信息化測繪成果在水利工程設計中的應用

陳海兵 李文格 尹 欣

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

1 前言

目前在水利工程設計中大多利用傳統的平面地形圖作為底圖進行設計，但這些傳統的測繪成果越來越難以滿足日益復雜的設計需求，利用信息化測繪成果進行水利工程設計已是大勢所趨。

永定河生態走廊建設工程作為北京市的重點水利工程之一，被定位為“京西綠色生態走廊與城市西南的生態屏障”，由于多年斷水，加之河道內沙石被偷盜采掘，河道已變得雜亂不堪，且沿河建筑物繁多，地形復雜，給治理的設計工作也帶來了很大的挑戰，前期設計工作要求高、工期緊。為了能夠圓滿地完成各項設計任務，首次引入信息化測繪成果，實現了河道縱橫斷面的自動批量生成和精確土方量計算，制作了永定河三維仿真電子沙盤。充分地證實了信息化測繪成果在工程設計中的優越性。本文將對信息化測繪成果在上述三個方面的應用進行逐一介紹。

2 信息化測繪成果的生產

信息化測繪成果的基礎數據主要包括數字線劃圖（DLG）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字柵格圖（DRG），亦簡稱4D數據。數字線劃圖的生產方法主要有通過傳統的工程測量獲取和通過航空攝影后采集兩種方法，數字高程模型可以通過對傳統平面測繪成果進行轉化，也可通過航空攝影測量獲取。數字正射影像一般是通過對航空攝影影像進行糾正獲取。數字柵格圖一般是通過對現有測繪成果進行處理獲得。本文主要介紹利用現有測繪成果轉化成信息化測繪成果及其在水利工程設計中的應用。

在傳統的二維地形圖中，地形都是由線段和符號來表達，難以詳盡地表達出真實的地形變化，通過對地形數據構建三角網形成三維地形曲面。利用現有的技術手段來生產三維地形曲面主要是通過加密特征高程點的外業測量，然后人工提取地形變化處的三維特征線（包括等高線），如直墻、坡坎等處的特征線。在三維設計軟件——Civil 3D中可利用這些三維特征線和離散高程點構建出三維地形曲面。構建三維地形曲面之后，可以輕松實現曲面數據統計及相關分析等功能。12

三維地形曲面的精度由野外實測高程點的密度和精度來決定。目前傳統的測量儀器所獲取的高程精度能完全滿足精度要求。實測高程點的密度越大，精度越高，但生產成本也越高，且生產周期也越長。經過多次反復實驗，我們認為按照 1：500地形測量的規范要求進行測量，并在地形變化較大區域適當增加相關高程點的采集，即可保證生成的三維地形曲面精度滿足工程設計需求。

3 利用信息化測繪成果實現縱橫斷 的批自動生成

施工斷面圖是一項繁瑣的設計工作，傳統獲取橫斷面圖的方法是由測繪人員根據指定的中心線在實地放樣出所需測量橫斷面的樁號，然后根據樁號所在位置的方位角依次測出橫斷面線上地形變化點的坐標高程，最后根據點與點之間的距離和高差畫出斷面圖。

而在三維地形曲面上，根據給定的河道中心線，通過設定橫斷面線之間的間距可以自動生成橫斷面采樣線，且采樣線可自動獲取對應的地面高程數據，并自動批量生成橫斷面圖。Civil 3D提供了豐富的橫斷面格式編輯功能，通過設置完全能滿足各種施工圖的需求。且自動生成縱橫斷面圖功能采用的是動態更新技術，即一旦設計曲面、地形曲面有變動或者采樣線有變化，所有的斷面圖會根據設計變更自動更新，在遇到設計變更時，不再需要野外實地補測，極大地提高了設計人員的工作效率。

