（臨武縣水務(wù)局郴州市424300）

GPS-RTK+南方CAS S在中小型水庫庫容測(cè)量中的應(yīng)用

鄧國(guó)法

（臨武縣水務(wù)局郴州市424300）

隨著GPS-RTK技術(shù)的廣泛應(yīng)用，南方CASS地形地籍成圖軟件強(qiáng)大的繪圖及計(jì)算功能?，F(xiàn)代化的測(cè)量技術(shù)及繪圖計(jì)算方法將得到大力發(fā)展及推廣，文章結(jié)合臨武縣中小型水庫庫容測(cè)量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合介紹了GPS-RTK+南方CASS在中小型水庫庫容測(cè)量中的具體應(yīng)用，該方法和測(cè)量經(jīng)驗(yàn)可供中小型水庫庫容測(cè)量參考。

GPS－RTK南方CASS庫容測(cè)量

中國(guó)中小型水庫分布范圍廣、數(shù)量大，直接關(guān)系當(dāng)?shù)孛裆?jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。但許多中小型水庫庫容曲線精度低或沒有庫容曲線，直接影響到水庫的防洪安全及灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)電等效益。面對(duì)嚴(yán)峻的抗洪減災(zāi)，防汛抗旱工作任務(wù)，如何獲得高精度的庫容曲線是每座水庫運(yùn)行管理部門急需解決的難題。傳統(tǒng)的野外測(cè)繪工作因投入大，耗時(shí)長(zhǎng)、精度低等原因已被淘汰。GPS動(dòng)態(tài)相位差分技術(shù)RTK可實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的三維坐標(biāo)，野外數(shù)據(jù)采集速度快、精度高、無累積誤差,操作簡(jiǎn)便,作業(yè)人員少等，南方CASS地形地籍成圖軟件工程應(yīng)用模塊中集成的土方計(jì)算功能，適用于復(fù)雜地形的庫容計(jì)算，具有操作簡(jiǎn)單，計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。GPS－RTK+南方CASS庫容測(cè)量技術(shù)可在中小型水庫庫容測(cè)量中推廣運(yùn)用。

1 庫容數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

臨武縣地處湖南省最南部，2015年底統(tǒng)計(jì)，臨武縣登記注冊(cè)中小型水庫共83座，從2003年開始水庫除險(xiǎn)加固，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)臨武縣區(qū)域內(nèi)水庫部分庫容數(shù)據(jù)缺失，部分庫容數(shù)據(jù)精度低，可利用價(jià)值不高。其原因如下：

（1）臨武縣83座水庫中有53座修建于20世紀(jì)50～60年代，限于當(dāng)時(shí)的歷史條件及投入不足，缺少地形圖，無庫容數(shù)據(jù)。部分水庫庫容數(shù)據(jù)是在1∶10 000地形圖上量算得出，各項(xiàng)誤差較大。

（2）水庫經(jīng)過多年的后期開發(fā)利用，如修建公路、水庫圍堰、土石方開挖、清淤改造等必定造成庫容變化大；且水庫長(zhǎng)期運(yùn)行，部分水庫淤積嚴(yán)重。

（3）水庫除險(xiǎn)加固后，壩頂或溢洪道高程發(fā)生變化。水庫特征參數(shù)變化，無對(duì)應(yīng)庫容數(shù)據(jù)。

（4）所有中小型水庫均無大比例尺庫區(qū)地形圖或數(shù)字化地形圖，無法找到建設(shè)時(shí)保存完好的控制點(diǎn)，庫容曲線及水庫水位無法對(duì)應(yīng)使用。

以上原因造成庫容數(shù)據(jù)缺失及嚴(yán)重的不準(zhǔn)確，水庫運(yùn)行管理部門無法對(duì)水庫的日常運(yùn)行及度汛抗旱工作進(jìn)行管理。更為嚴(yán)重的是影響水庫防洪安全以及水庫效益的發(fā)揮，威脅人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為從根本上解決以上問題，2012年11月臨武縣水務(wù)局組建了中小型水庫測(cè)繪隊(duì)，全面展開臨武縣中小型水庫地形測(cè)量及庫容測(cè)量。

