抽水蓄能工程測量技術(shù)難點分析與展望

摘要：為了適應(yīng)抽水蓄能工程地形高差大、通視通行條件差、測量周期短、精度要求高等要求，對當前工程測量技術(shù)在抽水蓄能工程測量過程中呈現(xiàn)的部分難點問題進行了分析和總結(jié)，提出了解決方案和展望。研究推薦采用如下方案：①采用統(tǒng)一的高斯正形投影3°帶的現(xiàn)行國家坐標系統(tǒng)作為勘測設(shè)計階段地形測量的平面坐標基準；②采用電磁波測距三角高程測量作為二等高程控制測量的作業(yè)方法之一；③保證激光LiDAR點云可靠性的幾種測量措施，充分發(fā)揮LiDAR技術(shù)高效、智能化的優(yōu)勢；④建立工程橢球解算GNSS施工測量控制網(wǎng)減弱垂線偏差對距離歸算的影響。

關(guān) 鍵 詞：抽水蓄能電站；平面坐標系；電磁波測距三角高程測量；激光LiDAR垂線偏差；工程測量

中圖法分類號：P228.4 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.022

0 引言

近年來，中國抽水蓄能電站迎來高速發(fā)展的態(tài)勢。根據(jù)《抽水蓄能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2021》^［1］和《抽水蓄能電站發(fā)展形勢與展望》^［2］統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，中國抽水蓄能電站總裝機規(guī)模為3 639萬kW，至2023年3月，總裝機規(guī)模為4 699萬kW；截至2021年底，中國抽水蓄能電站核準在建總規(guī)模為6 153萬kW，至2023年3月，核準在建總規(guī)模為1.32億kW。三峽集團、中國電建、中國能建及電網(wǎng)所屬設(shè)計院、工程局等參建單位從規(guī)劃選址到施工建設(shè)全面參與抽水蓄能電站的建設(shè)。為了適應(yīng)抽水蓄能電站勘測周期短、地形高差大、測量精度高等要求，本文結(jié)合參與建設(shè)的工程及抽水蓄能電站站址的地形特征，對抽水蓄能電站工程測量的技術(shù)難點進行分析，并提出推薦使用的處理方法，最后對未來測量技術(shù)提出展望。

1 抽水蓄能電站站址地形特征

中國大部分已建或在建的抽水蓄能電站為純抽水蓄能電站，發(fā)電的電能取決于抽水蓄存的水量，站址一般在高山低谷落差大的復雜山區(qū)，樞紐建筑物包括上下水庫、引水隧洞、開關(guān)站、交通安全洞等，上庫多位于山頂利用地形條件開挖庫盆，下庫一般為天然河谷。為了獲取更好的發(fā)電效益，電站的位置需要有較大的地形高差，以便在低處建立水庫，在高處建立蓄水池，形成足夠的水位差，同時要求上下庫水平距離最短。根據(jù)三峽集團參與建設(shè)的國內(nèi)29個抽水蓄能電站統(tǒng)計，各站址額定水頭在201～745 m之間，距高比在3.2～11.3之間，上下庫正常蓄水位差值集中在486.00 m，站址平均海拔高程為1 190 m，海拔中位數(shù)為717 m左右。具體統(tǒng)計見表1。

從地域分布來看，中國抽水蓄能站址資源與山川地形分布高度一致，根據(jù)中國2億kW電站名單統(tǒng)計，以華中地區(qū)河南、湖北、湖南三省站點總量最多，華東次之，西南最少，其中浙江省以20個遙遙領(lǐng)先于其他省市，從南北分布來看，南方站址偏多（圖1）。

綜合上述抽水蓄能站址分布及地形特征，可知相對于其他工程而言，抽水蓄能電站的測量工作具有以下特點：①地形高差大，上下庫地形測量的投影變形不易控制。②上下庫距高比小，上下庫之間大部分沒有直接通行道路，水準測量難度大。③下庫壩址及進水口處一般為高邊坡地形，局部還存在倒坡現(xiàn)象，通行條件困難。④南方區(qū)域站址植被豐富、季節(jié)性山洪較多，測量通視條件差。⑤測量周期短，工期緊張。

