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毕业设计书

黄河水利职业技术学院

毕业论文（设计）

XX省重点水源工程测量技术报告

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

专业：

系（部）：

二零一三年六月十日

黄河水利职业技术学院毕业设计登记表

学生姓名

专业

班级

设计题目

指导教师评语：

（签字）

答辩委员会考评小组评语：

答辩组长：

成绩：

答辩委员会主任：

年月日

贵州省重点水源工程测量技术报告

（黄河水利职业技术学院，河南开封475000）

摘要

本设计书是对贵州省水库建设的前期任务的设计与规划。

主要内容是介绍航空摄影测量对库区与库区边界地形图的测量，以及水库建成后对四周饮水灌溉面积的覆盖区地形图。

此地的水库建设是为了灌溉与居民的饮水。

这次任务的主要内容有水库及库区附近的地形图的测量、河道的断面的测量。

关键词：

地形图、断面测量、航空摄影测量

致谢

第1章概述

1.1任务来源

根据公司计任[2011]21号任务书和航任[2011]48号生产任务通知书的要求，由航测遥感院测量总队和航测遥感中心承担XX省重点水源工程测量包括大XX利枢纽工程、XX水库工程、XX水库工程及XXX水库工程共四座水库的测量工作，进行了1:

2000地类地形图测绘工作。

根据《国务院关于同意XX省撤销毕节地区设立地级毕节市的批复》（国函〔2011〕130号精神，撤销XX地区和县级XX市，设立毕XXX。

因此本报告及以后的报告中，凡设计“XX地区”的字样，均改为“XX市”。

1.2工程概况

（1）XX水利枢纽工程位于贵州省市境内，工程建设任务暂定为城乡、工业园区和灌溉供水。

受水范围为XX县的XX乡、XX镇的居民用水和XX生态园、XX产业园用水；XX市XX新区（含XX教育园区）城镇用水和XX科技园区工业及生活用水。

规划阶段枢纽布置由挡水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物及输水建筑物（供水管道）组成。

泄水建筑物依坝身布置，取水建筑物布置在坝肩左岸，输水建筑物根据地形走向布置引向人饮点及灌区。

首部枢纽水库位于XX县境内的大梁河中游，已废弃的水电站上游库区内约400m处，距XX镇13千米，距XX县城72千米，距离XX市25千米，交通十分方便。

规划水库正常蓄水位518.0m，相应库容5872万m3。

挡水建筑物为碾压混凝土重力坝或拱坝，最大坝高约70m。

左岸取水泵站总装机容量共13900kW，供水主管线长约30km。

（2）XX水库位于XX县XX乡XX村，XX河一级支流XX河上游，工程建设任务为乡镇供水和灌溉。

受水范围为XX县XX乡及周遍村寨（远至XX河与XX河交口处的XX村）提供生活及灌溉用水。

规划水库正常蓄水位为461m，相应库容232万m3，供水管线长约7.0km。

规划阶段枢纽主要建筑物由砌石重力坝、开敞式溢洪道、右岸引水隧洞、引水钢管、冲沙兼放空底孔等建筑物组成。

砌石重力坝坝顶高程468m，最大坝高40m，坝顶宽6m，坝顶长135m。

本阶段拟布置沥青心墙坝。

（3）XXX水库位于XX县境内，工程建设任务暂定为以乡镇和工业供水为主，兼顾灌溉。

受水范围为XX县的XXX乡、XX乡、XX镇、XXX镇、XXX乡、XX镇及工业园区、民族风情园区的居民、工业用水和XX河沿线的部分灌溉用水。

首部枢纽选址于XX河源头主干流—革铁河，位于XX县XXX乡、XX坝，交通较为方便。

枢纽布置主要由挡水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物及输水建筑物组成，水库具有多年调节性能，为中型水库。