2 測(cè)量方法和過程

2.1 GPS－RTK測(cè)量

常規(guī)測(cè)量作業(yè)方法在庫容測(cè)量中的缺點(diǎn)：中小型水庫多地處山區(qū)，交通困難，甚至只能步行到水庫。工程工期緊，任務(wù)重大，精度要求高，需投入大量的人力和設(shè)備，測(cè)量精度難以保障。雖然GPS水下地形測(cè)量在庫容測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，且不用降低水位。但對(duì)于數(shù)量眾多，交通不便，工作經(jīng)費(fèi)有限的中小型水庫還是有他的局限性。水下地形測(cè)量作業(yè)系統(tǒng)要攜帶GPS設(shè)備、數(shù)字化測(cè)深儀、測(cè)量船、筆記本電腦及其他工具、繩索、吊具設(shè)備等，水下地形測(cè)繪團(tuán)隊(duì)人員多，技術(shù)要求高，需配備專業(yè)測(cè)量船駕駛員，縣級(jí)水利部門很難配置。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（Reak time kinematic）簡(jiǎn)稱RTK，GPS－RTK測(cè)量以精度高、控制點(diǎn)及測(cè)站之間不要求通視，觀測(cè)時(shí)間短，不受天氣及夜間限制，可全天候作業(yè)，效率高，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便?？蓪?shí)現(xiàn)測(cè)繪過程自動(dòng)化、測(cè)繪產(chǎn)品數(shù)字化、提高了作業(yè)效益和成圖精度，體現(xiàn)了高科技測(cè)繪技術(shù)的高效性和科學(xué)性，同時(shí)地形圖后期修補(bǔ)測(cè)更為方便。

2.2 儀器設(shè)備、人員配置

本次測(cè)繪采用的儀器是南方RTK S86－2013,可接收我國(guó)自主研發(fā)的BDS北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、美國(guó)GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等3個(gè)國(guó)家的衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)。多星座、多頻段接收使RTK外置電臺(tái)典型作業(yè)半徑8 km，平面精度達(dá)到±1 cm+1 ppm，高程精度達(dá)到±2 cm+1 ppm，完全滿足庫容測(cè)量精度要求。同時(shí)S86－2013內(nèi)置了發(fā)射電臺(tái)，收發(fā)一體內(nèi)置電臺(tái)，打破了基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的界限，兩者之間可完全互換使用，內(nèi)置電臺(tái)可以不攜帶電瓶、外置電臺(tái)、天線，只需攜帶2～3臺(tái)GPS－RTK主機(jī)就可完成測(cè)量，內(nèi)置電臺(tái)大大減少了測(cè)量設(shè)備的攜帶，省略了外置電臺(tái)架設(shè)工作，且測(cè)量點(diǎn)位精度不受影響。使用內(nèi)置電臺(tái)可以在（3～5）km半徑范圍內(nèi)進(jìn)行RTK測(cè)量，非常適合中小型水庫庫容測(cè)量。為節(jié)約開支，提高效率，本次測(cè)繪采取最精煉人員配置組合：主測(cè)1人，跑尺員2人，小工1～2人，車輛1臺(tái)，南方S86－2013 GPS－RTK 3臺(tái)套（1+ 2組合施測(cè)，1臺(tái)基準(zhǔn)站，兩臺(tái)移動(dòng)站），隨車備用連體雨褲和充氣船，測(cè)繪組合工具包1套，照相機(jī)1臺(tái)，根據(jù)庫區(qū)地形地貌確定是否架設(shè)外置電臺(tái)。其他具體施測(cè)時(shí)，視水庫測(cè)區(qū)條件及測(cè)量人員的配備而定。

2.3 外業(yè)測(cè)繪

2.3.1 建立水庫永久控制點(diǎn)

施測(cè)人員到達(dá)水庫后，首先按照測(cè)繪技術(shù)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘選點(diǎn)，埋設(shè)永久控制點(diǎn)。原則如下：

（1）一般一座水庫要建立4個(gè)以上永久控制點(diǎn)。

（2）控制點(diǎn)選擇在易于安置接收設(shè)備、視野開闊的位置，控制點(diǎn)周圍15°以上不應(yīng)有高大障礙物，避免吸收或遮擋GPS信號(hào)。