基于以上測量工作的難點，本文著重從測圖控制網(wǎng)平面坐標系的選擇、電磁波測距三角高程的應(yīng)用、激光LiDAR點云的處理、垂線偏差對施工測量GNSS控制網(wǎng)的影響4個方面闡述工程測量技術(shù)在抽水蓄能工程中的應(yīng)用分析和展望。

2 測圖控制網(wǎng)平面坐標系的選擇

2.1 投影變形分析

控制網(wǎng)邊長的投影變形主要由2個方面組成：①地面水平距離投影到參考橢球面上的變形ΔS1，與邊長和中央經(jīng)線的距離y_m成2次函數(shù)的關(guān)系，將引起距離變短；②參考橢球面距離投影到高斯平面的變形ΔS2，與所在邊長的高程和投影面的距離H成線性關(guān)系，將導致距離變長。

兩項投影改正的數(shù)值ΔS可近似寫成：

ΔS=ΔS1+ΔS2=（y²_m/2R²-H-H₀/R）·S（1）

式中：y_m為投影邊長和中央經(jīng)線的距離，R為地球曲率半徑，H為投影邊長兩端點的平均大地高，H₀為投影面大地高。根據(jù)公式（1），列舉不同高程H在距中央經(jīng)線不同距離處的綜合變形值見表2及圖2。

2.2 相關(guān)標準規(guī)范對投影變形的約定

測圖控制網(wǎng)主要服務(wù)于勘測設(shè)計階段大比例地形圖測量，為了保證地形圖精度均勻、相鄰圖幅的拼接和減小測量誤差的累積，平面控制網(wǎng)的邊長投影變形不能超過一定的數(shù)值。

在勘測設(shè)計階段，目前沒有抽水蓄能工程專項測量規(guī)范可以使用，主要遵循：①國標GB/T 50026—2020《工程測量標準》，其規(guī)定大比例尺測繪地形圖要求邊長投影變形限值為25 mm/km；②水利行業(yè)標準SL 197—97《水利水電工程測量規(guī)范》，其要求限值為50 mm/km；③由住建部發(fā)布2022年4月1日開始實施的強制性工程建設(shè)規(guī)范GB 55018—2021《工程測量通用規(guī)范》，其3.1.3條規(guī)定平面控制網(wǎng)的投影長度變形不應(yīng)大于25 mm/km，當有特殊要求時，應(yīng)通過項目技術(shù)設(shè)計確定^［3］；④能源行業(yè)推薦標準《水電工程測量規(guī)范》，最新修訂版本于2024年4月1日開始實施，在其條文說明里針對控制網(wǎng)的變形值做了詳細的分析，認為可將水電工程測繪按“當有特殊要求時”情況處理，工程招標設(shè)計前為滿足地形測繪工作所建立平面控制網(wǎng)的投影長度變形值不大于50 mm/km即可^［4］。

2.3 控制投影變形的處理方法

為實現(xiàn)控制網(wǎng)變形最優(yōu)的方案，測繪單位采用移動中央經(jīng)線、抬高投影面、橢球膨脹等常用方法，主要是滿足當前規(guī)范的要求。對于抽水蓄能工程來說，本文贊成將能源標準當成特殊要求來設(shè)計平面坐標基準，但認為在實施過程中還可以進一步解除“50 mm/km”的約束，以達到地形圖的使用效能。推薦在勘測設(shè)計階段采用統(tǒng)一的高斯正形投影3°帶的現(xiàn)行國家坐標系統(tǒng)作為地形測量的平面坐標基準，理由如下：

（1）抽水蓄能電站地形高差大，按表1額定水頭中位數(shù)514 m考慮，測區(qū)內(nèi)地形相對高差均超過600 m，根據(jù)綜合變形計算公式和表2，當測區(qū)相對高差超過318.6 m和637.1 m時，建立一套坐標系不可能同時兼顧上下水庫投影變形滿足25 mm/km和50 mm/km的要求，而僅為了滿足目前規(guī)范的約束在同一項目中設(shè)置不同高程投影面建立幾套平面坐標系更容易造成圖紙拼接的混亂，顯然不符合抽水蓄能項目測繪作業(yè)及設(shè)計用圖的實際情況。

（2）按三峽集團參建國內(nèi)抽水蓄能電站站址情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)，取工程項目所在海拔中位數(shù)717 m，距中央經(jīng)線帶寬一半位置45′約70 km計算平均綜合變形值約為-52 mm/km，對于抽水蓄能工程樞紐范圍內(nèi)主要為自然地貌的1∶500地形圖測量能滿足地形點間的相對精度要求，對建筑物的布置和土石方計算影響很小。