（4）XX水库位于XX县XX乡XX村，XX河一级支流XX河上游，工程建设任务为乡镇供水和灌溉。

受水范围为XX县XX乡及周边村寨（远至XX河与XX河交口处的XXX村）提供生活及灌溉用水。

规划阶段水库正常蓄水位为483.30m，相应库容260万m3，总库容303万m3，供水钢管长约7km。

枢纽主要建筑物由浆砌石重力坝、左岸开敞式溢洪道、右岸引水隧洞、引水钢管、冲沙兼放空底孔等建筑物组成。

浆砌石重力坝坝顶高程489.30m，最大坝高35m，坝顶宽6m，坝顶长140m。

1.3实际完成工作量

表1.3实际完成工作量

序号

项目名称

等级

单位

工作量

备注

一

四等控制观测

四等控制

Ⅳ

个

10个已知点

四等水准

Ⅳ

235

二

五等控制观测

五等GPS控制网测量

Ⅴ

个

3个已知点

横断面基点测量

Ⅴ

个

村特征点测量

Ⅴ

个

144

72个村

三

埋石

四等GPS控制

Ⅳ

个

检校场五等GPS点

Ⅴ

个

村特征点

Ⅴ

个

144

横断面基点

Ⅴ

个

图根点埋石

Ⅴ

个

2处

四

地形图测量

2000地形图

km2

0.6

2处

续表1.3实际完成工作量

序号

项目名称

等级

单位

工作量

备注

五

横断面测量

1000横断面测量

11.5

36条，大兴、妙隘，水下约0.9km

六

点放样

村特征点放样

点

6处，RTK

七

航片调绘

XX水利枢纽

km2

八

地形图成图

2000XX水利枢纽

km2

77.63

注：

经设计允许，公路纵断面测量改为在测区地类地形图上的公路适当加注高程点。

第2章作业区自然地理概况和已有资料情况

2.1作业区自然地理概况

贵州省XX市XXX县位于XX省东北角，地理位置东经XXX，北纬XXX之间。

距贵州省会538km，东与贵州省XX县接壤，南与XX市、XX县连界，西邻XX、XX县，北与XX的秀山、XX毗邻，县域东西长77.5km，南北宽75km，全县总面积2909.6km2，辖28个乡（镇）。

总人口63.5万人，是一个以苗族为主的少数民族自治县。

XXX县地处XX山脉主峰梵净山东北麓，向东缓缓过渡到XX丘陵的斜坡地带。

地势东西部高，中部低，起伏较大，切割较强，侵蚀、岩溶地貌分布广泛，发育强烈，呈东西两侧高，南北两侧略高，中间低的盆地形态。

县境西部的梵净山金顶为最高，海拔2493.4m，最低处为牛郎河出口海拔高程285m。

XX位于X、X、X三省市交界处，素有“XX北门户”之称，历来为X、X、X、X边区物资集散重地。

2.2已有资料情况

（1）收集到测区1:

50000地形图11张，1:

10000地形图63张；

（2）收集到国家三角点（导线点）15个，坐标系统为1954年北京坐标系，6°分带，已转换到3°分带成果。

高程系统为1956年黄海高程系。

（3）收集到国家一等水准点26个，高程系统为1985国家高程基准。

（4）XXX勘测设计研究有限责任公司航测遥感院于2011年7月31日提交的该项目项目建议书阶段资料。

（5）测区2011年11月航拍影像资料和LIDAR扫描的点云数据。

第3章依据规范

3.1国家标准

（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009；

（2）《国家三、四等水准测量规范》GB/T12898-2009；

（3）《数字航空摄影测量空中三角测量规范》GB/T23236-2009；

（4）《1:

5001:

10001:

2000地形图航空摄影测量外业规范》

GB/T7931-2008；

（5）《1:

5001:

10001:

2000地形图航空摄影测量内业规范》

GB/T7930-2008；

（6）《1:

5001:

10001:

2000地形图航空摄影测量数字化测图规范》

GB/T15967-2008；

（7）《国家基本比例尺地图图式第1部分:

5001:

10001:

2000地形图图式》GB/T20257.1-2007；

（8）《国家基本比例尺地形图分幅和编号》GB/T13989-92；

（9）《测绘成果质量检查与验收》GB/T24356-2009；

（10）《中、短程光电测距规范》GB/T16818-2008；

（11）《质量管理体系要求》GB/T19001-2008；

（12）《环境管理体系要求及使用指南》GB/T24001-2004；

（13）《职业健康安全管理体系规范》GB/T28001-2001。

3.2行业标准

（1）《水利水电工程测量规范》（规划设计阶段）SL197-97；

（2）《水利水电工程施工测量规范》SL52-93；

（3）《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》CH/T2009-2010；

（4）《机载激光雷达数据获取技术规范》CH/T8024-2011；

（5）《机载激光雷达数据处理技术规范》CH/T8023-2011；

（6）《基础地理信息数字成果1:

