淺談GPS在水利工程測量中的應(yīng)用

楊玉平 楊玉華

（江西光興測繪有限公司江西上饒 334000）

淺談GPS在水利工程測量中的應(yīng)用

楊玉平 楊玉華

（江西光興測繪有限公司江西上饒 334000）

水利水電工程施工過程中，由于測量任務(wù)量大，測量工程又很復(fù)雜，加上工期的要求，測量工作必須及時跟進(jìn)，所以，水利水電施工過程中的測量工作往往消耗大量的人力物力財力。工作中使用了GPSRTK系統(tǒng)后，測量效率大幅度提升，在多個工程中，GPS-RTK均表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。

GPS；水利工程測量；應(yīng)用

0 引言

GPS-RTK技術(shù)支持下的徠卡GPS530動態(tài)測量儀、中海數(shù)字單（雙）頻海洋測量儀等設(shè)施，是目前各單位使用較為廣泛的基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的測量儀器。通過這兩種儀器，可以一天之內(nèi)只用4個人對約3平方公里的土地進(jìn)行精確的高密度的放樣測量，甚至可以對水底地形進(jìn)行全面摸底測量。GPS-RTK測量儀主要是利用實(shí)時差分測量技術(shù)，使用1+2的測量配置模式，對于整個場地進(jìn)行高精度高密度的放樣測量。

1 實(shí)時差分測量技術(shù)原理

實(shí)時差分測量技術(shù)的實(shí)際原理，是使用多個GPS接收機(jī)，聯(lián)合獲得相關(guān)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過邊角法和多個GPS定位得到的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差計算，從而使得GPS測量的數(shù)據(jù)精度和測量速度大幅度增加。圖1展示了GPS-RTK1+1測量時的網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)時差分測量技術(shù)原理

在一臺GPS和兩臺RTK組成的1+2的配置模式下，GPS-RTK系統(tǒng)具備了以下特點(diǎn)：

1）定位精度高。RTK的精度可以達(dá)到F10mm+ 1ppm，H20mm+1ppm。這種精度模式下，對于工程測量的要求已經(jīng)完全滿足。

2）測量速度快。RTK靜止2s后就可以得到測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前的雙模GPS-RTK系統(tǒng)可以直接得到北京坐標(biāo)系和西安坐標(biāo)系的點(diǎn)位和青島高程的精確坐標(biāo)值。

3）作業(yè)距離遠(yuǎn)。一次穩(wěn)站，兩臺RTK可以在半徑15km的區(qū)域內(nèi)自由活動，只要保證上空開闊，RTK和GPS之間不需要直接互望。

4）內(nèi)業(yè)簡單。因?yàn)閷I(yè)的GPS-RTK配合CASS7.0可以直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)的自動記錄、自動平差、批量導(dǎo)入和自動成圖，節(jié)約了大量的內(nèi)業(yè)計算和繪圖時間。

表1 差分GPS對測量定位精度的改進(jìn)表

2 GPS-RTK在水利工程測量中的應(yīng)用

2.1 加密控制點(diǎn)

水利工程的控制測量中，因?yàn)榫纫筝^高，施工條件復(fù)雜，所以往往耗費(fèi)大量的人力財力物力。而如果使用了GPS-RTK輔助加密控制點(diǎn)測量，只需要使用全站儀使用邊角法在15km范圍內(nèi)布置大約3～5個控制點(diǎn)就可以完成基礎(chǔ)的控制點(diǎn)布置。使用控制點(diǎn)對GPS-RTK校準(zhǔn)后，采用1+2的模式進(jìn)行測量，2個走點(diǎn)人員每天可以測量40個以上的加密控制點(diǎn)。且其測量精度都可以達(dá)到厘米級別。GPS-RTK進(jìn)行加密控制點(diǎn)測量時，之前的控制點(diǎn)之間無需對望就可以實(shí)現(xiàn)最初的校準(zhǔn)。

2.2 水下測量

采用傳統(tǒng)的六分儀測量法以及三桿分度儀測量法，往往精度只能達(dá)到分米級別，無法實(shí)現(xiàn)精確的工程測量。且傳統(tǒng)測量方法人員配置多、工作量大，工作條件需要涉水較為惡劣。而采用GPS-RTK測量法的逐漸普及，采用GPS配合測深儀進(jìn)行的水下測量就實(shí)現(xiàn)了極大的便利。采用徠卡GPS530動態(tài)GPS測量儀和中海達(dá)單（雙）頻測深儀，聯(lián)合手提電腦上安裝的專業(yè)海洋測量軟件，則可以在船上直接讀出河床的GPS數(shù)據(jù)，特別是對于河床高程進(jìn)行較為詳細(xì)的記錄。而且，自動化的海洋測量軟件，可以在測量的同時自動成圖，還可以勾畫出高接解析度的河床基礎(chǔ)模型。海洋測繪軟件導(dǎo)出的*.dat文件，可以直接被CASS7.0讀取，與地籍管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接。以往在地籍管理系統(tǒng)中僅對區(qū)域內(nèi)的水體邊緣進(jìn)行了測量，沒有對于水底河床進(jìn)行測量，在本次地理信息調(diào)查中，我們采用的新測量方法，可以更加精確的對于水下地形進(jìn)行全面詳細(xì)的管理。