（3）控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線，避免電磁場(chǎng)干擾GPS信號(hào)。

（4）控制點(diǎn)附近不應(yīng)有大面積水域或強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，減弱多路徑效應(yīng)的影響。

（5）控制點(diǎn)應(yīng)選擇有利于其他觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方，地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)位保存、交通方便。

（6）當(dāng)利用原有控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)原有控制點(diǎn)的穩(wěn)定性、完好性，是否安全可用做檢查，符合要求方可利用。

2.3.2 架設(shè)儀器、設(shè)置參數(shù)

圖1 萬水洞水庫施測(cè)時(shí)架站實(shí)況

基準(zhǔn)站架設(shè)儀器采用了自由設(shè)站方法（圖1），根據(jù)測(cè)區(qū)情況，將基準(zhǔn)站架設(shè)在任意位置。在實(shí)際操作過程中體驗(yàn)到其優(yōu)點(diǎn)是：①基準(zhǔn)站不用架設(shè)在已知點(diǎn)上，可根據(jù)情況任意架設(shè)，可選擇更安全、更方便、更有利、更空曠的地理位置。②可提高精度，由于基準(zhǔn)站可以任意位置架設(shè)，基準(zhǔn)站可架設(shè)在控制點(diǎn)與測(cè)區(qū)中間，縮小基準(zhǔn)點(diǎn)與移動(dòng)站之間距離，提高點(diǎn)位精度。③自由設(shè)站不需要嚴(yán)格對(duì)中整平，方便快捷，省時(shí)省力，減少了對(duì)中誤差的影響；不用量取儀器高，最大限度地減少量取誤差，提高精度；只要把基準(zhǔn)站固定整平即可，移動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站差分信號(hào)出現(xiàn)固定解后便可以開始測(cè)量?；鶞?zhǔn)站架設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇較好的位置（圖2），要注意以下幾個(gè)要求：①基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)于交通方便、視野開闊的地方，周圍沒有較大障礙物。②鄰近不應(yīng)有強(qiáng)電磁輻射源，減少干擾。③基準(zhǔn)站應(yīng)選擇地勢(shì)相對(duì)較高的地方以擴(kuò)大電臺(tái)的作用距離。④地形地面穩(wěn)固，防止基準(zhǔn)站架設(shè)不穩(wěn)定。本次水庫測(cè)量多采用自由設(shè)站方法。架設(shè)啟動(dòng)移動(dòng)站（圖3）：確認(rèn)基準(zhǔn)站發(fā)射成功后，便進(jìn)行移動(dòng)站架設(shè)，先將接收機(jī)設(shè)置為移動(dòng)站電臺(tái)模式，打開主機(jī)，設(shè)置與基準(zhǔn)站一致的差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，移動(dòng)站達(dá)到固定解后，即可在手簿上看到高精度的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。

圖2 萬水洞水庫施測(cè)時(shí)基準(zhǔn)站

圖3 外置電臺(tái)發(fā)射天線和移動(dòng)站

2.3.3 數(shù)據(jù)采集，地形測(cè)繪

以水庫拼音或測(cè)繪時(shí)間為工程名稱新建工程，固定解后進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量。庫容計(jì)算的精度，與外業(yè)數(shù)據(jù)采集密切相關(guān)。根據(jù)庫容計(jì)算的精度要求，確定合適的測(cè)量精度指標(biāo)。本次測(cè)點(diǎn)密度按照1∶500地形測(cè)圖要求進(jìn)行測(cè)點(diǎn)密度控制。根據(jù)地形地貌情況確定測(cè)量點(diǎn)距離，要求測(cè)點(diǎn)必須能控制地形、地物的變化，測(cè)點(diǎn)分布均勻，不得出現(xiàn)漏測(cè)現(xiàn)象，保證三角網(wǎng)面與地面的符合精度。測(cè)繪范圍：大壩及樞紐工程全部詳測(cè)，庫區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)采集要求高于壩頂高程（5～10）m。外業(yè)數(shù)據(jù)采集要求如下：測(cè)點(diǎn)越密，庫容計(jì)算的精度越高；平坦和坡度變化較小的地面，測(cè)點(diǎn)可以稀疏一些；地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏變化較快，測(cè)點(diǎn)應(yīng)密一些。坡度變化點(diǎn)須采集，高差大于0.5 m的坡坎，要求坡頂和坡腳都要測(cè)點(diǎn)，確保沿坡坎能組成三角網(wǎng)。

