GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用研究

宋德軍

(黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 都勻 558016)

GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用研究

宋德軍

(黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 都勻 558016)

隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水利工程測(cè)量工作變得越來(lái)越重要。目前，GPS技術(shù)被廣泛的運(yùn)用在水利工程測(cè)量工作中，其運(yùn)用和開(kāi)發(fā)前景非常的廣闊。文章闡述了GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用現(xiàn)狀和運(yùn)用范圍，并且根據(jù)實(shí)例闡述了GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的具體運(yùn)用。

GPS技術(shù)；水利工程；測(cè)量；發(fā)展?fàn)顩r；應(yīng)用

0 引 言

隨著水利工程測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備被運(yùn)用到測(cè)量工作中。GPS技術(shù)因?yàn)榫哂芯雀?、成本低以及效率高的特點(diǎn)，在水利工程中的運(yùn)用變得越來(lái)越廣泛。

以下主要對(duì)GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 GPS技術(shù)概述及其在水利工程測(cè)量中發(fā)展現(xiàn)狀

目前，對(duì)水利工程測(cè)量工作的重視度越來(lái)越大，在水利工程測(cè)量工作中選擇好的測(cè)量技術(shù)和方法已經(jīng)成為工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

越來(lái)越多的新技術(shù)和新方法被發(fā)現(xiàn)并運(yùn)用到水利工程測(cè)量工作中。GPS技術(shù)也就是在不斷的發(fā)展中出現(xiàn)的。GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中，以其高效率，低成本，高精度，不需要通視等特點(diǎn)受到人們的歡迎，在水利工程測(cè)量中得到不斷的應(yīng)用。

GPS就是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是無(wú)線(xiàn)式導(dǎo)航系統(tǒng)，其系統(tǒng)基礎(chǔ)為已經(jīng)發(fā)射的地球衛(wèi)星。我國(guó)測(cè)量采用的是美國(guó)發(fā)射的24顆導(dǎo)航衛(wèi)星。通過(guò)測(cè)量地面三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航或者定位。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)水利工程測(cè)量工作面臨著越來(lái)越多的機(jī)遇以及挑戰(zhàn)，因?yàn)镚PS技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，因而GPS測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

GPS技術(shù)在水利工程中的初級(jí)應(yīng)用是：

1)用GPS靜態(tài)或者快速靜態(tài)方法建立沿線(xiàn)總體控制測(cè)量。

2)在水利工程施工階段為閘門(mén)、渠道、堤壩建立施工控制。

而更高一級(jí)的應(yīng)用是在水利工程測(cè)量中采用RTK技術(shù)，即所謂的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。它將在水利工程測(cè)量中具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

2 GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

目前，GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用在水利工程測(cè)量中，并且在很多工程中都取得了比較好的效果。目前，GPS技術(shù)主要被運(yùn)用在以下2個(gè)方面：

2.1 GPS外業(yè)測(cè)量

將GPS技術(shù)運(yùn)用到外業(yè)測(cè)量中，工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)就是進(jìn)行選點(diǎn)。

進(jìn)行合理的選點(diǎn)對(duì)于水利工程測(cè)量的結(jié)果的精確度具有十分重要的影響。所以在選點(diǎn)之前，必須加強(qiáng)對(duì)水利工程測(cè)區(qū)的地理位置等情況的了解和收集，這都是做好選點(diǎn)的關(guān)鍵[1]。

GPS的觀測(cè)工作主要體現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)安置和開(kāi)機(jī)觀測(cè)，這與常規(guī)測(cè)量有很大的不同。

無(wú)線(xiàn)安置工作中，要做到在正常點(diǎn)位，天線(xiàn)應(yīng)架設(shè)在三腳架上，并安置在標(biāo)忐中心的上方直接對(duì)中，天線(xiàn)基座上的圓水準(zhǔn)氣泡必須整平；在有風(fēng)天氣中，應(yīng)將無(wú)線(xiàn)進(jìn)行三方向固定[2]。

2.2 GPS布網(wǎng)工作

將GPS運(yùn)用到布網(wǎng)工作中，比如運(yùn)用在引水工程中，通常都采用點(diǎn)連式或邊連式組成連續(xù)發(fā)展的三角鎖同步圖形，而對(duì)于工程樞紐地區(qū)的施工控制網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，通常則采用邊連式或網(wǎng)連式布設(shè)，以增強(qiáng)網(wǎng)形的幾何強(qiáng)度，提高GPS控制網(wǎng)的可靠性和數(shù)據(jù)精度。

3 案例分析

3.1 工程概況

為滿(mǎn)足某水利工程測(cè)區(qū)預(yù)、普查設(shè)計(jì)的需要，我院對(duì)該區(qū)進(jìn)行E級(jí)GPS靜態(tài)控制測(cè)量。主要的任務(wù)見(jiàn)下表1。

