大型长距离输水灌区工程测量技术研究

乐文强，颜景顺，徐咏梅

(1.广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023；2.广西安全工程职业技术学院，南宁 530100）

0 引言

大型长距离输水灌区工程与其他工程项目对比，有以下几个特点：

（1）作为水利线性工程，经纬度跨度较大，需要布设较为严密且高精度的平面、高程控制网。

（2）需要借助航测技术和激光雷达测量技术，提高工作效率。

（3）需要科学布设航线，保证航测飞行安全，且要布设足够数量的像控点，进行高精度的影像航摄。

（4）需要对隐蔽区域和航摄后变化区域及重要部位进行补充调绘。

（5）测绘专业作为上序专业，需尽快提供满足项目阶段要求的测绘成果以供下序专业使用。

为解决传统工程测量效率低、进度慢的问题，本文针对大型长距离输水灌区工程的特点，就如何高精度、快速、高效地完成测绘任务，探究有效的技术手段。

1 工程概况

广西桂西北治旱龙江河谷灌区工程开发任务为农业灌溉及城乡供水，保障区域经济社会用水安全，为保障区域粮食生产安全、巩固扶贫攻坚成果、实现乡村振兴创造条件。龙江河谷灌区是《广西防汛抗旱水利提升工程实施方案》提出新建的重点灌区，已列入《“十四五”水安全保障规划》《广西水网建设规划》《柳江流域综合规划》。龙江河谷灌区工程规划灌溉面积82 万亩，主要建设内容为：输水干线长约300 km，其中隧洞段长约30 km；输水支管16条总长约409 km。灌区位于东经107°42′～108°58′，北纬24°08′～25°08′，平均高程为250 m，属国家统一地理坐标3°分带的第36 号分带。测区交通不便，地形以山地为主，植被茂密，通视困难，地形比较破碎凌乱，综合困难程度为复杂地区类别。本工程测绘的主要任务是：①在工程区域内建立四等GNSS平面控制网、四等高程控制网；②低空无人机航测1∶2000 正射影像DOM；③测绘工程区域1∶2000地形图。

龙江河谷灌区工程属于典型的大型长距离输水灌区工程，工程规模大，工期要求紧，采取有效技术手段建立严密且高精度的平面、高程控制网及测绘高精度的地形图产品，对大型长距离输水灌区工程的顺利开展有着至关重要的作用。

2 技术手段

2.1 控制网建立的有效技术手段

在大型长距离输水灌区工程测量的实施过程中，需分别建立严密且高精度的平面控制网及高程控制网。建立平面控制网可采用传统大地控制测量方法（三角测量、导线测量）及现代GNSS 测量方法。传统大地控制测量方法耗时久、受人工干预较大，考虑到工程项目时间紧迫，使用现代GNSS测量方法。高程控制网的建立宜采用水准测量方式。

2.1.1 利用北斗卫星系统建立高精度平面控制网

建立平面控制网流程：平面控制网布设及GNSS控制点选点埋石，平面GNSS控制网外业数据采集，平面GNSS 控制网平差计算。平面控制网布设及GNSS 控制点选点埋石按相应规范要求实施。大型长距离输水灌区工程测量平面控制网布设时，因地形条件的限制，个别点位卫星信号较差、观测精度相对较低。传统GNSS 基线处理，仅利用GPS、Glonass、Galileo 这三种卫星，合格率为91.3%，某些基线在观测条件较差时，处理失败概率大。北斗卫星导航系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，低纬度地区性能优势更为明显，把北斗卫星系统、GPS、Glonass、Galileo综合利用起来，合格率为100%，同时提高GNSS回线闭合结果、异步环闭合差的精度。平面GNSS控制网外业数据采集选用兼容北斗导航卫星的接收机，如南方SOUTHS 86、华测i 90 等。平面GNSS 控制网平差计算采用Trimble Business Center（简称TBC）进行。GNSS 回线闭合结果见表1，控制网异步闭合环结果见表2。

