水利水电工程测量技术发展探讨

刘怡清

深圳市广汇源环境水务有限公司 广东 深圳 518000

水利水电工程测量技术在我国水利发展的过程当中是绝对不能够缺少的一部分，水利水电工程测量技术能够有效地推动我国的社会经济的发展，随着各种科学技术的层出不穷，水利水电工程测量技术也正在不断的创新当中，尤其是控制测量技术以及数字地形测量技术包括水下地形测量技术等都是目前应用的比较广泛的技术。这些技术的发展有效的扩展了水利水电工程在未来的发展空间，并且也能够更好的提升水利水电发展的质量。

1 水利水电工程的发展及其重要性

自20世纪80年代以来，电子经纬仪以及电子全站仪包括电子测距仪等在水利水电工程当中都得到了广泛的使用，这也为工程测量的现代化以及数字化发展创造了非常好的条件。在最近十年来，水利水电系统也相继的引进了一些具有高精确度的数字化测量系统以及精密的仪器，例如电磁被距测仪以及全站仪等，这些设备在水利水电工程的建设过程当中发挥了非常大的作用，有效的改变了传统的测量方式存在着的不足点[1]。

水利水电工程测量工作是基本上贯穿在整个水利工程建设的全过程的，无论是对于技术性还是实践性的要求都非常的高。通过实际测量，对于各种地貌以及地物的形状和大小等进行几何数据的采集，就能够利用这些数据来决定水利工程的设计，建筑物包括设备的大小以及具体的位置，因此水利水电工程的测量技术在整个工程建设的过程当中其地位是举足轻重的，数据的准确性更是直接决定着整个工程的成败。

2 控制测量技术

对于水利水电工程的测量工作来说，控制测量是一项非常重要的基础。随着科学技术的不断发展，水利水电的控制测量已经从传统的方式过渡到了现代化的模式当中，也就是说是以“GPS”、“北斗”等空间定位技术为主的，以传统测量方式作为辅助方法，使用更加快速高效的方式来定位空间的三维坐标。

在对于水利水电工程测量技术进行划分的时候，主要的依据就是它的工程阶段以及具体的工程内容，主要包含着两个方面的测量技术，分别是平面控制以及高程控制。经过研究之后不难发现，现如今的水利水电工程平面测量技术已经有了非常大的发展，从过去的三角网变为了现在的边角网、北斗网以及导线网等先进的技术。近些年来，GPS、北斗等卫星定位技术使用得越来越广泛，在一些比较大的区域当中，控制网的测图绘制基本上采用的都是GPS、北斗技术，中小区域一般会选择使用GPS、北斗作为首级网或者是使用多种设备来进行观测的混合网。专用平面控制网主要利用的是边角同侧网，也有一部分工程会选择使用GPS、北斗布设首级网或者直接布设一个GPS或北斗混合网[3]。

水利水电工程的高程控制网测量仪器从光学水准仪也发展到了现在的数字水准仪以及液体静力水准系统等观测方法，从过去的以人工为主的读数发展到了现在的现代化的自动读数，能够对于数据进行自动记录，并且也可以完成自动观测。作业方式从过去的单一几何水准发展到了现在的测量三角高程以及静力水准等。数字水准仪在应用的过程当中速度非常的快，而且精准度也比较高，使用起来非常的方便，在应用的时候劳动强度也比较轻，能够有效的实现内外业一体化，因此得到了非常广泛的使用。

测图控制网技术也已经从原来的前方交会以及后方交会等传统的技术变为了电磁波测距导线，然后再发展到目前的RTK技术以及CORS技术。RTK技术在应用时的原理就在于基于载波相位观测值实时动态定位，能够实时的提供测站点在指定坐标当中的三维数据结果，并且其精度能够达到厘米级。利用RTK技术能够有效的提升工作人员的作业效率，如果想要得到一组图的三维坐标，只需要几秒钟的时间即可，因为RTK技术在作业的时候效率非常的高，而且定位精度也比较高，因此广泛的使用在水利水电工程的测量当中[2]。

CORS技术也是近些年来所使用的一种综合性的服务系统，它的主要构成部分包括基准站网以及数据处理中心和数据传输系统定位导航、用户所使用的系统以及数据的播发系统等。基准站网的主要责任就是对于卫星信号进行采集，并且将其传送到数据中心，由数据中心对其进行处理，形成数据文件，通过移动网络来发送，装载了网络RTK模块就能够接收系统所发出来的差分数据。也就是说用户只需要一台流动站就能够完成全天24个小时的RTK测量，将所获得的WGS84坐标转换为当地的坐标系统即可，因为该系统在运行的过程当中不需要架设基站，而且作用距离非常的远，最重要的是能够做到24个小时不间断的运行，可以更好的提升作业效率，减少测量的成本，因此现在我国已经有很多的大、中城市都建立了CORS系统。一般会将该系统使用在城市周边的测绘以及国土，包括交通和林业、农业、水利等领域，RTK技术以及CORS技术不仅能够在测图控制方面进行应用，同时也能够充分的使用在断面测量以及水下地形测量等多个方面[4-5]。

