GPS技術(shù)在大型輸水工程測(cè)量中的應(yīng)用分析

徐彬

摘 要：隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GPS）的快速發(fā)展以及在民用行業(yè)的推廣，其逐漸以精度高、速度快等優(yōu)勢(shì)取代了傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合GPS技術(shù)在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用實(shí)例，通過工程測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用及精度分析，對(duì)GPS技術(shù)在大型輸水工程測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行綜合研究。

關(guān)鍵詞：工程測(cè)量；GPS技術(shù)；輸水工程；應(yīng)用

前言

GPS技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)九十年代初期開始在水利工程行業(yè)中得到應(yīng)用，目前已經(jīng)被廣泛地用于大型水利工程測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié)中。從控制到碎步、從整體到局部、從工程的可行性研究到最終的竣工測(cè)量，到處都有GPS工作的痕跡。相對(duì)于傳統(tǒng)的工程測(cè)量模式，采用GPS技術(shù)進(jìn)行水利工程測(cè)量，可以大大地節(jié)約人力物力財(cái)力，可以節(jié)約大量的外業(yè)觀測(cè)時(shí)間，可以大幅度地提高工程測(cè)量精度。因此，無論是降低工程造價(jià)，或者是保證觀測(cè)質(zhì)量，或者是優(yōu)化施工工藝，或者是對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，GPS技術(shù)在都具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 GPS技術(shù)工作原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)計(jì)算出接收機(jī)的具體位置。GPS-RTK技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位的結(jié)果，并能達(dá)到厘米級(jí)精度。它是利用2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)同時(shí)接受衛(wèi)星信號(hào)，其中的一臺(tái)安置在已知坐標(biāo)點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站，另一臺(tái)是用來測(cè)定未知點(diǎn)的坐標(biāo)（稱為流動(dòng)站），基準(zhǔn)站根據(jù)該點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)求出其到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并將相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)給流動(dòng)站，流動(dòng)站通過無線接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度。

2 GPS技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，GPS技術(shù)主要有以下特點(diǎn)。

2.1 全天候作業(yè)，無時(shí)間限制

采用GPS技術(shù)進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響，應(yīng)用非常廣泛。

2.2 定位精度高，無誤差累計(jì)

采用GPS-RTK測(cè)量時(shí)其精度可達(dá)到：lcm+1ppm（平面），2cm+lppm（高程），同時(shí)無誤差累計(jì)。采用GPS進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)其相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，100-500km可達(dá)10-7，1000km可達(dá)10-9。在300-1500m的工程測(cè)量中，通過1小時(shí)以上定位觀測(cè)，其平面位置誤差小于1mm。

2.3 作業(yè)距離遠(yuǎn)，操作較簡(jiǎn)單

在一般的地形地勢(shì)下，RTK設(shè)站一次即可測(cè)完約15km半徑的測(cè)區(qū)，大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量因觀測(cè)距離限制只能通過反復(fù)設(shè)站的弊端，加上現(xiàn)有軟件應(yīng)用，的每個(gè)放樣（測(cè)量）點(diǎn)只需要停留1-2s，即可以完成作業(yè)，工作效率得到大幅度提升。

2.4 無通視要求，限制因素少

測(cè)站之間無需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)值，不存在誤差積累傳播。

2.5 自動(dòng)化操作，作業(yè)效率高

RTK可勝任各種測(cè)繪外業(yè)。流動(dòng)站配備高效手持操作手簿，內(nèi)置專業(yè)軟件可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)繪功能，減少人為誤差，保證了作業(yè)精度。

3 GPS技術(shù)在輸水工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 GPS技術(shù)用于控制測(cè)量

3.1.1 通過 GPS靜態(tài)觀測(cè)求解加密控制點(diǎn)坐標(biāo)。大型輸水工程中的建筑物、構(gòu)筑物、金屬結(jié)構(gòu)等重點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)工程測(cè)量的精度要求非常嚴(yán)格。以南水北調(diào)中線工程為例，渠道的邊坡和底板、各個(gè)倒虹吸、退水閘、渡槽、橋梁的位置結(jié)構(gòu)、金屬閘門安裝等項(xiàng)目的測(cè)量精度決定著各個(gè)項(xiàng)目能否順利實(shí)施。針對(duì)此類重點(diǎn)設(shè)施，為了確保施工質(zhì)量，提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，在加密控制測(cè)量中通常采用GPS靜態(tài)觀測(cè)的方法求解各個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