（3）使用標準國家坐標系更方便與國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、交通、電網(wǎng)等部門的地形圖進行銜接，避免因坐標系的不同或坐標換算誤差造成工程建設(shè)與重大敏感因素相沖突，在實際項目實施過程中特別是移民征地項目中的意義重大，因為征地紅線報批成果與現(xiàn)場放樣位置不一致的案例非常多。

綜合考慮，使用國家坐標系在抽水蓄能工程勘測設(shè)計階段更利于地形圖的使用，在施工階段通過建立與國家坐標系聯(lián)測的高精度施工控制網(wǎng)來保障建筑物之間的相對位置關(guān)系。同時，也建議相關(guān)單位能編制適用于抽水蓄能工程的團體標準或行業(yè)標準來指導測繪工作。

對位于西藏、青海及西部高海拔地區(qū)的工程亦可建立掛靠坐標系，測量單位在圖紙交付使用及更新時應(yīng)提供圖紙說明，向每位用圖人員強調(diào)掛靠坐標系與國家坐標系之間的差別及換算關(guān)系，在文件名里標識坐標系的名稱。

3 電磁波測距三角高程的應(yīng)用

3.1 三角高程誤差來源分析

電磁波測距三角高程測量誤差的來源主要有儀器誤差、觀測誤差和球氣差，儀器誤差包含測距與測角的誤差，觀測誤差包含照準誤差、儀器高量取誤差及觀測者本身帶來的誤差，球氣差包含地球曲率彎曲和大氣折光的綜合影響。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和誤差傳播定律，在較短時間內(nèi)對向觀測時球氣差的影響互相抵消，三角高程對向測量中誤差以公式（2）表示。

m²_h=1/2m²_s·cos²Z+1/2S·m_z/ρ²·sin²Z+1/2m²_g（2）

式中：m_h為測站誤差，S為測距邊長，m_s為測距誤差，Z為天頂距，m_z為測角誤差，m_g為儀器高和棱鏡高的量取誤差。

由公式（2）計算不同距離及不同天頂距對所測高差的影響，具體數(shù)值見表3。表3顯示，邊長對測距影響不明顯，對測角誤差的影響顯著，儀器高與棱鏡高的量取誤差對二等水準測量影響非常大，用柱狀圖（圖3）更能直觀地反映各項誤差的影響程度。

3.2 相關(guān)標準規(guī)范對三角高程的約定

目前，國家標準規(guī)定電磁波測距三角高程的最高等級為四等，GB/T 12898—2009《國家三、四等水準測量規(guī)范》^［5］明確規(guī)定：在進行幾何水準測量確有困難的山岳地帶以及沼澤、水網(wǎng)地區(qū)，四等水準路線或支線，可用電磁波測距高程導線（以下簡稱“高程導線”）進行測量，并約束最大距離不超過1 km，垂直角不超過15°，視線離障礙物的距離不小于1.5 m。可以理解為，三角高程測量可作為幾何水準測量補充的備選方案。鐵路、水利水電及能源行業(yè)標準對電磁波測距三角高程測量的等級提升到三等，并在規(guī)范條文說明里進行了大量的分析和驗證，來證明三角高程測量能達到三等水準精度。

3.3 精密三角高程適用于二等水準測量的探討及展望

三角高程測量可達到二等水準的精度，可解決抽水蓄能工程中上下水庫高差大、水準便道修筑難度高或繞行遠等高程控制測量難題。鄒進貴等^［6］在2013年就做了精密三角高程測量技術(shù)在高海拔山區(qū)的應(yīng)用研究，采用兩臺全站儀配合高低棱鏡對向觀測，驗證了精度的可行性，此方法主要降低了大氣折光和量取儀器高的影響。王志崗等^［7］在巴基斯坦卡洛特水電站采用主副點隔站法觀測也驗證了精密全站儀三角高程測量達到二等甚至一等的精度，并牽頭編制了企業(yè)標準。段恩新^［8］采用自動目標識別功能（ATR）全站儀照準目標降低照準誤差，增加儀器高和棱鏡高的量取精度，并在向莆鐵路項目中做了二等三角高程測量的精度驗證和效益比較。筆者在甘肅省黃羊抽水蓄能電站觀測墩之間按SL 52—93《水利水電工程施工測量規(guī)范》三等的方法進行三角高程閉合路線和附合路線測量共43 km，測量每公里偶然中誤差為0.98 mm，實際也達到了二等的精度。