3 水利水电工程测量技术分析

现如今随着测绘新技术的不断发展以及各种设备的使用，水利水电工程的测量技术得到了非常大的发展以及进步，水利水电工程的测量技术的发展趋势是向着自动化以及实时化，包括数字化的方向发展。同时在对于测量数据进行管理的时候，也更加趋向于科学化以及标准化，测量的数据的传播以及应用要向着社会化跟多样化的方向发展。

3.1 数字地形测绘技术

就目前来看，全站仪以及计算机技术现在已经应用的非常的广泛了，所以利用该技术形成的大比例尺地形图数字测绘也已经成为了测绘过程当中的主要研究内容，同时也利用先进的技术开发了成图软件，使用先进的三维技术，不仅能够更好的满足于专业测图的要求，同时也能够对于前端数据进行采集跟更新。 数字化的测绘技术在进行应用的过程当中，其主要的模式就是利用电子平板模式和数字测记模式以及数字摄影测量模式。如图1所示。

图1 为数字摄影测量

电子平板数字测图系统。该系统在应用的过程当中包含着两种作业方式，分别为测站以及镜站，其特点就在于模拟传统的白纸成图，整体的作业过程更加的直观，不需要编码测绘，也不容易产生错漏问题。但是缺点就在于便携机的电池使用的时间非常短，一般来说在三个小时左右，而且机械相对来说比较笨重，稳定性能比较差，更加适合使用在比较平坦的地方，不适合使用在条件比较恶劣的水利水电工程的地形图测绘当中[6]。

测记法数字测图系统。该系统属于一种内业绘图软件，其缺点就在于作业的过程不够直观，而且测量点号跟草图的点号可能会存在着不一致的现象，容易导致出现地图标记的错误，对于现场绘制草图工作人员的个人要求会非常的高，但是其优点就在于该系统适合使用在各种环境下。

掌上数字测图系统。该系统也是一种内业绘图软件，该系统在应用的过程当中能够有效地克服笔记本电脑以及电子平板的缺点，发挥出笔记本电脑以及电子手簿包括掌上平板的现代化优势，能够做到可视化的界面以及更加人性化的设计，操作起来非常的简单，工作人员携带起来也非常的方便，而且具有着极强的环境适应性，是目前来说比较理想的野外测绘数据采集工具。

3.2 变形监测技术

变形监测技术也可以称之为变形测量或者是变形观测，主要是对于被监测对象进行测量，确定被监测对象的空间位置，包括内部形态的具体变化。变形监测按照其变形的部分也可以分成两个部分，分别是外部变形监测以及内部变形监测，一般来说，涉及到了测量学范畴的主要是外部变形监测。外部变形监测按照变形的方向也可以分为水平位移监测和垂直位移监测，水利水电工程当中进行外部变形监测的过程当中主要分为变形监测，基准网测量，变形体形监测以及监测资料分析等一系列的内容。如图2、3所示。

图2 为变形监测技术

图3 深圳某水库在原人工观测位移墩改造成北斗GNSS表观变形监测系统

一般来说，常用的水利水电工程的外部变形监测办法主要包含以下几种。

①大地测量法

这种方法也是在进行测绘时使用的比较多的一种办法，能够有效的完成变形监测以及对于基准网进行测量等，它的主要特征就在于使用常规的仪器即可，而且整套理论都非常的成熟，数据非常的可靠，观测过程当中所使用的费用相对来说也比较低。但是观测的时间非常的长，对于工作人员来说劳动强度也比较高，而且容易受到其他因素所产生的影响，在观测的过程当中自动化程度比较低。

②基准线测量法

基准线测量法也是水平位移变形监测过程当中的常用方法之一，土石坝以及重力坝等直线型大坝的坝体包括坝基等，一般来说都会使用引张线法以及垂线法来进行观测，如果坝体比较短，也可以选择使用视准线法以及大气激光准直法来进行观测[7]。

