激光全站仪配合EPS成图测绘系统在明渠截流口门区监测中的应用

摘要：三峡工程明渠截流水文监测中，口门区的水文监测既是水文监测的重点，也是水文监测的难点。使用激光全站仪配合EPS成图测绘系统实现施工区高危险地段的无接触式实时监测截流戗堤裹头形象、水位和口门宽等控制性水文要素的资料收集，具有及时、准确和安全的特点。在大型水利工程建设和江河测绘中推广应用，其经济效益和社会效益明显。

关键词：激光全站仪 EPS成图软件 明渠截流 三峡工程

一、前言

明渠截流水文监测是明渠截流系统工程的保障服务系统，主要为截流施工进占戗堤的稳定性、截流河段总落差及上下游戗堤分担落差的分配、龙口流速及其分布对抛投物的影响提供动态水文和水力学实时信息，同时为二期围堰拆除区的水下形象及对导流底孔分流能力的影响等进行全面系统的动态监测，掌握截流全过程的截流戗堤形象和水文要素的变化特征及规律性，为截流设计优化、实体模型跟踪试验、水文预报、水文及水力学计算、科学研究、截流施工监理及管理决策提供准确可靠的水文信息。

口门区的水文监测是截流水文监测重要的组成部分。截流是以戗堤的不断推进、口门的不断缩窄为最显著的特征的。口门的水力要素的变化是直接关系到截流施工进展的关键因素之一，对资料的准确性、时效性要求极高。同时口门区的水文监测受到截流戗堤进占施工的直接影响，安全风险较大。因此，口门区的水文监测既是水文监测的重点，也是水文监测的难点。

在三峡工程导流明渠截流水文测报工作中，口门区水文监测主要包括实时监测截流戗堤口门宽、裹头形象和裹头水位测量等工作任务。为了及时、准确、安全地实施口门水文监测任务，使用了激光全站仪配合EPS成图测绘系统。

二、测绘系统组成及特点

测绘系统由激光全站仪、EPS成图软件、计算机及数据处理与传输部分组成。激光全站仪是新一代测量仪器，集测距、测角于一身，并且在有人立尺和无人立尺状态下均可有效使用，在实际工作中比较灵活。EPS成图软件，可以方便地进行展点、连线、编绘、计算等功能。数据处理与传输主要将实时监测数据、图像传输至下一层使用者。该套系统的使用，实现了无人立尺状态下测点坐标、高程等信息的自动采集、处理和形成电子数字地形图，准确、清晰地监控截流戗堤的进占状态、形象和其他实时水文信息，从而有效地指导截流施工和水文测报工作。

在三峡工程明渠截流水文测测中，我们使用Trimble激光全站仪、清华山维EPS成图软件和太平洋数据链。

三、截流戗堤口门区水文监测的特点

与一般地区的测量相比，截流期间的口门水文监测有其特殊环境和特殊要求。

监测环境的特殊性体现在以下几方面：

1、由于明渠截流施工采用“双戗双向进占”方式，随着截流施工进占，戗堤的形象和裹头位置不断变化。监测点必须随着戗堤进占而实施跟踪监测。这使得传统的水尺观测无法实现。

2、由于口门宽的不断缩窄，口门区流速增大，水流对戗堤的冲刷非常剧烈，对于不断推进的裹头来说，边坡状况不稳定，时常发生大幅度的沉降和局部区域的坍塌现象，监测人员很难接近戗堤水边。

3、截流进占的施工强度极大，不允许监测人员在施工现场作业甚至停留。

在技术要求上，也体现出特殊性。尤其是三峡工程明渠截流，由于其截流难度大、技术要求高，对口门水文监测提出了更高的要求：

1、观测的连续性。水文要素监测必须连续进行，不能间断。保障截流施工、监理和管理决策对水文信息的需要。

2、观测的实时性和突然性。截流施工受长江来水、环保、气象等因素影响和其它相关工程的制约，特别是为保证长江不断航，根据具体实际情况，施工进度安排时常作较大调整。水文监测也相应调整，时常出现高密度、高强度实时测报的监测过程。