隨著測量設(shè)備精度的提升，以及采取ATR功能目標自動識別、測量機器人自動觀測、固定棱鏡高或采用隔點法等消除站高和鏡高的量取誤差等措施，電磁波測距三角高程測量完全可以達到二等水準測量的精度，因此建議在國標或行標的修訂過程中提高三角高程測量的精度等級標準。

4 激光LiDAR點云的處理

4.1 激光LiDAR在植被高覆蓋地區(qū)抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用

激光/雷達（light detection and ranging，LiDAR）是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術(shù)，已成為高時空分辨率三維對地觀測的一種主要手段^［9］。根據(jù)觀測目標的不同幾何結(jié)構(gòu)，激光雷達具有多次回波特點，具有一定的穿透性^［10］，特別是在南方植被覆蓋茂密地區(qū)地形圖測量中發(fā)揮了巨大的作用。筆者2021年在重慶市奉節(jié)菜籽壩抽水蓄能電站上水庫2 km² 1∶500大比例地形圖項目中，采用RTK全野外數(shù)字化地形圖與LiDAR點云分類后生成的DEM做了全面的精度對比分析，試驗證明點云穿透能力強，達31點/km²，檢測高程中誤差為0.43 m，并在后續(xù)歷時2個月完成40 km² 1∶2 000地形圖測繪，從經(jīng)濟效益和時間效益上較傳統(tǒng)RTK測量至少提高2倍以上，為項目設(shè)計爭取了時間。

當然，LiDAR點云的應(yīng)用也存在一些不足之處，如下庫狹窄河谷內(nèi)點云密度不夠，倒坡位置缺少點云信息，高邊坡陡崖頂部因點云分類造成錯位等。

4.2 激光LiDAR點云分類

面對海量多回波點云，如何正確提取地面點是測繪人員碰到的最大問題，點云分類的目的是保留更多的地面點和降低非地面點錯誤劃分為地面點的比例，是一種基于大數(shù)據(jù)算法的非監(jiān)督模式。關(guān)于分類的方法主要有：芬蘭某款軟件采用的一種漸進式不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）加密算法、奧地利維也納大學提出的迭代線性最小二乘內(nèi)插濾波算法及基于模擬布料來擬合地面的布料模擬法（cloth simulation filtering）等^［11］，無論哪種算法都需要處理者有足夠的經(jīng)驗，設(shè)置不同的參數(shù)發(fā)揮軟件的最優(yōu)性能。

4.3 激光LiDAR點云應(yīng)用于地形測量的思考

作為一般測繪單位，開發(fā)出一款適用于各種地形情況的點云處理軟件絕非易事，生產(chǎn)單位在已有軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)結(jié)合其他測量手段，利用多種數(shù)據(jù)融合^［12］來保證點云的可靠性，充分發(fā)揮LiDAR技術(shù)在測量中高效、智能化的優(yōu)勢。

（1）峽谷、高邊坡、倒坡位置點云密度不夠和缺失，可采用地面架站式、移動背包走測式三維激光掃描系統(tǒng)^［13］加以補充。

（2）陡崖頂?shù)任恢每刹捎萌緝x免棱鏡補充測點或結(jié)合三維模型、立體測圖等對DEM進行修正。

（3）復雜地形下的點云處理應(yīng)根據(jù)不同的坡度分區(qū)實施。

（4）RTK檢查點應(yīng)布置成網(wǎng)格狀，覆蓋整個測區(qū)，確保分類后點云的可靠性。

（5）重要施工區(qū)域如壩軸線、進出水口、隧洞洞臉等位置可加測斷面檢驗LiDAR點云的精度。

5 垂線偏差對施工測量GNSS控制網(wǎng)的影響

5.1 施工控制網(wǎng)的作用和要求

因抽水蓄能電站上下庫高差大、控制點之間通視困難、控制點分布不均勻及GNSS觀測效率高等因素，首級控制網(wǎng)大多采用GNSS觀測和進行平差計算。

施工控制網(wǎng)是在工程建設(shè)階段為施工放樣提供統(tǒng)一的測量基準，其作用是確保建筑物在施工過程中能夠按照設(shè)計圖紙的要求進行實地精確定位和布置。抽水蓄能電站施工控制網(wǎng)的等級非常高，一般要求末級控制點的點位中誤差不大于±10.0 mm。