死庫容測(cè)繪：本次測(cè)量為枯水期，結(jié)合水庫捕魚時(shí)間放空水庫，即可開始測(cè)量，對(duì)于死庫容較大無法放空的水庫，則利用充氣船和5 m測(cè)桿配合測(cè)量，對(duì)于?。↖）、小（II）型水庫死水位不深的則穿戴連體雨褲，持移動(dòng)站進(jìn)行水下點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出與傳輸：利用GPS－RTK進(jìn)行實(shí)地測(cè)量后，將野外采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手薄中，當(dāng)一個(gè)水庫的外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出成南方CASS格式的DAT數(shù)據(jù)文件。

2.3.4 數(shù)字化地形成圖

本次測(cè)繪主要采用“草圖+編碼法”測(cè)圖，在野外數(shù)據(jù)采集的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖，標(biāo)注所測(cè)地物及地物之間的大概相對(duì)位置，記下所測(cè)地物的點(diǎn)號(hào)，標(biāo)注要同手薄里的點(diǎn)號(hào)一致，在保存點(diǎn)位時(shí)輸入地物的編碼，有助于內(nèi)業(yè)成圖時(shí)對(duì)地形地物的記憶。數(shù)字化地形成圖步驟：

（1）展點(diǎn)：展高程點(diǎn)、點(diǎn)號(hào)和代碼。

（2）繪平面圖：根據(jù)外業(yè)草圖，選擇相應(yīng)的地圖圖示符號(hào)，繪制地形平面圖。

（3）繪等高線：等高線的繪制是地形成圖的重要環(huán)節(jié)，是表示地貌起伏的一種重要手段，也是后期庫容計(jì)算的重要工作。等高線經(jīng)修飾、編輯等后，最終形成數(shù)字化地形圖（圖4）。

圖4 小水沖水庫數(shù)字化地形圖

3 南方CASS－DTM庫容計(jì)算

3.1 計(jì)算準(zhǔn)備工作

按照南方CASS數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出原始測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)出的DAT數(shù)據(jù)文件進(jìn)行校核，剔除不正確的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，收集水庫已有相關(guān)資料和經(jīng)過檢查合格的1∶500數(shù)字化地形圖（圖4）。

3.2 庫容計(jì)算

庫容計(jì)算工作是庫容測(cè)量的重要工作，傳統(tǒng)手工計(jì)算方法的局限性，計(jì)算過程的復(fù)雜度，一直影響著庫容計(jì)算的精度及效率。南方CASS地形地籍成圖軟件是基于AutoCAD平臺(tái)開發(fā)的繪圖計(jì)算軟件，庫容計(jì)算方法可完全采用土方計(jì)算原理進(jìn)行水庫的庫容計(jì)算。南方CASS工程應(yīng)用模塊中適用于庫容計(jì)算的共有以下三種計(jì)算方法：DTM法土方計(jì)算、方格網(wǎng)法土方計(jì)算和等高線法土方計(jì)算。

3.2.1 DTM法庫容計(jì)算

由DTM模型來計(jì)算庫容是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)位坐標(biāo)（X，Y，Z）和庫容水位計(jì)算高程，通過生成三角網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)三棱錐的庫容量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)的填方量即為該水位高程的實(shí)際庫容量。計(jì)算順序：

（1）根據(jù)已繪制好的地形圖，判斷組成三角網(wǎng)是否正確。如果軟件自動(dòng)組成的三角網(wǎng)在坡坎、溝、坑塘、突起和邊界部分三角網(wǎng)組成錯(cuò)誤，則人工刪除錯(cuò)誤三角網(wǎng)，保存修改正確后的三角網(wǎng)，根據(jù)修改完成后的三角網(wǎng)繪制等高線。