GPS靜態(tài)觀測(cè)求解加密控制點(diǎn)坐標(biāo)的方法如下：（1）根據(jù)各個(gè)加密控制點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系繪制觀測(cè)網(wǎng)型布置圖。網(wǎng)型布置圖通常有三角形網(wǎng)和四邊形網(wǎng)兩種。網(wǎng)型布置過程以各個(gè)主要建筑物為單位，以網(wǎng)中各個(gè)邊長(zhǎng)、角度近似相等為原則，盡量避免兩條邊長(zhǎng)相差過大或相鄰兩邊夾角過小等因布網(wǎng)不合理造成的系統(tǒng)誤差。（2）外業(yè)觀測(cè)。根據(jù)網(wǎng)型布置圖分別在各個(gè)控制點(diǎn)上設(shè)置基站并同時(shí)開關(guān)機(jī)，做好外業(yè)施工記錄。同步觀測(cè)時(shí)間以1小時(shí)為宜。（3）內(nèi)業(yè)處理。根據(jù)外業(yè)觀測(cè)記錄，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行平差計(jì)算，利用已知點(diǎn)的坐標(biāo)及已知點(diǎn)和未知點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系求解出各個(gè)加密控制點(diǎn)的坐標(biāo)。（4）形成控制測(cè)量報(bào)告并進(jìn)行精度分析。利用數(shù)據(jù)專業(yè)軟件，對(duì)平差后的加密控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度分析并形成控制測(cè)量報(bào)告。

3.1.2 通過 GPS-RTK測(cè)量求解加密控制點(diǎn)坐標(biāo)。大型輸水工程中的土石方工程、棄土場(chǎng)規(guī)劃及利用、棄土場(chǎng)的防護(hù)治理等項(xiàng)目對(duì)施工精度要求較低，其加密控制測(cè)量可采用GPS-RTK技術(shù)直接測(cè)量求得。

GPS RTK加密測(cè)量控制點(diǎn)很簡(jiǎn)單，只需在施工區(qū)內(nèi)3個(gè)以上等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)分別設(shè)站并通過手簿軟件計(jì)算，完成設(shè)站后直接測(cè)量即可，通常采用多次觀測(cè)求平均值的方法計(jì)算得到，操作簡(jiǎn)單方便，平均每天可測(cè)量30～40個(gè)加密控制點(diǎn)，效率較高。

3.2 GPS技術(shù)用于地形（圖）測(cè)量

3.2.1 工程勘測(cè)階段地形圖的測(cè)繪。在大型水利工程開展前的勘測(cè)階段，通常要繪制地形圖，在地形圖的測(cè)繪過程中，GPS技術(shù)發(fā)揮重要作用。

在設(shè)置好基準(zhǔn)站后，采用GPS-RTK技術(shù)，可以迅速開展工程施工區(qū)域內(nèi)及周邊的地形測(cè)繪。通常采用1+1或者1+n（n=2.3.4…）的操作模式，即設(shè)置一臺(tái)基準(zhǔn)站，采用1臺(tái)或多臺(tái)流動(dòng)站根據(jù)地形走向分區(qū)域同時(shí)開展測(cè)量作業(yè)，將測(cè)區(qū)內(nèi)各個(gè)地勢(shì)變化點(diǎn)位以三維坐標(biāo)（X、Y、H）的形式表示出來，并存儲(chǔ)于對(duì)用的手簿中。

3.2.2 工程施工階段用于地籍測(cè)量。大型水利工程開展過程中往往涉及到地類、地籍、各項(xiàng)設(shè)施的遷建和規(guī)劃、居民的安置等內(nèi)容，采用GPS進(jìn)行相應(yīng)的地籍測(cè)繪和調(diào)查并繪制平面圖，不僅可以大大節(jié)約時(shí)間和人力物力財(cái)力，還可以為工程建設(shè)提供良好的決策依據(jù)。

3.3 GPS技術(shù)用于縱橫斷面測(cè)量

大型調(diào)水工程施工過程的各個(gè)階段都離不開縱橫斷面的測(cè)繪，由于GPS技術(shù)的智能化和自動(dòng)化，通過相應(yīng)的手簿可以清楚的顯示出縱橫斷面的里程、距軸線及高程等信息，有針對(duì)性地對(duì)需要的縱橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)繪，避免多余觀測(cè)數(shù)據(jù)和繁冗的數(shù)據(jù)刪選、處理過程，大大地減少了外業(yè)觀測(cè)的難度，同時(shí)降低了作業(yè)的成本和時(shí)間，這對(duì)工程建設(shè)者來說是非常難得的財(cái)富。