5.2 對施工測量GNSS控制網(wǎng)的影響分析

目前，抽水蓄能電站混凝土建筑物、地下洞室、引水隧洞的放樣基本采用全站儀極坐標法，這就要求施工控制點之間的距離、夾角、高差與全站儀邊角觀測的數(shù)值一致。邊角測量工作的基準面是以測站大地水準面或高程投影面的垂線方向為依據(jù)，而GNSS技術(shù)的觀測和計算是以橢球面的法線方向為依據(jù)，二者屬于不同類型的觀測值，之間存在角度差，橢球面的法線和大地水準面的垂線之間的夾角稱為垂線偏差^［14］，其大小反映橢球面與大地水準面的傾斜程度。一般來說，其值非常小，但當測距邊兩端點高差變化較大時，高程投影面與橢球面不平行所造成的誤差影響顯著^［15］。本文對1 km測距邊長在端點不同高差和不同傾斜角條件下歸算平距引起的相對誤差作了仿真計算，如表4所列。從表4可以看出：①當測距邊長和高差一定時，傾斜角越大，歸算距離相對誤差越大；②當測距邊長和地面傾斜角一定時，隨著端點高差增大，歸化的水平距離相對誤差越大。故，在抽水蓄能電站GNSS施工控制網(wǎng)的計算過程中不能忽略垂線偏差的影響。

5.3 減弱垂線偏差影響的處理方法

為減弱垂線偏差的影響，國內(nèi)有些單位提出常規(guī)邊角網(wǎng)與GNSS網(wǎng)聯(lián)合建網(wǎng)的方法。組合建網(wǎng)方式主要有兩種：①在GNSS網(wǎng)中加測高精度邊長，如曾旭平等^［16］在南京長江三橋項目中將測距邊長進行投影面的改化，平差軟件中加入方差檢驗、定出不同觀測值的權(quán)重，以GNSS網(wǎng)為基礎(chǔ)的聯(lián)合組網(wǎng)平差。②常規(guī)邊角網(wǎng)中加入長距離或不通視邊的GNSS基線，如范延峰等^［17］在呼和浩特抽水蓄能電站工程中以地面邊角網(wǎng)為基礎(chǔ)加測GNSS基線邊，采用三維建網(wǎng)技術(shù)解算。以上兩種方法都能達到減弱垂線偏差影響的目的，但也存在不同觀測值定權(quán)復雜、損失GNSS基線方向精度等問題。

通過工程案例分析，推薦一種建立工程橢球的方法，通過GNSS觀測的大地高和觀測墩的水準高程，采用最小二乘法多點擬合一個新橢球，在抽水蓄能電站工程范圍內(nèi)找到一個與高程投影面相接近的橢球面，得到與工程施工控制網(wǎng)一致的尺度。這種方法計算過程嚴密，計算簡單，適合大部分測繪單位使用。

6 結(jié)論

（1）在勘測設(shè)計階段，推薦使用統(tǒng)一的高斯正形投影3°帶的現(xiàn)行國家坐標系統(tǒng)作為地形圖測量的平面坐標系統(tǒng)，能更方便在設(shè)計過程中與外部單位銜接，體現(xiàn)實際用圖的目的，且對工程建筑物的布置和土石方的計算影響不大。

（2）在抽水蓄能高程控制測量中采用電磁波測距三角高程測量能達到二等水準的精度，作業(yè)效率更高。

（3）激光LiDAR的應(yīng)用大大提升了植被高覆蓋地區(qū)地形測量的效率，點云數(shù)據(jù)處理應(yīng)輔以其他測量手段保證點云的可靠性，充分發(fā)揮測量新技術(shù)的高效、智能化優(yōu)勢。

（4）抽水蓄能電站施工階段建立GNSS施工測量控制網(wǎng)時，應(yīng)考慮垂線偏差的影響，并推薦采用建立工程橢球的方法進行GNSS控制網(wǎng)平差解算。

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（編輯：劉媛）