現代地理信息技術在水利工程施工管理中的應用

解海軍，陳麗

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450001）

1 引言

隨著現代科技水平的不斷發展和水利工程建設水平、要求的不斷提高，施工區域內全面、準確的地理信息資料在施工管理中的作用日益顯著。與傳統的測量儀器實測、人工相機拍照相比，無人機航測、地理信息軟件在獲取施工區大范圍、高清晰度的地理信息圖片及數據方面，其優勢較為明顯，已經廣泛應用于國民經濟建設的各個領域。本文從水利工程施工管理角度出發，著重闡述現代地理信息技術在工程建設過程中的應用。

2 地理信息的獲取途經

除采用傳統現有水利部門地理信息資料，采用測量儀器進行實測，人工現場攝影外，現代化地理信息獲取的方式還有無人機航拍、地理信息軟件（主要為Google Earth、ArcGIS、奧維地圖、水經注）下載等。

3 地理信息在水利工程中的應用

3.1 在現場踏勘期間的運用

可以實現360°全景、大區域內地形、地貌、道路、河流、生活及生產臨建設施信息的全面收集，為工程籌建期之前技術人員全面、快速、細致了解工區內的施工主客觀信息，開展后續工作提供便捷條件。

如利用水經注軟件獲取帶有標識的地理信息，利用軟件自帶的功能將地形圖轉換在CAD界面中，完成現場踏勘行進路線及主要特征建筑物的標注，利用無人機航測可完成細部地形圖展示。

以水經注軟件為例，在根據指定區域下載衛星圖（如圖1所示，一般建議下載18級以內），導出為*dxf格式的CAD文件，可在CAD環境下進行相關注釋操作。對于地形圖中建筑物的距離、面積測量，則可在軟件界面利用其相應功能完成。

圖1 水經注軟件下載不同精度地圖

3.2 在工程規劃期間的運用

借助無人機航測、地理信息軟件獲得的工區內全面、翔實的地理信息（見圖2），可利用安裝有地理信息軟件的計算機進行圖上尺寸丈量、提取地形等高線、3D地貌生成、地貌框圖提取，在分析場地內河流、溝谷、道路、地面建筑物、動力能源等分布情況后[1]，為施工初期場區內風、水、電及道路、生產及生活營地、生產輔助設施等的布置提供充分的依據。此外，可借助地理信息軟件的相關功能，實現現場踏勘路徑、已知建筑物位置坐標數據的導入，以及場內建筑物特征坐標、地形數據的導出[2]。

圖2 無人機獲取的某水電站場地影像圖

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

例如，在CASS中基于高程點生成等高線操作中，先利用水經注軟件將下載的指定區域電子地圖導出格式設定為“*dat”，再在CASS軟件中利用“等高線”菜單中“建立DTM”“繪制等高線”選項功能，依次完成三角網建立、等高線生成。

在初期施工規劃中，根據補充完善的無人機航拍信息，結合場地地貌、施工條件、時空特點，完成地埋、跨溝、架空、開挖或回填區等部位臨建設施的合理布置。此外，根據初步獲取的3D地貌，完成建（構）筑物占地面積、基礎土石方施工工程量估算。

3.3 在方案實施期間的應用

針對水利工程不同施工時段、不同現場地理信息情況，借助現代地理信息獲取方式，能夠快速、有效收集對施工期有用的相關信息，根據場內施工條件變化、工程施工進度形象面貌、后續新建建筑物特點及施工要求，優化調整現場施工資源布置，選取最優施工方案，在工程質量、安全、環保目標有保障的前提下，縮短工區，實現降本增效。

在進行BIM實體建模時，可從視覺感出發，獲得工程結構體型，為工程量測算、建筑物施工結構分層、分塊及年月形象進度面貌控制獲取有用信息。

在施工階段，現場技術人員依照設計圖紙完成建筑物BIM建模后，可將模型置于借助地理信息技術生成的三維地形中，進行場內道路優化布置，并通過計算機布爾運算，求解不規則區域土石方開挖工程。施工過程中，通過無人機現場航測，通過查看現場施工進度影像照片，通過技術手段提取的建筑物特征數據，根據施工時段劃分，在BIM模型上完成相應時段建筑物體形剖切，最終求解出不同時段的完建工程量，為后續項目施工計劃安排，人員、設備配置及物資供應提供依據。此外，通過無人機現場航測獲取的工程建設信息，及時審核工程施工可能存在的安全、質量、進度、環保方面的問題，及時進行研判、處理。