表1 主要的任務(wù)

針對(duì)該項(xiàng)目，我院計(jì)劃通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，圖上作業(yè)，制定本項(xiàng)目技術(shù)方案。

貴州省都勻市三都縣某水利工程測(cè)區(qū)的總體地勢(shì)中部低，南北兩端相對(duì)高，以中山—中低山地貌為主，巖溶地貌發(fā)育；山地約占29%，丘陵約占12%，山間平壩約占59%，平均海拔自南向北從395 m升至575 m。

最高處位于勘查區(qū)東北部的三角坡，海拔575 m；最低處位于西南都柳江出境處，海拔395 m。最大相對(duì)高差180 m，一般在50～150 m，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，暗河、溶洞、石林等巖溶地貌發(fā)育。

區(qū)內(nèi)水系均屬長(zhǎng)江流域，主要為都柳江水系。都柳江從工作區(qū)中部穿過(guò)。區(qū)內(nèi)氣候?qū)僦衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫15℃～17℃，平均14 ℃左右，年降水量1 100～1450 mm，年日照時(shí)數(shù)1 000～1 500 h，年無(wú)霜期270～290 d。

災(zāi)害性天氣有倒春寒、伏旱、冰雹、秋季低溫和連綿陰雨等。

居民主要有漢、布依、苗、彝、水、仡佬、回、侗、壯、白、東鄉(xiāng)等22個(gè)民族?？傮w以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，糧食作物主要有水稻、玉米、小麥，經(jīng)濟(jì)作物主要有油菜、烤煙和茶葉。

工業(yè)方面，福泉市地區(qū)以磷礦業(yè)為龍頭帶動(dòng)相應(yīng)的加工業(yè)為主，其次為煤礦開(kāi)采業(yè)。是黔南州礦業(yè)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的縣，交通較為方便[3]。

3.2 本測(cè)區(qū)已有資料分析和利用

本測(cè)區(qū)已有1∶10 000地形地質(zhì)圖(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)提供)。作為踏勘、測(cè)區(qū)范圍確定以及控制測(cè)量圖上設(shè)計(jì)的工作用圖。

起算坐標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 起點(diǎn)坐標(biāo)

3.3 E級(jí)GPS控制網(wǎng)的布網(wǎng)原則

普查區(qū)福泉區(qū)塊計(jì)劃布設(shè)20個(gè)E級(jí)控制點(diǎn)。采用中海達(dá)F61靜態(tài)GPS接收機(jī)進(jìn)行控制作業(yè)。靜態(tài)控制點(diǎn)編號(hào)采用E級(jí)網(wǎng)的字母GPS+順序號(hào)[4]。

對(duì)于該測(cè)區(qū)所布設(shè)的GPS控制網(wǎng)，考慮到便于工程點(diǎn)的測(cè)繪和以后施工的方便，為減少測(cè)區(qū)投影變形，采用自定義橢球參數(shù)，即：長(zhǎng)半徑a=6378140；扁率α=1/298.257投影面為參考橢球面；投影帶：3°帶；投影高：H=0 m，中央子午線(xiàn)經(jīng)度108°。

按照相關(guān)規(guī)范和要求GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間距滿(mǎn)足下表要求，特殊地方可以適當(dāng)放寬，當(dāng)與已知點(diǎn)聯(lián)測(cè)時(shí)個(gè)別點(diǎn)位于測(cè)區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，可以放寬2倍[5]。

布網(wǎng)具體要求見(jiàn)表3。

表3 布網(wǎng)具體要求

GPS網(wǎng)由非同步獨(dú)立邊構(gòu)成多邊形閉合環(huán)，布網(wǎng)中以測(cè)區(qū)實(shí)際情況為主，適當(dāng)考慮交通情況以便于施測(cè)，初步設(shè)計(jì)首級(jí)網(wǎng)形圖，實(shí)際布網(wǎng)時(shí)，經(jīng)技術(shù)審核人同意后，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)改變[6]。

3.4 觀測(cè)要求

表4 觀測(cè)基本要求

點(diǎn)位的選擇要利于其他測(cè)量手段擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)，要求點(diǎn)位堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長(zhǎng)期保存。點(diǎn)位必須利于觀測(cè)，視野開(kāi)闊，避免干擾，并且至少和該網(wǎng)中一個(gè)點(diǎn)相通視。

野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，觀測(cè)員應(yīng)嚴(yán)格按照觀測(cè)計(jì)劃規(guī)定的時(shí)間作業(yè)，確保同步觀測(cè)，當(dāng)接收機(jī)預(yù)置狀態(tài)正確后，才可啟動(dòng)接收機(jī)。