3.4 GPS技術(shù)用于水下地形測(cè)量

在大型調(diào)水工程的跨河施工及后期的運(yùn)營(yíng)管理階段，涉及到保通、排水、清淤、河道治理等輔助項(xiàng)目的施工情況時(shí)常發(fā)生，采用GPS技術(shù)可以實(shí)時(shí)地對(duì)決策者的判斷提供有效的幫助，可以有效地避免病急亂投醫(yī)現(xiàn)象的發(fā)生，采用GPS技術(shù)可以為各項(xiàng)對(duì)用工作的開展提供強(qiáng)有力的保證。

4 GPS技術(shù)在輸水工程測(cè)量中的精度分析

4.1 加密控制點(diǎn)的精度分析

以南水北調(diào)中線工程某個(gè)大型分水口門加密控制測(cè)量為例，對(duì)加密控制點(diǎn)的測(cè)量精度進(jìn)行分析（見表1、表2、表3）。

通過表1、2、3測(cè)量數(shù)據(jù)可知，采用GPS技術(shù)進(jìn)行加密控制點(diǎn)測(cè)量，其點(diǎn)位平面中誤差可以達(dá)到0.0008m，高程中誤差可以達(dá)到0.0117m，最弱基線邊相對(duì)中誤差可以達(dá)到1：63283。其測(cè)量的精度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的測(cè)量手段。

4.2 測(cè)量放樣點(diǎn)的精度分析

以南水北調(diào)中線工程某地形測(cè)量數(shù)據(jù)為例，對(duì)測(cè)量放樣點(diǎn)的精度進(jìn)行分析（表4）。

以上為南水北調(diào)工程某位置地形測(cè)量數(shù)據(jù)，通過表4可以看出，采用RTK模式進(jìn)行測(cè)量，其點(diǎn)位平面中誤差可以達(dá)到0.0137m，高程中誤差可以達(dá)到0.0217m。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量手段，在快捷操作方式下均能滿足工程的需要。

5 GPS技術(shù)的缺陷與不足

5.1 受衛(wèi)星狀況限制

GPS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)受當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，總體設(shè)計(jì)方案自身存在很多不足。隨著時(shí)間的推移和用戶要求的日益提高，GPS衛(wèi)星的空間組成和衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度都不能滿足當(dāng)前的需要，當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對(duì)美國(guó)是最佳的時(shí)候，世界上有些國(guó)家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋。例如在中、低緯度地區(qū)每天總有兩次盲區(qū)，每次20～30min，盲區(qū)時(shí)衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，RTK測(cè)量很難得到固定解。同時(shí)由于信號(hào)強(qiáng)度較弱，在對(duì)空遮擋比較嚴(yán)重的地方GPS無法正常應(yīng)用。

5.2 受電離層影響

白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時(shí)間長(zhǎng)甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，每天中午12～13點(diǎn)，RTK測(cè)量很難得到固定解。

5.3 受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸距離影響

數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)信號(hào)在傳輸過程中易受外界環(huán)境影響：如高大山體、建筑物和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過一定距離時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差超限，所以RTK的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其理論半徑要小，工程實(shí)踐和專門研究都證明了這一點(diǎn)。

5.4 受對(duì)空通視環(huán)境影響

在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時(shí)，GPS衛(wèi)星信號(hào)被阻擋機(jī)會(huì)較多，信號(hào)強(qiáng)度低，衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)差，容易造成失鎖，重新初始化困難甚至無法完成初始化，影響正常作業(yè)。

6 結(jié)束語

（1）GPS技術(shù)在大型輸水工程測(cè)量中應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，與其他傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，GPS技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。（2）GPS技術(shù)的測(cè)量精度可以滿足大型輸水工程測(cè)量的需要，尤其是在加密控制測(cè)量中精度非常高，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方法。（3）采用RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量放樣時(shí)，盡可能采用多次觀測(cè)求平均值的方法來提高觀測(cè)點(diǎn)位的精度。（4）采用GPS技術(shù)進(jìn)行操作時(shí)，盡量避開各種電磁波干擾區(qū)域，必要時(shí)可以采取GPS+全站儀測(cè)量模式。（5）GPS技術(shù)具有全天候、區(qū)域廣、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量速度、精度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的測(cè)量模式，可以節(jié)約大量的人力物力財(cái)力。（6）隨著中國(guó)北斗系統(tǒng)的研發(fā)，未來采用GPS技術(shù)將會(huì)創(chuàng)造更大的社會(huì)效益。

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