5001:

10001:

2000数字高程模型》

CH/T9008.2-2010；

（7）《基础地理信息数字成果1:

5001:

10001:

2000数字线划图》

CH/T9008.1-2010；

（8）《测绘技术设计规定》CH/T1004-2005；

（9）《测绘技术总结编写规定》CH/T1001-2005；

（10）《水利水电工程建设征地移民实物调查规范》SL42-2009。

第4章成果主要技术指标和规格

4.1平面控制网的坐标系统

（1）平面坐标系统：

采用1954年北京坐标系，高斯投影，3°分带，中央子午线为108°，带号36。

（2）高程系统：

采用1985国家高程基准。

4.2地形图基本参数

（1）成图比例尺：

2000。

（2）基本等高距：

航测内业所测地类地形图基本等高距为1m。

采用工程测量方法测量的地形图基本等高距为2m。

（3）分幅与编号

航测内业所测1:

2000地类地形图分幅采用50cm×50cm正方形分幅，图幅编号按照内图廓西南角坐标整千米数编号法，x千米数在前，y千米数在后；1:

2000地形图取至0.1km（如5190.0-412.0）。

小区域的采用工程测量方法外业实测的地形图采用自由分幅编号。

4.3精度指标

4.3.1平面控制精度要求

表4.3.1四等GPS测量精度要求

等级

固定误差a（mm）

比例误差b（ppm）

最弱相邻点

点位中误差（cm）

最弱相邻点边长相对中误差

四等

≤10

≤20

≤5

1/40000

4.3.2高程控制精度要求

表4.3.2水准测量闭合差要求单位为/毫米

等级

路线往返测高差不符值

附合路线闭合差

检测已测测段

高差的差

平原

山区

四等

±20

±25

±30

注:

K为测段、路线长度，km；L为附合路线长度，km；R为检测测段长度，km；

4.3.3地类地形图主要精度指标

表4.3.31:

2000地类地形图主要精度指标

名称

规范允许

基本等高距

1.0m

地物平面位置中误差

±1.6m（图上±0.8mm）

高程注记点中误差

±0.6m

图幅等高线高程中误差

±0.67m（±2/3h）

4.4图根控制点精度要求

图根点及横断面基点平面及高程精度按RTK二级控制点测量精度（相当于五等）要求。

表4.4图根控制点及横断面基点精度要求

等级

点位

中误差/cm

边长相对

中误差

与基准站

距离/km

观测次数

起算点等级

二级控制点

≤±5

≤1/10000

≤5

≥3

平面一级以上，

高程四等及以上

4.5地类地形图测绘要求

（1）输水线路沿线1:

2000带状平面地形图测量，具体测量范围见图（XXX的线路测量待工作进一步开展后再布置）。

处于占地线边缘的耕地、园地、村庄、企业等重要占压对象要测绘完整。

（2）库区1:

2000地形图测量。

水库淹没影响区测量范围为水库淹没线外应上测至淹没对象设计洪水位以上3m高程，大小冲沟要根据淹没线范围高程测绘完整。

水库蓄水后形成的孤岛要完整测绘。

滑坡、塌岸、浸没等地段要根据其不良地质区域情况扩大测绘范围。

处于淹没线边缘的耕地、园地、村庄、企业等重要淹没对象要测绘完整。

（3）地类地形图的地貌（等高线）测绘使用了新技术，机载LIDAR扫描准确地获取航摄仪曝光时刻的外方位元素，减少了地面控制点，大大缩短作业周期、提高生产效率、降低了成本。

机载激光雷达是大规模及时获得地面三维数字信息的最有效的技术手段，LIDAR扫描出的点云经过分类处理后生成了等高线，等高线遇地物断开。

（4）地形图航测内业测绘进行了全要素测图。

4.6地类地形图要素分层及地形图数据格式

（1）图层、颜色等数据属性与南方CASS9.1地形地籍成图软件相一致。

（2）地形图数据格式：

AutoCAD2004版本，dwg格式。

第5章工作流程及资源配置

5.1地类地形图测绘的技术路线和作业流程

地类地形图航测部分等高线测绘采用了机载雷达扫描，点云数据构建数字高程模型测绘了等高线，地物部分采用了空三加密，立体影像方式成图，再把等高线和地物叠加在一起，构成完整的地形图，在地形图的基础上进行构面，最终形成完整的地类地形图，地形图野外实测部分采用全站仪和GPS-RTK相结合的方法施测。