圖1 橫斷 批 自動生成

圖2 設計斷 與現狀斷 疊加

4 利用信息化測繪成果 行土方 計算

施工土方量的計算精度問題一直以來困擾著許多設計人員，傳統的土方量計算方法是以斷面法進行估算，最終結果的精度由橫斷面截取的密度和河道地形變化的大小來決定，在同一工程區里，截取的橫斷面越密，土方量的計算結果精度越高，截取的兩個斷面之間地形變化越小，土方量的計算結果也越準。

而有了高精度的地形曲面之后，土方量的計算變得簡單和可靠了。在現狀地形曲面上，可以使用放坡，添加或修改特征線、特征點等方法快速生成設計曲面。指定需要進行運算的現狀地形曲面和設計地形曲面，根據實地土壤情況設置松散系數等參數，即可快速計算出工程的挖填方量，程序還可以實現自動土方量平衡，自動生成土方施工圖等功能。

圖3 土方 自動計算義程

5 利用信息化測繪成果制作三維仿真電子沙盤

在土方量計算和斷面采集等方面，地形數據越精細，測繪成果的精度就越高，同時三維地形曲面的數據量也越大，對計算機硬件的要求也越高，而且三維仿真電子沙盤系統中，我們對于地形的表達不需要上述處理過程中那么精細，一般地形數據采用數字高程模型DEM即可，因為DEM數據的數據量比三維地形曲面的數據量要小很多，利用系統瀏覽時能夠流暢顯示。數字正射影像數據的分辨率越高，影像就越清晰，在三維仿真電子沙盤系統中的效果就越好。

目前影像的來源主要有衛星影像，最高分辨率可達0.5m；航拍影像數據，最高分辨率可達厘米級，尤其是低空無人機航拍影像數據。本項目中采用分辨率為 0.2m的航拍影像數據，模型可通過平面地形圖數據實現批量生成，紋理需要實地拍攝采集。

6 總結

目前高精度三維測繪產品的生產技術手段多種多樣，除了已經介紹的通過二維地形圖轉化成三維地形曲面的方法，還可利用航攝技術或者機載雷達技術等新方法直接獲取高精度三維地形數據，同時還可以獲取高分辨率的影像資料，結合這些數據可制作成三維仿真場景，能任意角度任意瀏覽和漫游，能為項目決策層提供直觀決策平臺。三維測繪產品的生產流程日趨完善，為全面推廣三維設計提供了有利條件。

利用三維測繪成果進行永定河綠色生態走廊建設項目的設計過程中，我們圓滿高效的完成了土方量計算任務和橫斷面自動出圖任務，比通過傳統方法縮短了80%的工期，且精度還有了很大的提高。

在水利工程設計過程中，設計變更是經常出現的，以往遇到設計變更時測繪部門都需要投入大量的人力和物力去做一些近乎重復的測量工作，而現在基本可以做到一勞永逸，極大地降低了設計生產成本。

經歷了首次成功的嘗試，我們深刻地體會到三維設計的優勢所在，三維設計這一新的設計理念是值得推廣的，利用三維測繪產品進行水利工程設計也必將是未來的主流設計方法。

雖然此次利用三維設計的新方法進行工程設計取得了一些成績，但在設計過程中也發現了一些有待提高和完善的地方，如地物的表達目前主要還需要依靠符號。利用現有技術手段生產三維測繪產品成本較高，如果利用航攝技術或者機載雷達技術，則可以更高效的生產三維測繪產品，同時還能提供高分辨率的地面影像資料，可以使地物的表達不再依賴符號化的抽象表達。目前Civil3D軟件還只是一個工程設計的通用平臺，針對水利工程設計的功能模塊較少，較專業的水利設計功能模塊還需要進行二次開發。

1. 李春根, 周飛千. 測繪成果信息化和土地信息系統的建立.浙江測繪, 2000(3): 48-50.

2. 馬永生. 幾種土方量計算方法的比較. 中國科技博覽,2009(35): 222-223.

3. 馮玉芳, 馬政才. 三維電子沙盤實現技術研究. 電腦知識與技術, 2008(30).