現(xiàn)代地理信息技術(shù)在水利工程施工管理中的應(yīng)用

解海軍，陳麗

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450001）

1 引言

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展和水利工程建設(shè)水平、要求的不斷提高，施工區(qū)域內(nèi)全面、準(zhǔn)確的地理信息資料在施工管理中的作用日益顯著。與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)、人工相機(jī)拍照相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)、地理信息軟件在獲取施工區(qū)大范圍、高清晰度的地理信息圖片及數(shù)據(jù)方面，其優(yōu)勢(shì)較為明顯，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。本文從水利工程施工管理角度出發(fā)，著重闡述現(xiàn)代地理信息技術(shù)在工程建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用。

2 地理信息的獲取途經(jīng)

除采用傳統(tǒng)現(xiàn)有水利部門地理信息資料，采用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)測(cè)，人工現(xiàn)場(chǎng)攝影外，現(xiàn)代化地理信息獲取的方式還有無(wú)人機(jī)航拍、地理信息軟件（主要為Google Earth、ArcGIS、奧維地圖、水經(jīng)注）下載等。

3 地理信息在水利工程中的應(yīng)用

3.1 在現(xiàn)場(chǎng)踏勘期間的運(yùn)用

可以實(shí)現(xiàn)360°全景、大區(qū)域內(nèi)地形、地貌、道路、河流、生活及生產(chǎn)臨建設(shè)施信息的全面收集，為工程籌建期之前技術(shù)人員全面、快速、細(xì)致了解工區(qū)內(nèi)的施工主客觀信息，開(kāi)展后續(xù)工作提供便捷條件。

如利用水經(jīng)注軟件獲取帶有標(biāo)識(shí)的地理信息，利用軟件自帶的功能將地形圖轉(zhuǎn)換在CAD界面中，完成現(xiàn)場(chǎng)踏勘行進(jìn)路線及主要特征建筑物的標(biāo)注，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)可完成細(xì)部地形圖展示。

以水經(jīng)注軟件為例，在根據(jù)指定區(qū)域下載衛(wèi)星圖（如圖1所示，一般建議下載18級(jí)以內(nèi)），導(dǎo)出為*dxf格式的CAD文件，可在CAD環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)注釋操作。對(duì)于地形圖中建筑物的距離、面積測(cè)量，則可在軟件界面利用其相應(yīng)功能完成。

圖1 水經(jīng)注軟件下載不同精度地圖

3.2 在工程規(guī)劃期間的運(yùn)用

借助無(wú)人機(jī)航測(cè)、地理信息軟件獲得的工區(qū)內(nèi)全面、翔實(shí)的地理信息（見(jiàn)圖2），可利用安裝有地理信息軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖上尺寸丈量、提取地形等高線、3D地貌生成、地貌框圖提取，在分析場(chǎng)地內(nèi)河流、溝谷、道路、地面建筑物、動(dòng)力能源等分布情況后[1]，為施工初期場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)、水、電及道路、生產(chǎn)及生活營(yíng)地、生產(chǎn)輔助設(shè)施等的布置提供充分的依據(jù)。此外，可借助地理信息軟件的相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)踏勘路徑、已知建筑物位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，以及場(chǎng)內(nèi)建筑物特征坐標(biāo)、地形數(shù)據(jù)的導(dǎo)出[2]。

圖2 無(wú)人機(jī)獲取的某水電站場(chǎng)地影像圖

在獲取施工區(qū)域影像圖中，利用水經(jīng)注軟件功能可直接在平面地形圖中量測(cè)建筑物尺寸及距離，結(jié)合南方CASS軟件，可以完成該區(qū)域內(nèi)地形等高線生成，借助相關(guān)等高線成圖軟件可完成3D地貌生成。

例如，在CASS中基于高程點(diǎn)生成等高線操作中，先利用水經(jīng)注軟件將下載的指定區(qū)域電子地圖導(dǎo)出格式設(shè)定為“*dat”，再在CASS軟件中利用“等高線”菜單中“建立DTM”“繪制等高線”選項(xiàng)功能，依次完成三角網(wǎng)建立、等高線生成。