在各种方法当中视准线法的优点就在于所使用的设备比较普通，而且操作起来非常的方便，所使用的费用比较少，但是容易受到精准度以及大气折光等多种因素的影响，导致在操作的时候不容易控制误差，精度会受到非常明显的影响，所以近些年来使用的还是比较少的。引张线法一般来说会广泛的使用在大坝水平位移监测上面，它的优点在于设备非常的简单，而且测量起来比较方便，速度非常的快，精度比较高，成本很低。引张线法数据读数在早期的时候都是由人工来进行测读的，现在已经发展到目前的步进电机光电跟踪式引张线仪以及电容感应引张线仪和CCD式引张线仪，基本上能够有效的实现全程的自动化观测。对于比较短距离的引张线也取消了系统当中的浮托装置，这样能够更好的提升测量的精准度，简化引张线的观测程序，是可以实现完全自动化观测的。

垂线也可以分为两种形式，一种是正垂线，而另外一种则是倒垂线，同时在变形监测过程当中，垂线应用的也是非常广泛的，一般来说会使用正垂线，利用一线多站式的方法，主要可以对于水工建筑过程当中的各个高程面的平面位移进行监测，或者是倾斜测量等都可以使用。倒垂线一般来说要求拥有更加稳定的基岩，大多数会使用在岩层错动监测或者是水平位移基准点的监测当中，通过各种科学技术的不断创新，垂线监测也得到了明显的发展，从过去的完全依靠人工读数变为了现在的自动化遥测垂线坐标仪。

③液体静力水准测量方法

垂直位移监测技术主要包含着水准测量、三角高程测量以及液体静力水准测量技术等，目前发展的比较快的就是液体静力水准测量技术，该测量系统在应用的过程当中非常适合使用在坝体廊道内的高程观测或者是高程传递中，它能够通过各种传感器的液面高度来同时获取数十乃至数百个监测点的高程，监测的精准度非常的高，而且能够完成自动化，具有着可移动和持续监测的特点。两个容器之间的距离能够达到数10km，例如可以跨河或者是跨海峡来进行水准测量，通过一种压力传感器能够允许两个容器之间的高差，从过去的数厘米达到现在的数米。

在GNSS定位中，把高速运动的卫星作为已知位置的空间点，其位置可由卫星星历查询得知，用户通过专用GNSS接收机捕获卫星信号并跟踪，从而计算出卫星与用户的距离，然后利用空间距离后方交会的方法确定接收机的位置，理论上，已知三颗卫星S1、S2、S3的空间位置以及GNSS接收机到卫星S1、S2、S3的距离d1、d2、d3，即可推算GNSS接收机于以S1、S2、S3为球心，距离d1、d2、d3为半径的圆球交会点上，实现定位[8-9]。

3.3 水下地形测量技术

传统的水下地形测量在进行作业的时候使用的都是经纬仪或者是电磁波测距仪以及标尺，这是测量过程当中的主要工具，基本上会使用断面法或者是极坐标法来对其进行定位，然后利用测深杆来收集数据，这种方法在应用的时候存在着很明显的误差大的缺点，而且作业效率也非常低，因此近些年来很少被采用。

现如今随着卫星定位技术不断的发展，GPS 、北斗、RTK以及CORS系统发展的非常的迅速，以这些系统来配合多波束测深仪完成水下地形测量，得到了非常广泛的应用。GPS、北斗主要是以某一个支点当做是基准点，基准点的GPS接收机来接收卫星信号，并且和已知位置进行比较，确定误差，并且进行修正，把这些修正值通过无线电台进行接收，用户的接收机接收修正值来实时的校正GPS、北斗信号，它有着全天候而且高精度的优点。目前GPS北斗以及RTK包括系统的定位级别已经非常的高了，它的精准度能够达到厘米级，而且还可以做到实时无验潮测量。以上几种办法在进行水下进行测量，跟岸上基准点交汇法以及坐标法等定位技术进行比较可以发现，现代化的卫星技术更加具有优势，尤其是在比较大面积的水域进行地形测量的时候，能够更好的缩短测量的工作周期，并且也可以减轻工作人员的劳动强度。

4 结束语

综上所述，近些年来我国对于水利水电工程测量方面的投入变得越来越多，所以我国的水利水电工程测量研究发展的非常的快，进步也很大，取得了非常好的成绩，但是可以发现东西部以及各个单位之间的发展非常的不平衡，是无法满足于现代化的水利水电工程建设的需求的。因此必须要大力的促进水利水电工程测量技术以及手段的更新换代，尽快的推动测绘新技术的不断发展，加快集成技术的研究，推动传统的手工测量技术不断的改革，向着电子化以及数字化包括自动化方向迈进。同时相关的一些行业以及相关学科的学习也是非常的重要的，这样也能够帮助我们拓展新的测绘市场以及新的服务领域，增加测绘的附加值，让水利水电测绘从原来的纯技术型面向技术服务型来进行转化，推动我国的水利水电工程测量向着更加广阔的未来发展。