具体工作流程见图5.1。

图5.1地类地形图工作流程

5.1.1机载激光雷达系统

机载激光雷达（机载LIDAR）系统它集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。

通过主动发射激光，接收目标对激光光束的反射及散射回波来测量目标的方位、距离及目标表面的特性，能够得到高精度的三维坐标信息，而被动光电成像技术（数码相机）可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。

它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便。

机载激光雷达系统的组成主要有以下四个模块：

（1）POS技术

POS系统是机载激光雷达测量系统的关键，也是必需包含的部件。

其核心思想是采用动态差分GPS（即DGPS）技术和惯性测量装置（IMU）直接在航测飞行中测定传感器的位置和姿态，获得高精度的传感器的外方位元素，从而实现无或极少地面控制的传感器定位和定向。

1DGPS

机载LIDAR采用动态载波相位差分GPS系统。

利用安装了电机上与LIDAR相连接的和设在一个或多个基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，通过载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取LIDAR的三维坐标。

机载GPS天线安装在飞机顶部外表中轴线附近，尽量靠近飞机重心和扫描器中心的位置上。

另外，地面GPS接收机的数据更新频率不低于机载接收机的更新频率。

如果采用实时动态差分技术，还必须架没数据发射电台，以便把必要的数据发送给作业飞机上的接收电台上。

2IMU（IMU-InertialMeasurementUnit）

IMU获取的是机载LIDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角。

虽然DGPS系统可量测传感器的位置和速率，具有高精度，误差不随时间积累等优点，但其动态性能差（易失锁）、输出频率低，不能两侧瞬间快速的变化，没有姿态量测功能。

而IMU的姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。

DGPS与IMU正好是互补的，因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。

（2）激光扫描仪

激光扫描仪技术是随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新测绘技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。

利用激光的特点是单色性好、方向性强、能量高、光速窄等特点，实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。

激光扫描仪是LIDAR的核心，—般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。

激光雷达测距有两种基本方法，即脉冲测距法和相位测距法，脉冲测距法基于测量脉冲发/收时间延迟的原理，即：

R=（1/2）ct,式中R是被测目标的距离，c是光速（c=30万公里/秒），t为脉冲往返时间。

测距精度取决于测时精度，而测时精度由两个因素决定，其一是产生计时脉冲的标准频率发生器的脉冲重复频率及其频率稳定性，这个频率越高、越稳定，则测距精度越高。

其二是发射激光脉冲的宽度，脉宽越窄，前沿越陡，测计时精度越高，测距精度就高。

相位测距法是连续波雷达所采用的方法，它基于测量回波与发射信号间的相位延迟。

（3）数码相机

LIDAR直接获得点位三维坐标的功能提供了传统二维数据缺乏的高度信息，却忽略了对象特征的其它信息，如光谱信息。

尽管在提取空间位置信息上，机载LIDAR数据有其自身的优势，但图像数据包含光谱信息对认识物体也具有重要的作用。

这也是不少应用研究将LIDAR数据与其它光学数据结合使用的原因之一。

利用高分辨率的数码相机获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息，以弥补LIDAR的不足，以达到对生成DEM产品的质量进行评价；或作为一种数据源，对目标进行分类识别；或作为纹理数据源。

目前CCD面阵传感器还难以满足构建高分辨率宽角航空相机的要求。

（4）中心控制单元

机载LIDAR由多个重要硬件组成，—个关键的技术就是如何实现三个重要设备的精确同步。

中心控制单元一般都采用导航、定位和管理系统构成同步记录IMU的角速度和加速度的增量以及GPS的位置、激光扫描仪和数码相机的数据。

机载激光雷达技术的优越性主要表现在：

（1）机载激光雷达测量是一种直接测量系统（主动式）；

（2）机载激光雷达的激光脉冲信号能部分穿过植被，能快速获得高精度和高空间分辨率的森林火山区的真实数字地表模型（只要植被不会太密，足以保证激光信号能够被反射回去）；