表1 GNSS回线闭合结果对比

表2 控制网异步闭合环结果对比

经分析，增加了北斗卫星系统后，控制网各项精度均有明显提升，特别适用于观测条件不佳的控制网平差解算。

2.1.2 利用自编水准数据处理小软件提高高程控制网建立的效率

高程控制网建立宜采用水准测量方式。基于规范要求及项目特点，本项目采用数字水准仪Leica-Sprinter 350进行外业数据采集，并利用作者编写的水准数据处理小软件，可快速获取水准测段高差及电子水准测量记录手簿（见图1），并查找出水准测量数据的超限项，及时进行补测，避免人工计算产生粗差或误差。最后利用武汉大学的Coswin系统进行平差处理，即可建立严密、高精度的高程控制网。

图1 水准数据处理软件成果

2.2 地形图测绘的有效技术手段

地形图测绘包含地物采集及地形地貌碎部点采集。传统地形图外业测量采用人工实地采集碎部点方式完成。因龙江河谷灌区工程山地较多，植被茂密，地形凌乱破碎，人工实地采集碎部点作业周期长，且受卫星信息影响较大，难以保证作业效率及地形图产品精度。结合项目特点，地物采集采用低空无人机航摄，地形地貌碎部点采集采用激光雷达测量技术，结合加载高精度大地水准面模型的外业调绘完成地形图测绘。

2.2.1 利用低空无人机航测提升地物采集效率

工程区域植被种类多，且小块状地类居多，人工实地采集地物耗时长且效率不高。为快速完成工程区域内的地物采集，采用大疆精灵Phantom4 RTK 无人机及飞马D2000 无人机进行低空航空摄影测量。大疆精灵Phantom4 RTK 无人机、飞马D2000无人机结合动态后处理技术（PPK）可减少像控点布设，通过Context Capture Center 软件进行空三处理后可获取高分辨率的立体像对及正射影像。再结合航天远景多源空间信息综合处理平台Map⁃Matrix进行地物采集，可大幅度提升地物采集效率。经实地用GNSS-RTK方法采集各类地物坐标检验，航测采集地物与RTK采集地物坐标对比见表3。经分析，航测采集的地物完全满足《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）精度要求。

表3 航测采集地物与RTK采集地物坐标对比m

2.2.2 利用激光雷达测量技术提升地形地貌碎部点采集效率

本工程地形以山地为主，地形比较破碎凌乱，属于植被高覆盖区，GNSS 信号较差。人工实地采集地形地貌碎部点作业周期长，爬山涉水，人员投入大，人工成本高，且精度难以保证。为获取高精度的地形地貌数据，采用华测激光雷达扫描仪AU900 进行激光雷达测量工作。激光雷达测量系统软硬件配套成熟，测程长、精度高，在复杂测区环境下，仍能保证较高数据精度，确保成果质量，且数据形式多样，数据成果丰富。经实地用GNSS-RTK方法采集各处地形点高程检验，激光点云高程与RTK采集高程对比见表4。

表4 激光点云高程与RTK采集高程对比m

经分析，激光雷达高程数据精度较高，在大部分地形复杂地区均满足《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）精度要求，且成本低、效率高，应用在大型长距离输水灌区工程测量中直接经济效益明显，值得推广。

2.2.3 采用千寻网络差分信号、加载高精度大地水准面模型提高外业调绘高程精度

传统外业调绘需摆设基准站，且流动站与基准站的距离不应大于5 km；网络RTK测量可不受流动站到基准站间距离的限制，但应在网络覆盖的有限服务范围内。摆设基准站存在基准站被盗或被移动的风险，可能造成外业成本增加或测量误差超限。本项目工程区域内均有网络覆盖，采用千寻网络差分信号可不受基准站距离的限制，且可获取全天候的水平精度2 cm、高程精度5 cm的实时定位数据，测量精度得到有效保证。试验在作业时加载大地水准面模型，校正测区中部一座国家Ⅰ等水准点，用千寻网络差分信号平滑采集本项目四等水准点高程。经分析，30 km 范围内高程误差均小于10 cm，60 km范围内高程误差均小于15 cm。故加载高精度大地水准面模型可保证外业调绘的高程精度，首次在水准点上校正后，后续作业可10～20 km 再用等级水准点验证，期间只需在上次采集的碎部点上验证即可。

3 结语

本文以广西桂西北治旱龙江河谷灌区工程为例，研究针对大型长距离输水线路工程测量的有效技术手段，并采用数据对比分析的办法，探究如何建立严密且高精度的平面、高程控制网，测绘满足项目阶段要求的地形图，为类似项目提供参考。