GPS測量在水利水電工程測量中的應(yīng)用探析

□李冬韓（潮州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院）

0 引言

水利水電工程能為人類造福，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在工程施工前，需要通過精確的測量，然后才能進(jìn)行工程選址、方案設(shè)計(jì)、工藝選擇對比等工作。施工過程中也要對水工建筑物進(jìn)行放樣測量,確保工程不存在質(zhì)量缺陷。若測量結(jié)果出現(xiàn)差錯(cuò)或較大誤差，必將會降低施工方案的可行性，在后續(xù)施工時(shí)極易出現(xiàn)返工，造成施工浪費(fèi),影響工程進(jìn)度,所以務(wù)必要保證高精度測量。隨著近年來GPS測量技術(shù)的發(fā)展成熟，其技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)在水利水電測量過程中發(fā)揮著重要的作用。

1 GPS技術(shù)及其優(yōu)勢分析

GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，借助GPS定位衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的定位和導(dǎo)航。關(guān)于GPS系統(tǒng)的構(gòu)成，主要有以下3部分：①空間部分。在距離地面2000 km的高空均勻分布有24顆衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道平面，可實(shí)時(shí)全天候?qū)Φ赜^測到地球任何地方。不過受大氣摩擦影響，導(dǎo)航精度會有所轉(zhuǎn)變；②地面控制系統(tǒng)。又可分為地面監(jiān)測中心、地面主控制站和地面天線，職責(zé)是接受衛(wèi)星發(fā)出的信號信息；③用戶設(shè)備，主要是指GPS信號接收機(jī)，可跟蹤衛(wèi)星并獲取衛(wèi)星信號，然后測量出二者距離、衛(wèi)星軌道等參數(shù)，經(jīng)內(nèi)部微處理計(jì)算機(jī)分析處理后，便可得到用戶的三維坐標(biāo)。

GPS技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，與普通測量技術(shù)相比，具有諸多優(yōu)勢。首先實(shí)現(xiàn)了高度自動化，操作方便，測量時(shí)只需要做一些簡單的工作，如合理放置儀器、連接電纜線、按要求操作手簿等，系統(tǒng)就會自動跟蹤觀測；其次可保證24 h連續(xù)不斷地提供導(dǎo)航定位服務(wù)；觀測時(shí)間短但精確度很高。

2 GPS測量技術(shù)在水利水電工程測量中的應(yīng)用

2.1 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

為了限制誤差的累積和傳播，保證測圖和施工的精度及速度，測量工作必須遵循“從整體到局部，先控制后碎部”的原則?？刂凭W(wǎng)設(shè)計(jì)是首級控制的重要內(nèi)容，控制網(wǎng)基本圖形有3種較為常見。一是三角形網(wǎng)，精度分布均勻，幾何結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，穩(wěn)定性高，且自檢能力優(yōu)越，在測量過程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，從而增強(qiáng)控制網(wǎng)的可靠性和可行性。缺點(diǎn)是實(shí)際測量時(shí)耗時(shí)耗力，觀測時(shí)間長，工作量大，特別是接收機(jī)數(shù)量較少時(shí)，測量時(shí)間往往會比設(shè)計(jì)值有所拖延；二是環(huán)形網(wǎng)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上不如三角形網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)主要是帶有多條獨(dú)立觀測邊的閉合環(huán)，安全性能良好，測量時(shí)工作量相對較小，自檢能力也很強(qiáng)。不足之處在于相鄰點(diǎn)間的基線精確度在分布上很不均勻；三是星形網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作快捷，除了兩臺或三臺觀測儀器，無需其他設(shè)備。但由于觀測邊與觀測邊形不成任何閉合圖形，所以測量精度和自檢能力都低于前兩者。

在水利水電工程中，往往要根據(jù)工程的特點(diǎn)和其所在地形進(jìn)行控制網(wǎng)的選擇。在一些地勢開闊、重要性強(qiáng)的大型工程，如大型水閘、大型堤圍、樞紐工程等，必須采用三角網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)精度。在一些地形復(fù)雜、山區(qū)丘陵地帶的中小型工程，由于受實(shí)地環(huán)境和工程進(jìn)度的影響，在前期規(guī)劃勘測中多采用環(huán)形網(wǎng)，在保證經(jīng)度要求的前提下，提高工作效率。

2.2 高程系統(tǒng)測量

高程測量在水利水電工程中是一項(xiàng)很重要的工作，高程控制決定了規(guī)劃階段水位線的推算和工程量的計(jì)算，直接影響工程的造價(jià)預(yù)算和工程安全性問題。由于水利水電工程在河谷切割較深處、山高坡陡處分布較多，自然環(huán)境惡劣，增加了高程測量難度。目前在測量高程時(shí)，光電測距三角形高程測量法應(yīng)用較多，工作量大、測量時(shí)間長。若在水利水電工程中應(yīng)用GPS技術(shù)，建立控制網(wǎng)，因?yàn)槠淦矫婢容^高，測量相當(dāng)于四等幾何水準(zhǔn)，測量精度必將有所提升。