2.3 施工放樣

GPS-RTK模式下，最大的測量優(yōu)勢在于施工放樣的測量上，使用GPS穩(wěn)站后，可以快速的對于整個區(qū)域進(jìn)行高密度的放樣測量，因?yàn)镽TK每2秒就可以取得一個點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，所以，施工放樣測量的速度僅取決于走點(diǎn)人員的走動速度。在這種模式下，配合山地自行車或者沙灘車等輔助工具，放樣走點(diǎn)人員可以快速的對整個區(qū)域進(jìn)行走點(diǎn)放樣，實(shí)現(xiàn)高速的放樣測量。甚至4個測量人員采用1+2模式，可以用短短幾個小時的時間，對整個水庫工地進(jìn)行放樣測量，這種放樣測量對于水庫水位管理等具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

2.4 數(shù)字化地形圖測量

在蓄水工程開始前，需要對周邊很大面積的地形進(jìn)行控制，這種控制對于蓄水面積和村莊及其他設(shè)施的搬遷規(guī)劃有著重要的意義。對于因?yàn)樗畮煨钏貐^(qū)往往是在山區(qū)，其地形起伏較大，地形控制點(diǎn)取點(diǎn)較密。而采用全站儀的邊角法測量，因?yàn)橐曇安婚_闊需要頻繁移站，可能對一個水庫的地形控制點(diǎn)測量需要數(shù)個月的時間，消耗大量的人力物力財力。而如今，采用GPS加密控制點(diǎn)測量法，只需要用全站儀在區(qū)域內(nèi)防止幾個控制點(diǎn)，然后采用GPSRTK，可以在短短數(shù)周內(nèi)完成對整個區(qū)域的數(shù)字化地形圖測量。

2.5 地物GIS數(shù)據(jù)采集

在水利施工過程中，需要對某些地物進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)采集，比如需要沉入水底的就地保護(hù)的文物，以及區(qū)域內(nèi)新建或者改建的信號塔及其他公共基礎(chǔ)設(shè)施。這些地物的采集，因?yàn)闇y量點(diǎn)數(shù)少，如果單獨(dú)使用全站儀從附近的控制點(diǎn)進(jìn)行測量，可能會帶來很低的控制效率。而如果采用GPS進(jìn)行穩(wěn)站測量，可以在很短的時間內(nèi)使用很少的人力對這些地物點(diǎn)進(jìn)行精確控制。

3 GPS-RTK的局限性及彌補(bǔ)方法

3.1 天氣原因

在陰雨天氣，因?yàn)樵茖臃瓷淞诵l(wèi)星信號，GPS的測量受到很大的影響，甚至出現(xiàn)無法初始化的情況。對于需要較緊急測量的任務(wù)，在天氣不好的情況下就無法使用GPS-RTK來完成。同時，夏季的正午時分，雖然天氣晴朗沒有云層覆蓋，但是因?yàn)殡婋x層活動劇烈，會反射大量的衛(wèi)星信號導(dǎo)致GPS出現(xiàn)無法初始化的情況，以致測量精度無法控制在工程要求的范圍內(nèi)。另外，大風(fēng)天也可能因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)的擾動增加，也會引起測量精度的下降。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路障礙

因?yàn)樗姽こ坛３Ｔ谏絽^(qū)施工，在比較陡峻的山崖下，可能會較嚴(yán)重的影響到衛(wèi)星信號的GPS-RTK的互傳信號。另外，高達(dá)樹木、巖洞附近等區(qū)域，也可能會因?yàn)榭沼虿婚_闊導(dǎo)致測量信號的波動。如果附近存在高壓線等高壓工頻干擾源時，也可能會造成電臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柛蓴_，使得RTK的響應(yīng)速度下降，或者測量精度降低。

3.3 測量成果質(zhì)量控制方法

因?yàn)镚PS-RTK的優(yōu)缺點(diǎn)并存，具有測量方便，效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時，還存在精準(zhǔn)度變化多，測量容易被干擾的缺點(diǎn)。所以，我們采用了一系列的質(zhì)量控制方法對其進(jìn)行控制。

（1）已知點(diǎn)檢核比較。通過對已知點(diǎn)位控制點(diǎn)的反復(fù)測量，可以對于GPS-RTK系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行評估和校準(zhǔn)。也可以使用全站儀與GPS-RTK共同測量幾個點(diǎn)位進(jìn)行比較。因?yàn)槿緝x的測量結(jié)果相對穩(wěn)定，所以，可以實(shí)現(xiàn)對于GPS-RTK的準(zhǔn)確率進(jìn)行一些提升。

（2）測重比較法。每次初始化后對多個已知點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)測量，對于上次測量進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而對其他測量點(diǎn)進(jìn)行測量，這樣可以基本確保測量的準(zhǔn)確性。

（3）變頻檢測法。采用多個GPS基準(zhǔn)站進(jìn)行穩(wěn)站，使用不同的頻率發(fā)射測量信號，而在RTK一端通過變換頻率，得到不同基準(zhǔn)站信號模式下的不同測量結(jié)果，對于這些測量結(jié)果在后期平差時取幾何平均數(shù)進(jìn)行計算，可以大幅度提升測量的精準(zhǔn)度。

4 結(jié)束語

通過多次工程實(shí)踐，GPS-RTK系統(tǒng)在水利水電工程施工中發(fā)揮了重要的作用，通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)較為精確、迅速的工程施工測量，為水利水電工程的施工提供了強(qiáng)有力的地形數(shù)據(jù)支持。

［1］王耀華，尚學(xué)勇．GPS在水利工程測量中的運(yùn)用探討［J］．河南建材，2011（10）：103-106.

［2］張衛(wèi)東．淺析GPS技術(shù)在水利工程測量中的運(yùn)用［J］．河南水利與南水北調(diào)，2012（12）：88-89.