（3）机载激光雷达测量基本不需要地面控制点，且速度快，半天能完成1000平方公里区域面积大小的地形数据采集；

（4）作业安全，它能进行危险地区（如沼泽地带、大型垃圾堆等）的测图工作；

（5）作业周期快，易于更新；

（6）时效性强，24小时内可获取侧区的DEM数据；

（7）机载激光雷达将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统之中，更有利于提高自动化及高速化程度。

通过对市场上的机载激光雷达测量系统比对，本项目采用了瑞士Leica公司的ALS60激光扫描仪，最大脉冲频率为200Hz，最大扫描频率为100Hz，数据采集高度范围一般为平均在1600m左右，具有多脉冲功能，可记录4次回波。

数码相机采用的是RCD105中画幅相机，3900万像素（5412×7216）。

图5.1.1-1航拍飞机

图5.1.1-2机载激光雷达设备

5.1.2数字摄影测量系统

本项目数字摄影测量工作采用INPHO5.3数字摄影测量系统进行空三加密，建立立体测图模型，应用VirtuoZo3.75全数字摄影测量系统进行地貌、地物的测量。

5.2外业测量工作流程图

根据测量精度要求，测区首级平面控制布设为四等GPS控制网，布设四等水准测量水准路线连测四等GPS控制点，XX镇航飞检校场布设了五等控制网，图根控制采用GPS-RTK方式施测。

各水库库区及引水线路1:

2000地形图采用机载LIDAR方法测量，外业调绘，内业成图；料场1:

2000图测图范围相对较小，采用工程测量方法，外业使用GPS-RTK及全站仪采集数据，内业CASS成图。

具体工作流程见图5.2。

图5.2外业工作流程图

5.3主要人员配置

表5.1人员配置表

教授级高级工程师

高级工程师

工程师

助理工程师

技术工人

总计

5.4软、硬件配置

为满足本项目工作需要，所用仪器设备应送法定计量检定单位进行了检定和校准，并在检定和校准的有效期内使用。

表5.2软、硬件配置表

品名

数量

型号

备注

GPS接收机

11台

Trimble、南方等

5mm+1ppm

自动安平水准仪

2台

ZEISSNI007

0.5mm/km

水准尺

2套

3m木质区格式标尺

全站仪

2台

TC405、GPT-3002LN等

2mm+2ppm，2″

对讲机

10套

摩托罗拉

计算机

21台

Lenovo

运转正常

绘图仪

2台

HPT610

不小于A1幅面

LIDAR数据预处理工作站

3台

TerraSolid

运转正常

GPS基线解算软件

1套

南方GPS平差程序

V1.09

水准计算软件

1套

一、二、三维网平差计算及统计检验程序

V1.0

断面成图软件

1套

横断面图绘制软件

V1.0

断面记录计算软件

1套

横断面记录计算程序

V1.0

全数字摄影测量系统

15套

VirtuoZo3.75

商用软件

解析空三加密系统

1套

Inpho5.3

商用软件

地形图编绘

16套

CASS9.1地形地籍成图软件

商用软件

第6章平面控制测量

6.1平面坐标系统

平面坐标系统采用1954年北京坐标系，高斯投影，3°分带，中央子午线为XXX°，带号XX。

6.2GPS网布设方案

测区内共有国家高等级三角点4座，坐标成果为3°带坐标，数据见表6.2

表6.2已知点坐标表

点名

北坐标X（m）

东坐标Y（m）

备注

总岭高坡

XXX

起算点

双脚坡

XXX

起算点

韭菜坡

XXXX

起算点

牛峰包

XXXX

起算点

注：

平面坐标系统为1954年北京坐标系，高斯投影，3°分带，中央子午线为XX°，带号XX。

GPS同步观测图形，以边连接或双点连接的方式，组成三边形、四边形、或多边形构网。

根据项目建议书阶段控制网测量情况，本项目布设两个四等GPS控制网。

GPS网布设方案

XX水利枢纽工程四等GPS控制网布设根据项目建议书阶段控制网及此次库区、引水线路测图范围需要，在XX农场布设2点，XX场村布设2点，XX乡布设2点，XX布设2点，XX乡布设2点，XX镇布设1点，共11点。

XX、XX及XXX三座水库四等GPS网统一布网，根据测图需要在XXX布设2点，XX布设2点，半边山布设2点，XX乡布设2点，XXX布设2点，包家布设2点，水源沟布设2点，XX乡布设1点，共15点。

在XX镇布设了一个LIDAR航

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