3、技术要求高。口门宽和水面宽测量，要求必须严格控制在设计的截流戗堤轴线上；裹头水位测量必须保证具有国家水位观测规范规定的水位观测精度。

4、实施难度大。比如水位测量，一般江河上观测并不复杂，但是在裹头，由于大幅度的沉降，用传统方法实施实时观测的难度就非常大。采用无人立尺方法观测水位彻底解决了安全问题，但水面线的正确测定和夜间观测难度大，需要技术上的创新。

四、截流戗堤口门区水文监测的实施

1、戗堤形象和口门宽测量

明渠截流期，根据截流施工进度及时、准确监测了上、下游截流戗堤形象和口门宽。利用高精度Trimble 5601型激光全站仪所具有的免棱镜测程可达400m、测距精度5mm+3ppm、测角精度的特点，无接触式测出裹头的形象；使用EPS成图软件的计算和编绘功能，实时绘制戗堤三维形象。根据截流戗堤设计轴线，计算出与堤顶和水边两条轮廊线交叉点的坐标，解算口门宽和水面宽。具有实时监测裹头进占态势和进占幅度，对裹头进占过程形象实现直观的图解和精确的数字成果的特点。

2、裹头水位接测

截流戗堤裹头水位是标定上下游截流戗堤分担落差的重要指标之一，要求准确、及时。利用经纬仪接测水位，本是一项成熟的测量方法。但是在不同的测量环境中，应根据工作实际，采取一些技术创新措施。在截流戗堤裹头水位测量工作中，根据工作实际，为保证观测精度，采取了如下办法：

① 垂直角和距离异步观测

在水位监测过程中，理论上应准确确定水位监测目标位置，准确测量待测目标的垂直角、距离等要素。但在实际工作中，水边线因为波浪起伏是潮湿的，会影响到激光全站仪的测距。所以在实际工作中，采取了垂直角和距离异步观测。方法如下：确定水位监测目标位置后，准确测取垂直角，至少2测回数。微移测距目标（尽可能贴近目标位置）测取距离。计算目标位置的三维坐标，并使用EPS成图系统准确标注入戗堤形象。

下面对因垂直角和距离异步观测对水位接测带来的误差作简要分析：

解析法接测水位的计算公式为：

（1）

其中，Z——测点高程

H——仪器站视线高，仪器站高程与仪器高之和。测站点高程由四等以上水准或电磁波导线测量。仪器高由钢卷尺量取，精确到1 mm。

——天顶距

——球气差改正值，K指大气折光系数，R指地球半径。在距离一定的情况下，是一个相对固定的值。

——垂直角指标差

由式（1）可以看出，水位接测的精度主要取决于垂直角观测精度和测距精度。利用经纬仪接测水位，是一项已经成熟的测量方法，其精度在此不作讨论。在采用垂直角和距离异步观测的条件下，实际意味着测距误差的增大，对此，有必要作进一步论证。

对式（1）微分并转换为中误差公式，有

（2）

式（2）中， =206265

可看作仪器测距标称误差，即5mm+3ppm

是经纬仪垂直角测量误差，在工作中，采用了级全站仪。经过2测回正倒镜观测，指标差一般控制在以内，测回差一般控制在以内，可认为为。

采用垂直角和距离异步观测时，垂直角观测是准确的。当观测距离控制在400m以内时，距离的测量误差对水位接测精度影响可由表1粗略反映：

表1 距离观测误差对水位接测精度影响统计表

天顶距 （度）

距离 （m）

距离观测误差（m）

水位接测 精度(cm)

天顶距 （度）

距离 （m）

距离观测误差（m）

水位接测精度(cm)