在初期施工規(guī)劃中，根據(jù)補(bǔ)充完善的無(wú)人機(jī)航拍信息，結(jié)合場(chǎng)地地貌、施工條件、時(shí)空特點(diǎn)，完成地埋、跨溝、架空、開(kāi)挖或回填區(qū)等部位臨建設(shè)施的合理布置。此外，根據(jù)初步獲取的3D地貌，完成建（構(gòu)）筑物占地面積、基礎(chǔ)土石方施工工程量估算。

3.3 在方案實(shí)施期間的應(yīng)用

針對(duì)水利工程不同施工時(shí)段、不同現(xiàn)場(chǎng)地理信息情況，借助現(xiàn)代地理信息獲取方式，能夠快速、有效收集對(duì)施工期有用的相關(guān)信息，根據(jù)場(chǎng)內(nèi)施工條件變化、工程施工進(jìn)度形象面貌、后續(xù)新建建筑物特點(diǎn)及施工要求，優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工資源布置，選取最優(yōu)施工方案，在工程質(zhì)量、安全、環(huán)保目標(biāo)有保障的前提下，縮短工區(qū)，實(shí)現(xiàn)降本增效。

在進(jìn)行BIM實(shí)體建模時(shí)，可從視覺(jué)感出發(fā)，獲得工程結(jié)構(gòu)體型，為工程量測(cè)算、建筑物施工結(jié)構(gòu)分層、分塊及年月形象進(jìn)度面貌控制獲取有用信息。

在施工階段，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員依照設(shè)計(jì)圖紙完成建筑物BIM建模后，可將模型置于借助地理信息技術(shù)生成的三維地形中，進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)道路優(yōu)化布置，并通過(guò)計(jì)算機(jī)布爾運(yùn)算，求解不規(guī)則區(qū)域土石方開(kāi)挖工程。施工過(guò)程中，通過(guò)無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)，通過(guò)查看現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度影像照片，通過(guò)技術(shù)手段提取的建筑物特征數(shù)據(jù)，根據(jù)施工時(shí)段劃分，在BIM模型上完成相應(yīng)時(shí)段建筑物體形剖切，最終求解出不同時(shí)段的完建工程量，為后續(xù)項(xiàng)目施工計(jì)劃安排，人員、設(shè)備配置及物資供應(yīng)提供依據(jù)。此外，通過(guò)無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)獲取的工程建設(shè)信息，及時(shí)審核工程施工可能存在的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、環(huán)保方面的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行研判、處理。

在河南天池抽水蓄能電站上、下水庫(kù)土建及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程施工中，中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司與華北水利水電大學(xué)合作，采用無(wú)人機(jī)航測(cè)收集現(xiàn)場(chǎng)地理信息，創(chuàng)建了工程場(chǎng)區(qū)地形模型（見(jiàn)圖3）和開(kāi)挖地形模型，快速、便捷完成開(kāi)挖工工程量統(tǒng)計(jì)及場(chǎng)區(qū)平面布置及優(yōu)化。

圖3 依據(jù)地形數(shù)據(jù)創(chuàng)建3D實(shí)體地形圖

3.4 在后期運(yùn)行管理的應(yīng)用

水利工程在建成運(yùn)行期間，需長(zhǎng)期對(duì)大壩、廠房及庫(kù)區(qū)進(jìn)行運(yùn)行管理，由于水利工程體型大、庫(kù)區(qū)范圍寬廣，布置在水工建筑物內(nèi)外部的檢測(cè)儀器，僅能對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移、變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法兼顧建筑物與外圍環(huán)境之間隨時(shí)間推移的變化監(jiān)控。如庫(kù)區(qū)漂浮物、電站邊坡植被、泄洪期下游河道狀況、后期改建建筑物與現(xiàn)有建筑物空間匹配等情況，利用傳統(tǒng)觀測(cè)手段費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)管區(qū)航測(cè)，對(duì)傳輸?shù)胶蠓奖O(jiān)管中心的圖像、視頻資料進(jìn)行分析，提取坐標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)，在高精度電子地圖中進(jìn)行定位、追蹤，可以及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，制訂有效的處置方案并付諸實(shí)施，降低或消除水庫(kù)運(yùn)行管理安全風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上降低管理成本。

4 無(wú)人機(jī)、地圖軟件獲取地理信息的缺點(diǎn)及對(duì)策

4.1 無(wú)人機(jī)、地圖軟件獲取地理信息的缺點(diǎn)