天線(xiàn)安置按照GPS相關(guān)測(cè)量規(guī)范，天線(xiàn)安置對(duì)中誤差≤3 mm，天線(xiàn)安置好后，在各觀測(cè)時(shí)段前后各量取天線(xiàn)一次，且互差≤3 mm，最終天線(xiàn)高取兩次平均值。接收機(jī)啟動(dòng)正常后才可記錄數(shù)據(jù)。

在觀測(cè)過(guò)程中觀測(cè)員要時(shí)時(shí)查看接收機(jī)狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)作好記錄，并采取相應(yīng)處理措施。

同一觀測(cè)時(shí)段中，不得改變天線(xiàn)方向；不得關(guān)機(jī)；不得碰動(dòng)天線(xiàn)。

觀測(cè)記錄必須如實(shí)填寫(xiě)，不得涂改，不得測(cè)后補(bǔ)記錄；經(jīng)檢查所有作業(yè)項(xiàng)目均完成并符合要求后，方可搬站。

野外記錄將作為提交資料的一部分。

3.5 基線(xiàn)解算

基線(xiàn)向量的解算，采用隨機(jī)軟件包南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計(jì)算，取雙差固定解。并及時(shí)對(duì)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及重復(fù)邊進(jìn)行檢查計(jì)算。同步環(huán)坐標(biāo)分量以及環(huán)長(zhǎng)相對(duì)閉合差見(jiàn)表5，不應(yīng)大于表5規(guī)定。

表5 同步環(huán)坐標(biāo)分量以及環(huán)長(zhǎng)相對(duì)閉合差

平差計(jì)算仍采用隨機(jī)商用軟件包HDS2003 數(shù)據(jù)處理。當(dāng)基線(xiàn)解算各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求后，以一個(gè)點(diǎn)的WGS-84系三維坐標(biāo)為起算依據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差。

提取各基線(xiàn)向量的三維坐標(biāo)觀測(cè)值的改正數(shù)、基線(xiàn)邊長(zhǎng)以及點(diǎn)位和邊長(zhǎng)的精度信息，并考察GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度。

在無(wú)約束平差中，基線(xiàn)向量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：V△x≤3δ；V△y≤3δ；V△h≤3δ。

當(dāng)超限時(shí)，可采用軟件提供的方法或人工干預(yù)剔除粗差，使之滿(mǎn)足要求。

在無(wú)約束平差有效的基礎(chǔ)上，在該測(cè)區(qū)建立或選定的坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行三維約束平差，約束點(diǎn)的已知坐標(biāo)、距離或已知方位可作為強(qiáng)制約束固定值，也可作為加權(quán)觀測(cè)值。三都縣猴場(chǎng)測(cè)區(qū)以黨校后山GPS(C)，白家山GPS(C)強(qiáng)制約束點(diǎn)。高程采用曲面二次擬合。

基線(xiàn)向量的改正數(shù)與剔除粗差后的無(wú)約束平差結(jié)果的同名基線(xiàn)相應(yīng)改正數(shù)的較差應(yīng)滿(mǎn)足：dVx≤2δ；dVy≤2δ；dVh≤2δ。

當(dāng)超限時(shí)，應(yīng)采用人工干預(yù)的方法剔除某些誤差較大的約束值，使之滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，GPS具有非常突出的特點(diǎn)，并且具有較好的運(yùn)用效果。在水利工程測(cè)量工作中，必須加強(qiáng)GPS技術(shù)運(yùn)用的研究，對(duì)GPS測(cè)量方法進(jìn)行充分的掌握，為今后的水利工程測(cè)量定下基礎(chǔ)。在進(jìn)行GPS技術(shù)的運(yùn)用過(guò)程中，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確度以及實(shí)用性進(jìn)行保證。

在今后的發(fā)展中，GPS技術(shù)技術(shù)將會(huì)變得越來(lái)越完善，GPS技術(shù)將為水利工程測(cè)量帶來(lái)更加顯著的發(fā)展。

[1]王耀華，尚學(xué)勇.GPS在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用探討[J].河南建材，2011(05)：12-13.

[2]陶歆貴.GPS RTK技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2007(02)：45-46.

[3]王廷剛.GPS RTK技術(shù)在現(xiàn)代工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(16)：23-24.

[4]陳文昭.全球定位系統(tǒng)(GPS)在福清閩江調(diào)水工程中的應(yīng)用[J].水利科技,1994(03):25-30.

[5]王耀華,尚學(xué)勇.GPS在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用探討[J].河南建材,2011(05):145,148.

[6]楊立晉.GPS(RTK)技術(shù)在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2010(12):112-113.

1007-7596(2014)11-0176-03

2014-05-21

宋德軍(1980-)，男，仡佬族，貴州石阡人，工程師，從事工作和研究方向是水利工程測(cè)量。

P228.4；TV221.1

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