100

400

0.10

1.77

95

400

0.10

0.95

0.15

2.62

0.20

1.82

0.20

3.48

0.30

2.70

350

0.10

1.76

350

0.10

0.94

0.15

2.62

0.20

1.81

0.20

3.48

0.30

2.70

97

400

0.10

1.27

92

400

0.10

0.48

0.15

1.87

0.30

1.09

0.20

2.48

0.50

1.77

350

0.10

1.26

350

0.10

0.46

0.15

1.86

0.30

1.08

0.20

2.46

0.50

1.76

在实际工作中，垂直角一般控制在2~3度，当距离观测误差控制在0.3米以内时，异步观测对测量精度的影响可以控制在1cm左右。可以满足测量精度需要。

② 多点观测

在水位接测中，对水边线的判断也是误差来源之一。为了减少这种误差，消除照准误差，采用多点观测取平均值，是有效的办法。

③ 波浪影响的消除

船只的航行和裹头投料，都可以产生波浪，影响水面线的确定，波浪也是水位误差来源之一。为确保水位监测精度，采取适当提前和延迟监测和一定时段内连续观测的办法来消除波浪的影响。

为了确保观测工作的质量，在工作开展前采用以上方法与水尺观测进行了比测工作，比测结果表明，激光全站仪的接测精度是值得信赖的。

表2 激光全站仪接测水位与水尺观测比测成果表

序号

激光全站仪接测(m)

水尺观测(m)

差值(m)

1

67.28

67.26

0.02

2

67.26

67.25

0.01

3

67.23

67.24

-0.01

4

67.22

67.22

0

5

67.24

67.23

0.01

6

67.26

67.24

0.02

7

67.23

67.25

-0.02

8

67.25

67.24

0.01

9

67.22

67.25

-0.03

10

67.23

67.24

-0.01

中误差

0.017

3、监测成果的整理与传输

截流水文监测直接服务于截流施工、监理和管理决策，要求具有很高的时效性。利用EPS成图系统输出的监测成果，实时计算、绘图、修正和合理性检查，把实测的数据经专用数据处理软件处理后，使用数据传输软件和太平洋数据链传输至水文监测数据网络中心上网公布或以其它方式传至水文信息用户。

五、结语

经过实践检验，激光全站仪配合EPS成图测绘系统在三峡工程明渠截流水文测报中的应用是成功的。圆满完成了任务，收集到了宝贵的水文资料，对截流施工的顺利进行提供了有力的保障，充分发挥了水文工作“尖兵”和“耳目”的作用，为后续的分析和科研工作打下了基础。

与传统的测量方法相比，激光全站仪配合EPS成图测绘系统在以下几方面表现出明显的优势：

1、确保人员安全

该套系统成功运用，实现了无接触方式监测，彻底消除了裹头垮塌、施工机械等因素对测量人员的威胁，确保了测量人员的安全。现代科学技术的发展为安全生产提供了有力的保证。

2、观测精度得以提高

激光全站仪的应用使单点测量精度有了保障，EPS成图软件使成图过程中的展点、勾线等绘图误差基本消除，提高了测量成果精度。整个测绘系统的应用，基本可以消除人为操作产生的错误和误差。成果质量在整体上上了一个新台阶。

3、提高了工作效率

无人立尺测量方法的实现，避开了裹头垮塌、施工机械等不利因素对测量速度的影响，EPS成图软件的使用免去了计算、绘图等传统的手工工作中必不可少的环节，便于监测成果的合理性检查；配套的程序实现了成果表的自动生成和数据远传，整个工作基本实现了自动化，大大提高了工作效率。

4、改善了测量工作环境

由于测量工作人员远离高强度的施工区域，避开了噪声、烟尘和飞沙走石的工作环境，有利于保护仪器设备和资料的安全整洁。更重要的是，体现了“以人为本”的新的工作思路。

激光全站仪配合EPS成图软件测绘系统在三峡工程导流明渠截流水文测报中的应用结果表明，这套系统在配置上是先进的，在技术上是成熟的，在今后的类似工作中具有广泛的应用前景。