無(wú)人機(jī)由于體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，使其在飛行的時(shí)候易受到風(fēng)力的影響，其飛行姿態(tài)（飛行傾角、旋偏角過(guò)大）、飛行線路（航線彎曲）、成像（拍攝像片比例不一致）與預(yù)設(shè)飛行線路、布控點(diǎn)區(qū)域及成像質(zhì)量存在偏差。此外，受天氣影響，尤其是水利工程多位于地形復(fù)雜的山區(qū)，云影區(qū)對(duì)于航片的質(zhì)量影響大，復(fù)雜地形測(cè)控點(diǎn)難以布設(shè)、高精度地理信息數(shù)據(jù)處理困難[3]。

目前，行業(yè)內(nèi)比較常用的地理信息系統(tǒng)軟件均無(wú)法做到實(shí)時(shí)地圖信息更新，且電子地圖所提供的地面建筑物位置坐標(biāo)、借助軟件生成的高程點(diǎn)及等高線精度較傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)精度偏差較大。此外，水利工程建設(shè)場(chǎng)地多位于高山峽谷、水系交匯地帶，河流、地形及植被多變地帶，實(shí)際地理情況在電子地圖中可能存在缺失情況。

4.2 地圖軟件與無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)的信息互補(bǔ)

按照施工區(qū)域范圍，借助地理系統(tǒng)軟件完成工區(qū)范圍內(nèi)涵蓋河流、道路、地面建筑物、動(dòng)力能源設(shè)施等信息的電子地圖下載。下載電子地圖時(shí)，盡可能采用行業(yè)認(rèn)可度高、精度高（下載級(jí)別根據(jù)施工需要確定）的正版地理系統(tǒng)軟件完成。對(duì)于地形復(fù)雜、電子地圖信息缺失部位，可采用無(wú)人機(jī)航測(cè)完成全面、準(zhǔn)確、高清晰度的地理信息補(bǔ)充。

4.3 測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)與無(wú)人機(jī)航測(cè)的互補(bǔ)

對(duì)于航測(cè)精度高的無(wú)人機(jī)航拍范圍、航行線路需預(yù)先采用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定航測(cè)區(qū)域控制點(diǎn)以及飛行軌跡控制坐標(biāo)。對(duì)地面茂密植被覆蓋區(qū)、陡深溝谷，無(wú)法借助無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取地理信息區(qū)域，則應(yīng)在地面清表、修筑人行便道后，采用光電自動(dòng)跟蹤測(cè)量?jī)x器完成。而對(duì)于一些險(xiǎn)峻、人員及車輛無(wú)法到達(dá)的原始林區(qū)、高海拔區(qū)、寬廣水域等地帶，則借助無(wú)人機(jī)前期進(jìn)行航測(cè)，后期在人員設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后，采用無(wú)人機(jī)復(fù)飛與測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行地理信息資料完善。

5 地理信息在水利施工管理的前景展望

隨著我國(guó)工業(yè)化、信息化進(jìn)程的快速發(fā)展，未來(lái)水利工程建設(shè)對(duì)于地理信息技術(shù)的依賴程度將越來(lái)越高。例如，地理信息系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)高清、定點(diǎn)區(qū)域3D地貌成像與圖像信息下載、遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)遙控、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、后方成圖平臺(tái)數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理、根據(jù)用戶需求完成地形等高線生成、地面建筑物框圖提取、三維地貌及斷面的生成、復(fù)雜建筑物現(xiàn)場(chǎng)掃描及三維數(shù)據(jù)建模、現(xiàn)場(chǎng)位移及變形觀測(cè)等，為前期規(guī)劃設(shè)計(jì)、中期施工生產(chǎn)、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供全天候、實(shí)時(shí)地理信息服務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)、地理信息系統(tǒng)軟件在水利工程施工管理全過(guò)程中的應(yīng)用，極大地提高了建設(shè)從業(yè)者的工作效率和工作質(zhì)量，在未來(lái)復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)性作業(yè)環(huán)境下，對(duì)高精度、全方位、智能化施工管理提供了有力支持。相信隨著現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息技術(shù)的功能及適用條件將會(huì)得到升級(jí)完善，滿足人們?cè)谒こ淌┕す芾砀鱾€(gè)階段對(duì)于實(shí)時(shí)性、全面性、準(zhǔn)確性、便捷性地理信息的獲取需求。