GPS定位技術在灌區(qū)調(diào)查中的應用

張 超

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展和科技的迅猛進步，GPS(Global Positioning System)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)已被廣泛應用于社會的各個領域。尤其作為新型的測量方法被快速應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等工程實踐的各個方面。

GPS技術在實際工程測量中具有操作簡便、觀測時間短、自動化程度高且定位精度高的特點，可以快速提供出觀測點的三維坐標。大量工程實踐經(jīng)驗表明，GPS技術在實際測量中靜態(tài)定位的精度能夠達到毫米級和動態(tài)定位的精度能夠達到厘米級。同時GPS技術還具有經(jīng)濟、測量效率高、全天候作業(yè)的優(yōu)點，實踐證明，GPS定位技術在實際工作中不受時間、空間的限制，可以連續(xù)工作，通常情況下受外界天氣狀況的影響也比較小，而且可以隨時定位，極大地提高了測量精度和工作效率，減輕了實際測量工作中的勞動強度。

1 GPS定位技術原理

GPS全球定位系統(tǒng)為美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)由衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面部分）、GPS接收機(用戶設備部分)組成。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號即GPS信號，是一種全球共享的信息資源。各類用戶，在任何地點、任何氣候、任何時刻均可用GPS接收機接收信號，進行導航定位測量[1]。

GPS定位原理，類似于傳統(tǒng)的后方交會。從理論上講，地面點的三維坐標只需要三顆衛(wèi)星到地面點的距離就可以確定，但是，衛(wèi)星上的原子鐘和接收機的石英鐘（穩(wěn)定度一般）存在時間同步誤差，所以增加了一個待定參數(shù)，因此至少需要4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)才能確定地面點的三維坐標。如圖1，已知空間GPS衛(wèi)星的瞬時位置，若想確定測站點的三維坐標，假設t0時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式，再根據(jù)后方交會原理，即可確定出測站點的三維坐標（x，y，z），這種獲取定位能力被廣泛地使用在各個工程的測量工作中。

圖1 GPS定位原理圖

上述四個方程中待測點坐標（x，y，z）和Vt0為未知參數(shù)，其中di=c△ti（i=1,2,3,4）。di（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離；△ti（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機所經(jīng)歷的時間；c為GPS信號的傳播速度。

x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標，xi、yi、zi（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，Vti（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供，Vt0為接收機的鐘差，由以上四個方程即可解出待測點的坐標（x，y，z）和接收機的鐘差Vt0。

2 GPS測量方法的應用實例

2.1 調(diào)查灌區(qū)情況

灌區(qū)調(diào)查主要采取聽匯報、核查資料、察看工程、丈量渠道、清點設施、走訪村民、座談等方式了解工程建設全面情況。針對灌區(qū)的實際情況存在灌區(qū)面積大，渠系長、建筑物多、渠道完成情況不連續(xù)的特點，以及任務緊、時間短等原因，采用原始的導線測量方法已無法滿足，因此采用手持GPS接收機測量渠道長度，就實際工程測量的方法驗證實際工程的應完成情況。

2.2 灌區(qū)調(diào)查具體實施情況

①校正控制點坐標。作業(yè)前首先找到該區(qū)段的原始控制點，進行相應的坐標轉(zhuǎn)換使之匹配，本次調(diào)查采用的平面坐標系統(tǒng)為西安80坐標系統(tǒng)，采用的投影系統(tǒng)為橫軸墨卡托投影。

②外業(yè)測點采集和輸入。數(shù)據(jù)源的采集即現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，是GPS測量的重點，外業(yè)測量的準確性直接影響測量工作的精確性和準確性。本次外業(yè)灌區(qū)測量采點主要包含的特征點：渠道渠首點、每一段渠道所經(jīng)過的彎道點、拐點及有標志性的建筑物點、經(jīng)過的特殊地理位置點、垃圾傾倒點、渠道末端點等，相應的都要用GPS進行采集錄入，編錄編號，做好說明。

③室內(nèi)測點整理，實現(xiàn)數(shù)字化，信息化。通過GPS定位技術，由于只需要采集特殊點的坐標和輸入其屬性信息，而且采集速度快，可以在最短的時間完成外業(yè)測量，省時省力，采集獲得數(shù)據(jù)之后傳入計算機即可自動通過繪圖軟件繪出平面圖，可以形象地看出所做的工程情況，實現(xiàn)工程的數(shù)字化和信息化。針對此次灌區(qū)調(diào)查，通過軟件繪出平面圖，以樁號45+405～48+530為例，繪出渠道走向圖如圖2，可以形象地看出渠道走向和建筑物分布情況等。

圖2 45+405～48+530渠道GPS坐標平面圖

④GPS測量誤差精度分析與對比。

表1 調(diào)查渠道誤差精度分析表

根據(jù)設計圖紙和工程情況，統(tǒng)計出本次調(diào)查渠道誤差精度分析表1，表中樁號為調(diào)查灌區(qū)實際完成的樁號實際工程中因為資金配套不到位等原因造成了批復渠道與實際渠道完成情況不符，因此造成了渠道調(diào)查樁號的不連續(xù)。對于圖2對應樁號為45+405～48+530該段渠道應完成工程量3125m，由GPS儀器測量所得該段長度為3127m，實測與應完成長度差值為+2m，誤差精度為1/1562，統(tǒng)計調(diào)查渠道合計應完成工程量6190m，實測長度為6192.4m，誤差精度為1/2579，誤差精度均達到規(guī)范要求的1/1000。

3 結(jié)語

本次灌區(qū)調(diào)查，采用了GPS測量方法，使得調(diào)查項目在很短時間之內(nèi)就完成，這與傳統(tǒng)的測量方法相比，有了質(zhì)的飛躍，不僅節(jié)約了時間，減輕了測量勞動強度，同時在新的調(diào)查當中復核了錯誤的地方，極大地提高了測量精度和工作效率。

在實際工程條件具備的情況下，通過應用GPS測量技術可以快捷、方便地完成平面和高程測量，大大地提高了工作效率。GPS測量技術標志著現(xiàn)代測量技術的一個質(zhì)的飛躍，同時GPS測量技術對未來的勘測事業(yè)提供了一個新的平臺。相信在不久的未來，GPS測量技術會在更多的領域發(fā)揮出巨大的作用[2]。

[1]沈紅海.GPS 技術在工程測量中的應用研究[J].科技信息，2011（15）：46.

[2]陳景超.淺析GPS在工程測量中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2012（6）：22.