2.3 變形監(jiān)測

即在觀測周期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測點(diǎn)的變形信息，若變形程度較嚴(yán)重，超出了許可值，則建筑物穩(wěn)定性很容易受到影響。通常對變形監(jiān)測的精度要求很高，應(yīng)精確到毫米級。水準(zhǔn)測量方法在實(shí)際中較為常用，可觀測建筑物沉降狀況；地基滑移和水利水電建筑物的傾斜則主要使用三角測量方法來完成。所需儀器有水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等，該方法適應(yīng)性強(qiáng)，但工作繁多，測量時(shí)間太長，且受地形條件影響明顯，自動化水平低。

部分水利工程分布在居民點(diǎn)的上游或附近，尤其是大型水庫壩址、大型水閘、重大開挖邊坡等，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將直接威脅到附近群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以其變形監(jiān)測工作必須引起重視。GPS技術(shù)憑借自身優(yōu)勢，把接收機(jī)安裝在固定觀測點(diǎn)上后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和變形分析整個(gè)過程的自動化，效率和精度都很高。因建筑物形變具有動態(tài)性，所以首先要獲取相關(guān)動態(tài)信息，對其運(yùn)動規(guī)律和所處狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。具體監(jiān)測內(nèi)容有很多，如監(jiān)測精度、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理能力、診斷結(jié)果等。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析能力極為關(guān)鍵，對測量結(jié)果影響較大。在獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)后，要經(jīng)歷如下的一個(gè)處理過程：首先是預(yù)處理，即根據(jù)實(shí)際所需整理甄選原始數(shù)據(jù)，并按照一定標(biāo)準(zhǔn)將其進(jìn)行分類，找出有用的信息；接著是平差計(jì)算，包括同一基線邊的同步觀測數(shù)值及其平差結(jié)果，平差結(jié)果就是整體平差，務(wù)必要保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，否則可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；最后一道程序是GPS網(wǎng)和坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，處理之后便可獲取所需要的數(shù)據(jù)。

3 實(shí)際案例分析GPS高程測量的具體應(yīng)用

某大河流經(jīng)A地，水量較大，適合用來發(fā)電。A地以此河為引水河流，建起了1#、2#跨河水電站。工程于2005年開始，共投資6.30億元，1#水電站裝機(jī)容量為10萬kW，取水口高692m，引水隧洞長度為5.50 km。工程建筑物有大壩、廠房、引水隧洞、溢洪道、壓力管道等。2#水電站裝機(jī)容量為3.50萬kW，取水口高475m，引水隧洞長2.50 km。主要有廠房、引水隧洞、壓力管道等建筑物，廠房高程約為400m。此次高程控制點(diǎn)和平面控制點(diǎn)為共用標(biāo)，既是平面點(diǎn)標(biāo)志又是水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志。

3.1 三等水準(zhǔn)精度分析

高程控制網(wǎng)按照三等精度沿著建筑物走向施測水準(zhǔn)為一個(gè)閉合環(huán)，長25 km，閉合差為12mm，最大誤差不得超過5mm，每公里水準(zhǔn)測量中誤差應(yīng)控制在2mm/km以內(nèi)。

3.2 GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

該工程采用Ashtech solutions GPS數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為保證精準(zhǔn)度，使用GPS精密星歷對基線數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。觀測過程中共使用了8臺Astech LocusGPS接收機(jī)用于同步觀測。因基線數(shù)較多，每條邊至少觀測兩個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的同步觀測時(shí)間均在90min以上。所以不存在返工問題，觀測一次性通過。全網(wǎng)共觀測基線204條，有6條檢測失敗，14條殘差較大，最終選擇184條良好的基線作為獨(dú)立觀測量。

根據(jù)測量結(jié)果顯示，利用三個(gè)高程起算點(diǎn)解算的效果要高于兩個(gè)高程起算點(diǎn)，而山區(qū)測量需要四等水準(zhǔn)，顯然兩個(gè)點(diǎn)解算結(jié)果難以滿足這一要求，而固定三個(gè)點(diǎn)的解算結(jié)果可以達(dá)到這一精度要求。GPS高程點(diǎn)與起算點(diǎn)的距離為GPS平面坐標(biāo)計(jì)算的平距，在實(shí)際四等水準(zhǔn)測量時(shí)，通常會更長一些。進(jìn)而得知，GPS高程測量的精度稍低于幾何水準(zhǔn)，究其原因，是因?yàn)橛^測的基線平均只有500m，GPS短基線精確度較差。不過只要合理布局，有足夠的水準(zhǔn)聯(lián)測點(diǎn)，采用合適的擬合模型，并對觀測質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，也能達(dá)到四等水準(zhǔn)精度要求。

4 結(jié)語

GPS技術(shù)具有高精度、觀測時(shí)間短、全天候作業(yè)、自動化程度高等諸多優(yōu)勢，應(yīng)用于水利水電工程測量，可有效提高測量效率，進(jìn)而為工程質(zhì)量提供必要的保障。隨著測量難度加大，GPS技術(shù)也在不斷改進(jìn)。現(xiàn)如今北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，縮寫為BDS，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著定位系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，在商業(yè)領(lǐng)域和民用上的開發(fā)空間進(jìn)一步擴(kuò)大，也給水利水電工程測量的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

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