大型長距離輸水灌區工程測量技術研究

樂文強，顏景順，徐詠梅

(1.廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023；2.廣西安全工程職業技術學院，南寧 530100）

0 引言

大型長距離輸水灌區工程與其他工程項目對比，有以下幾個特點：

（1）作為水利線性工程，經緯度跨度較大，需要布設較為嚴密且高精度的平面、高程控制網。

（2）需要借助航測技術和激光雷達測量技術，提高工作效率。

（3）需要科學布設航線，保證航測飛行安全，且要布設足夠數量的像控點，進行高精度的影像航攝。

（4）需要對隱蔽區域和航攝后變化區域及重要部位進行補充調繪。

（5）測繪專業作為上序專業，需盡快提供滿足項目階段要求的測繪成果以供下序專業使用。

為解決傳統工程測量效率低、進度慢的問題，本文針對大型長距離輸水灌區工程的特點，就如何高精度、快速、高效地完成測繪任務，探究有效的技術手段。

1 工程概況

廣西桂西北治旱龍江河谷灌區工程開發任務為農業灌溉及城鄉供水，保障區域經濟社會用水安全，為保障區域糧食生產安全、鞏固扶貧攻堅成果、實現鄉村振興創造條件。龍江河谷灌區是《廣西防汛抗旱水利提升工程實施方案》提出新建的重點灌區，已列入《“十四五”水安全保障規劃》《廣西水網建設規劃》《柳江流域綜合規劃》。龍江河谷灌區工程規劃灌溉面積82 萬畝，主要建設內容為：輸水干線長約300 km，其中隧洞段長約30 km；輸水支管16條總長約409 km。灌區位于東經107°42′～108°58′，北緯24°08′～25°08′，平均高程為250 m，屬國家統一地理坐標3°分帶的第36 號分帶。測區交通不便，地形以山地為主，植被茂密，通視困難，地形比較破碎凌亂，綜合困難程度為復雜地區類別。本工程測繪的主要任務是：①在工程區域內建立四等GNSS平面控制網、四等高程控制網；②低空無人機航測1∶2000 正射影像DOM；③測繪工程區域1∶2000地形圖。

龍江河谷灌區工程屬于典型的大型長距離輸水灌區工程，工程規模大，工期要求緊，采取有效技術手段建立嚴密且高精度的平面、高程控制網及測繪高精度的地形圖產品，對大型長距離輸水灌區工程的順利開展有著至關重要的作用。

2 技術手段

2.1 控制網建立的有效技術手段

在大型長距離輸水灌區工程測量的實施過程中，需分別建立嚴密且高精度的平面控制網及高程控制網。建立平面控制網可采用傳統大地控制測量方法（三角測量、導線測量）及現代GNSS 測量方法。傳統大地控制測量方法耗時久、受人工干預較大，考慮到工程項目時間緊迫，使用現代GNSS測量方法。高程控制網的建立宜采用水準測量方式。

2.1.1 利用北斗衛星系統建立高精度平面控制網

建立平面控制網流程：平面控制網布設及GNSS控制點選點埋石，平面GNSS控制網外業數據采集，平面GNSS 控制網平差計算。平面控制網布設及GNSS 控制點選點埋石按相應規范要求實施。大型長距離輸水灌區工程測量平面控制網布設時，因地形條件的限制，個別點位衛星信號較差、觀測精度相對較低。傳統GNSS 基線處理，僅利用GPS、Glonass、Galileo 這三種衛星，合格率為91.3%，某些基線在觀測條件較差時，處理失敗概率大。北斗衛星導航系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，低緯度地區性能優勢更為明顯，把北斗衛星系統、GPS、Glonass、Galileo綜合利用起來，合格率為100%，同時提高GNSS回線閉合結果、異步環閉合差的精度。平面GNSS控制網外業數據采集選用兼容北斗導航衛星的接收機，如南方SOUTHS 86、華測i 90 等。平面GNSS 控制網平差計算采用Trimble Business Center（簡稱TBC）進行。GNSS 回線閉合結果見表1，控制網異步閉合環結果見表2。

