型大、库区范围宽广，布置在水工建筑物内外部的检测仪器，仅能对结构内部位移、变形进行监测，无法兼顾建筑物与外围环境之间随时间推移的变化监控。如库区漂浮物、电站边坡植被、泄洪期下游河道状况、后期改建建筑物与现有建筑物空间匹配等情况，利用传统观测手段费时、费力，无法进行动态跟踪。利用无人机进行监管区航测，对传输到后方监管中心的图像、视频资料进行分析，提取坐标点位数据导入地理信息系统，在高精度电子地图中进行定位、追踪，可以及时、准确发现问题，制订有效的处置方案并付诸实施，降低或消除水库运行管理安全风险，一定程度上降低管理成本。

4 无人机、地图软件获取地理信息的缺点及对策

4.1 无人机、地图软件获取地理信息的缺点

无人机由于体积小、质量轻的特点，使其在飞行的时候易受到风力的影响，其飞行姿态（飞行倾角、旋偏角过大）、飞行线路（航线弯曲）、成像（拍摄像片比例不一致）与预设飞行线路、布控点区域及成像质量存在偏差。此外，受天气影响，尤其是水利工程多位于地形复杂的山区，云影区对于航片的质量影响大，复杂地形测控点难以布设、高精度地理信息数据处理困难[3]。

目前，行业内比较常用的地理信息系统软件均无法做到实时地图信息更新，且电子地图所提供的地面建筑物位置坐标、借助软件生成的高程点及等高线精度较传统测量仪器实测精度偏差较大。此外，水利工程建设场地多位于高山峡谷、水系交汇地带，河流、地形及植被多变地带，实际地理情况在电子地图中可能存在缺失情况。

4.2 地图软件与无人机实测的信息互补

按照施工区域范围，借助地理系统软件完成工区范围内涵盖河流、道路、地面建筑物、动力能源设施等信息的电子地图下载。下载电子地图时，尽可能采用行业认可度高、精度高（下载级别根据施工需要确定）的正版地理系统软件完成。对于地形复杂、电子地图信息缺失部位，可采用无人机航测完成全面、准确、高清晰度的地理信息补充。

4.3 测量仪器实测与无人机航测的互补

对于航测精度高的无人机航拍范围、航行线路需预先采用测量仪器进行实测，确定航测区域控制点以及飞行轨迹控制坐标。对地面茂密植被覆盖区、陡深沟谷，无法借助无人机航测获取地理信息区域，则应在地面清表、修筑人行便道后，采用光电自动跟踪测量仪器完成。而对于一些险峻、人员及车辆无法到达的原始林区、高海拔区、宽广水域等地带，则借助无人机前期进行航测，后期在人员设备进场后，采用无人机复飞与测量仪器实测相结合的方式进行地理信息资料完善。

5 地理信息在水利施工管理的前景展望

随着我国工业化、信息化进程的快速发展，未来水利工程建设对于地理信息技术的依赖程度将越来越高。例如，地理信息系统软件可实现高清、定点区域3D地貌成像与图像信息下载、远程无人机遥控、地面实测数据传输、后方成图平台数据接收，实现快速数据交换、数据处理、根据用户需求完成地形等高线生成、地面建筑物框图提取、三维地貌及断面的生成、复杂建筑物现场扫描及三维数据建模、现场位移及变形观测等，为前期规划设计、中期施工生产、后期运营维护提供全天候、实时地理信息服务。

6 结语

无人机航测、地理信息系统软件在水利工程施工管理全过程中的应用，极大地提高了建设从业者的工作效率和工作质量，在未来复杂、高风险性作业环境下，对高精度、全方位、智能化施工管理提供了有力支持。相信随着现代工业信息技术的发展，地理信息技术的功能及适用条件将会得到升级完善，满足人们在水利工程施工管理各个阶段对于实时性、全面性、准确性、便捷性地理信息的获取需求。