（2）根據(jù)三角網(wǎng)繪制生成的等高線，檢查刪除等高線與地形、地貌不一致部分的三角網(wǎng)，人工重組后重新生成等高線，直到一致。

（3）根據(jù)已繪制好的等高線用復(fù)合線畫出每個(gè)要計(jì)算庫容的水面范圍，一定要閉合，但不要擬合，以免影響計(jì)算結(jié)果的精度。

（4）計(jì)算庫容，輸入多個(gè)設(shè)計(jì)水位標(biāo)高，計(jì)算過程不需要人工干預(yù)，全部由軟件自動(dòng)完成。輸出記錄計(jì)算結(jié)果，完成計(jì)算工作。

3.2.2 方格網(wǎng)法庫容計(jì)算

方格網(wǎng)法庫容計(jì)算是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面坐標(biāo)（X，Y，Z）和庫容水位高程，通過生成方格網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)方格內(nèi)的庫容量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)的填方量即為該水位高程的實(shí)際庫容量。計(jì)算軟件首先將方格的4個(gè)角上的高程相加取平均值與計(jì)算水位高程相減。然后通過指定的方格邊長(zhǎng)得到每個(gè)方格的面積，再用長(zhǎng)方體的體積計(jì)算公式得到庫容量，方格網(wǎng)法簡(jiǎn)便直觀，易于操作，因此這一方法在實(shí)際庫容計(jì)算中應(yīng)用非常廣泛。

3.2.3 等高線法土方計(jì)算

本方法適用于已有庫區(qū)地形圖（紙質(zhì)版），首先將紙質(zhì)版地形圖掃描矢量化得到電子地形圖，但是這樣的圖沒有高程數(shù)據(jù)文件，所以無法用DTM土方法和方格網(wǎng)法計(jì)算庫容量。等高線法土方計(jì)算是根據(jù)矢量化后的等高線，計(jì)算任意兩條等高線之間的庫容量，要求所選等高線必須閉合。根據(jù)兩條等高線所圍面積以及兩條等高線之間的高差，便可求出這兩條等高線之間的庫容量。

南方CASS地形地籍成圖軟件，工程應(yīng)用模塊中集成的三種計(jì)算功能,適用于復(fù)雜地面的土方量計(jì)算工作，具有操作簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，分別對(duì)4座水庫進(jìn)行了三種方法的庫容計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。三種計(jì)算方法都是建立在高精度、高密度測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，計(jì)算過程全部由軟件根據(jù)單個(gè)計(jì)算單元累加計(jì)算完成，計(jì)算原理及方法嚴(yán)密。最終三種計(jì)算方法結(jié)果偏差不大，可見三種方法計(jì)算均不會(huì)影響計(jì)算精度，完全滿足庫容計(jì)算之要求。

繪制水庫水位--庫容關(guān)系曲線：利用CASS軟件，分別計(jì)算出水庫不同水位高程所對(duì)應(yīng)的水庫庫容，得出最后測(cè)繪成果：水庫水位--庫容關(guān)系曲線表和曲線圖（圖5）。

圖5 萬水洞水庫庫容曲線圖

4 小結(jié)

專家及學(xué)者關(guān)注的大型水庫及高等級(jí)測(cè)量方法已相當(dāng)成熟，但目前真正適合中小型水庫、適合基層水利部門的水庫測(cè)量技術(shù)方法有待大家的探索。以GPS-RTK+南方CASS在中小型水庫庫容測(cè)量中的成功應(yīng)用，雖然在死庫容測(cè)量中存在其局限性，需降低或騰空庫水位，但仍以節(jié)約投入、省時(shí)高效、實(shí)用準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便易行、操作簡(jiǎn)單、精度可靠的優(yōu)勢(shì)在基層水利單位得到推廣和應(yīng)用，進(jìn)而從根本上解決我國(guó)眾多中小型水庫、河湖的精準(zhǔn)測(cè)繪難題。

[1]劉福臻.數(shù)字化測(cè)圖教程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

2016-12-20）

鄧國(guó)法（1978－），男，湖南臨武縣人，大學(xué)本科，工程師，從事高速公路、橋梁、地形地籍、水庫河湖測(cè)繪以及水利工程設(shè)計(jì)、水利工程運(yùn)行管理16年，目前主要推廣先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)在縣級(jí)等基層水管單位的應(yīng)用。