表1 GNSS回線閉合結果對比

表2 控制網異步閉合環結果對比

經分析，增加了北斗衛星系統后，控制網各項精度均有明顯提升，特別適用于觀測條件不佳的控制網平差解算。

2.1.2 利用自編水準數據處理小軟件提高高程控制網建立的效率

高程控制網建立宜采用水準測量方式。基于規范要求及項目特點，本項目采用數字水準儀Leica-Sprinter 350進行外業數據采集，并利用作者編寫的水準數據處理小軟件，可快速獲取水準測段高差及電子水準測量記錄手簿（見圖1），并查找出水準測量數據的超限項，及時進行補測，避免人工計算產生粗差或誤差。最后利用武漢大學的Coswin系統進行平差處理，即可建立嚴密、高精度的高程控制網。

圖1 水準數據處理軟件成果

2.2 地形圖測繪的有效技術手段

地形圖測繪包含地物采集及地形地貌碎部點采集。傳統地形圖外業測量采用人工實地采集碎部點方式完成。因龍江河谷灌區工程山地較多，植被茂密，地形凌亂破碎，人工實地采集碎部點作業周期長，且受衛星信息影響較大，難以保證作業效率及地形圖產品精度。結合項目特點，地物采集采用低空無人機航攝，地形地貌碎部點采集采用激光雷達測量技術，結合加載高精度大地水準面模型的外業調繪完成地形圖測繪。

2.2.1 利用低空無人機航測提升地物采集效率

工程區域植被種類多，且小塊狀地類居多，人工實地采集地物耗時長且效率不高。為快速完成工程區域內的地物采集，采用大疆精靈Phantom4 RTK 無人機及飛馬D2000 無人機進行低空航空攝影測量。大疆精靈Phantom4 RTK 無人機、飛馬D2000無人機結合動態后處理技術（PPK）可減少像控點布設，通過Context Capture Center 軟件進行空三處理后可獲取高分辨率的立體像對及正射影像。再結合航天遠景多源空間信息綜合處理平臺Map?Matrix進行地物采集，可大幅度提升地物采集效率。經實地用GNSS-RTK方法采集各類地物坐標檢驗，航測采集地物與RTK采集地物坐標對比見表3。經分析，航測采集的地物完全滿足《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）精度要求。

表3 航測采集地物與RTK采集地物坐標對比m

2.2.2 利用激光雷達測量技術提升地形地貌碎部點采集效率

本工程地形以山地為主，地形比較破碎凌亂，屬于植被高覆蓋區，GNSS 信號較差。人工實地采集地形地貌碎部點作業周期長，爬山涉水，人員投入大，人工成本高，且精度難以保證。為獲取高精度的地形地貌數據，采用華測激光雷達掃描儀AU900 進行激光雷達測量工作。激光雷達測量系統軟硬件配套成熟，測程長、精度高，在復雜測區環境下，仍能保證較高數據精度，確保成果質量，且數據形式多樣，數據成果豐富。經實地用GNSS-RTK方法采集各處地形點高程檢驗，激光點云高程與RTK采集高程對比見表4。

表4 激光點云高程與RTK采集高程對比m

經分析，激光雷達高程數據精度較高，在大部分地形復雜地區均滿足《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）精度要求，且成本低、效率高，應用在大型長距離輸水灌區工程測量中直接經濟效益明顯，值得推廣。

2.2.3 采用千尋網絡差分信號、加載高精度大地水準面模型提高外業調繪高程精度

傳統外業調繪需擺設基準站，且流動站與基準站的距離不應大于5 km；網絡RTK測量可不受流動站到基準站間距離的限制，但應在網絡覆蓋的有限服務范圍內。擺設基準站存在基準站被盜或被移動的風險，可能造成外業成本增加或測量誤差超限。本項目工程區域內均有網絡覆蓋，采用千尋網絡差分信號可不受基準站距離的限制，且可獲取全天候的水平精度2 cm、高程精度5 cm的實時定位數據，測量精度得到有效保證。試驗在作業時加載大地水準面模型，校正測區中部一座國家Ⅰ等水準點，用千尋網絡差分信號平滑采集本項目四等水準點高程。經分析，30 km 范圍內高程誤差均小于10 cm，60 km范圍內高程誤差均小于15 cm。故加載高精度大地水準面模型可保證外業調繪的高程精度，首次在水準點上校正后，后續作業可10～20 km 再用等級水準點驗證，期間只需在上次采集的碎部點上驗證即可。

3 結語

本文以廣西桂西北治旱龍江河谷灌區工程為例，研究針對大型長距離輸水線路工程測量的有效技術手段，并采用數據對比分析的辦法，探究如何建立嚴密且高精度的平面、高程控制網，測繪滿足項目階段要求的地形圖，為類似項目提供參考。