在河南天池抽水蓄能電站上、下水庫土建及金屬結構安裝工程施工中，中國水利水電第十一工程局有限公司與華北水利水電大學合作，采用無人機航測收集現場地理信息，創建了工程場區地形模型（見圖3）和開挖地形模型，快速、便捷完成開挖工工程量統計及場區平面布置及優化。

圖3 依據地形數據創建3D實體地形圖

3.4 在后期運行管理的應用

水利工程在建成運行期間，需長期對大壩、廠房及庫區進行運行管理，由于水利工程體型大、庫區范圍寬廣，布置在水工建筑物內外部的檢測儀器，僅能對結構內部位移、變形進行監測，無法兼顧建筑物與外圍環境之間隨時間推移的變化監控。如庫區漂浮物、電站邊坡植被、泄洪期下游河道狀況、后期改建建筑物與現有建筑物空間匹配等情況，利用傳統觀測手段費時、費力，無法進行動態跟蹤。利用無人機進行監管區航測，對傳輸到后方監管中心的圖像、視頻資料進行分析，提取坐標點位數據導入地理信息系統，在高精度電子地圖中進行定位、追蹤，可以及時、準確發現問題，制訂有效的處置方案并付諸實施，降低或消除水庫運行管理安全風險，一定程度上降低管理成本。

4 無人機、地圖軟件獲取地理信息的缺點及對策

4.1 無人機、地圖軟件獲取地理信息的缺點

無人機由于體積小、質量輕的特點，使其在飛行的時候易受到風力的影響，其飛行姿態（飛行傾角、旋偏角過大）、飛行線路（航線彎曲）、成像（拍攝像片比例不一致）與預設飛行線路、布控點區域及成像質量存在偏差。此外，受天氣影響，尤其是水利工程多位于地形復雜的山區，云影區對于航片的質量影響大，復雜地形測控點難以布設、高精度地理信息數據處理困難[3]。

目前，行業內比較常用的地理信息系統軟件均無法做到實時地圖信息更新，且電子地圖所提供的地面建筑物位置坐標、借助軟件生成的高程點及等高線精度較傳統測量儀器實測精度偏差較大。此外，水利工程建設場地多位于高山峽谷、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 地圖軟件與無人機實測的信息互補

按照施工區域范圍，借助地理系統軟件完成工區范圍內涵蓋河流、道路、地面建筑物、動力能源設施等信息的電子地圖下載。下載電子地圖時，盡可能采用行業認可度高、精度高（下載級別根據施工需要確定）的正版地理系統軟件完成。對于地形復雜、電子地圖信息缺失部位，可采用無人機航測完成全面、準確、高清晰度的地理信息補充。

4.3 測量儀器實測與無人機航測的互補

對于航測精度高的無人機航拍范圍、航行線路需預先采用測量儀器進行實測，確定航測區域控制點以及飛行軌跡控制坐標。對地面茂密植被覆蓋區、陡深溝谷，無法借助無人機航測獲取地理信息區域，則應在地面清表、修筑人行便道后，采用光電自動跟蹤測量儀器完成。而對于一些險峻、人員及車輛無法到達的原始林區、高海拔區、寬廣水域等地帶，則借助無人機前期進行航測，后期在人員設備進場后，采用無人機復飛與測量儀器實測相結合的方式進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

隨著我國工業化、信息化進程的快速發展，未來水利工程建設對于地理信息技術的依賴程度將越來越高。例如，地理信息系統軟件可實現高清、定點區域3D地貌成像與圖像信息下載、遠程無人機遙控、地面實測數據傳輸、后方成圖平臺數據接收，實現快速數據交換、數據處理、根據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、復雜建筑物現場掃描及三維數據建模、現場位移及變形觀測等，為前期規劃設計、中期施工生產、后期運營維護提供全天候、實時地理信息服務。

6 結語

無人機航測、地理信息系統軟件在水利工程施工管理全過程中的應用，極大地提高了建設從業者的工作效率和工作質量，在未來復雜、高風險性作業環境下，對高精度、全方位、智能化施工管理提供了有力支持。相信隨著現代工業信息技術的發展，地理信息技術的功能及適用條件將會得到升級完善，滿足人們在水利工程施工管理各個階段對于實時性、全面性、準確性、便捷性地理信息的獲取需求。