GPS技術在水利測量工程中的應用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006)

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GPS技術在水利測量工程中的應用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006)

GPS技術可進行沿線總體控制測量，采用RTK方法在勘測階段為帶狀地形圖、路線平面、縱面測量的測繪提供基礎數(shù)據(jù)；在施工階段可建立施工控制網(wǎng)，為水利工程閘門、渠道、堤壩施工提供測量數(shù)據(jù)。隨著RTK技術被廣泛使用在水利工程建設及運營中，GPS測量技術會不斷改進。文章對GPS測量技術的特點進行分析，實例分析了GPS技術在水利工程中的應用，對平面控制網(wǎng)測設、數(shù)據(jù)處理、高程控制測量的要點進行分析。

GPS;RTK；水利工程；測量

1 GPS全球定位系統(tǒng)

在水利工程建設過程中，GPS技術不僅能準確提供測量信息，且測量速度快，還可對運行中的水利建筑物及構筑物進行監(jiān)測。GPS全球定位系統(tǒng)借助導航衛(wèi)星進行測距、定位、測時，具有良好的抗干擾性、全天候性、實時性、全球性、連續(xù)性，可根據(jù)用戶需要提供精密準確的三維坐標、時間和速度。GPS測量中包括二類坐標系統(tǒng)，第一類是和地球體相固聯(lián)的，即地固坐標系統(tǒng)，第二類是空間固定的，在實際工作中通常要進行相關坐標類別及相關參數(shù)的轉換，來求得三維坐標。

2 GPS測量技術的特點

2.1 定位精度較高

通常紅外儀標稱精度達5mm+5ppm，而雙頻GPS接收機的基線解精度達5mm+1ppm，可見二者測量精度相同，GPS的測量精度明顯高于普通常規(guī)測量。實踐表明，測量50km以內距離時，其基線上相對定位精度達10-6，而1000km以上時基線上其相對定位精度10-8，在300-1500m進行GPS精密定位，觀測解算1h后，平面位置誤差±1mm，基線邊長越長，定位精度越高。

2.2 測量用時較短

采用GPS進行水利工程測量，小于20km相對靜態(tài)定位需15-20min，進行快速靜態(tài)相對定位時，運用動態(tài)相對定位時，先觀測1-2min，之后可隨時定位，且每站觀測僅需幾秒鐘；基站和流動站距離小于15km時，在流動站僅需1-2min觀測。可見，GPS在水利工程中應用，其測量速度快且監(jiān)控無間隔，測量人員可及時對險情進行掌握，以便及時采取有效的應對措施。

2.3 測站間無需通視

在水利工程測量中，有些大型河流，測量站點通常很多，采用傳統(tǒng)測量技術就會遇到通視的問題，因測量站點距離較遠，不利于測量人員交流和溝通，采用GPD系統(tǒng)后，通過建立站點間信號發(fā)射裝置，站點間可有效地進行數(shù)據(jù)交換，使得測站間實現(xiàn)相互通視，測量人員也可更加靈活方便的選擇測量站點。為防止GPS衛(wèi)星接收信號收到干擾，要盡量使測站處于上空開闊的位置[1]。

2.4 操作簡單

GPS測量的自動化程度很高，衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測等都是GPS測量儀自動進行的，GPS測量受外界環(huán)境影響因素小，進行大地測量，目前GPS水準測量精度滿足四等水準要求，可測量平面和高程，且看精準對測站點的三維坐標進行精確標識。當前GPS接收機趨于小型化，操作也趨于簡單便捷化，測量人員僅需把天線整平、對中，測量天線高，開機即能進行自動觀測，采用數(shù)據(jù)處理軟件，即可得到觀測站的三維坐標。

3 GPS在水利測量工程施工中的重點

3.1 外業(yè)測量

水利工程中外業(yè)測量是比較困難，但GPS技術應用在水利工程中，可進行控制網(wǎng)測量和部分碎部測量。所謂RTK，是指GPS靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位和實時動態(tài)定位技術。在測量時，首先要準確選點，確定導航基站的架設位置，進行無線安置和開機觀測，進行無線安置時，先進行正常點安置，在平臺上將天線固定，使標志中心與天線在同一方向，同時還要確保天線基座內的氣泡平整，注意及時對進行基座加固，并對設備做好防潮防雨。

3.2 布網(wǎng)及放樣

采用GPS進行測量點的全過程監(jiān)控測量，通常GPS布網(wǎng)包括邊連式和點連式2種。邊連式布網(wǎng)中，設立導航基站時，在三角形核心位置設置測控點。點連式布網(wǎng)中，建立測量控制系統(tǒng)時，在河道附近設立基站。在水利工程測量中放樣方式有2種，包括RTK點放樣與線路放樣。運用RTK點放樣時，把靜態(tài)網(wǎng)中的坐標和放樣點坐標的相關轉換參數(shù)同時傳入GPS流動站內，開進行實地放樣時，要依據(jù)所放點標識進行，精度5cm內；進行線路放樣時，需制定線路中心線文件，編制依據(jù)線路中心線的彎道元素，并將坐標轉換相關參數(shù)和該測量文件傳入GPS流動站中，在現(xiàn)場根據(jù)樁號及放樣點和中心線的關系開展現(xiàn)場放樣。

3.3 航空攝影測量外業(yè)像控點采集

水利工程測繪中，像控點通常呈分散布設，且各點間距較長，使用傳統(tǒng)測量手段，測量進度緩慢，而且精度也不高，耗費很大的人力財力。但使用GPS測量技術，可以在很短時間內準確采集外業(yè)像控點。

3.4 高程測量

進行區(qū)域性大地水準面高程測量時，通常結合水準測量資料和GPS測量資料，且在進行GPS觀測點測量前，需要具有水準測量資料，測量時要保證測量點密度合理，且分布均勻。水利工程高程測量中，采用GPS系統(tǒng)可準確進行高程測量，即便在惡劣環(huán)境地區(qū)，也可及時準確測得水準測量信息，借助大地水準數(shù)學模型，內插法可得出高程異?；虍惓２?，從而確定待測點的正常高程。

4 實例應用

4.1 工程概況

某引水工程遼中支線輸水路線長度8.9km；大石橋支線輸水路線長度12.9km；鞍山支線輸水路線長度27.9km，海城支線輸水路線長度4.4km；大洼支線輸水路線長度55.6km。根據(jù)下達的《專業(yè)提資要求表》中的要求，為滿足輸水管線施工放樣的需要，須進行JLN供水二期工程施工控制網(wǎng)測量，同時完成某引水工程鞍山支線改線測量任務。

4.2 軟硬件資源

LeicaDNA03水準儀2臺及配套的條碼水準銦瓦尺2副，標稱精度：0.3mm/km；LeicaGS15雙頻GPS衛(wèi)星接收機4臺，標稱精度：平面±(3+0.5ppm×D)mm、高程 ±(6+0.5ppm×D)mm；南方S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機9臺，標稱精度：平面±(2.5+1ppm×D)mm、高程 ±(5+1ppm×D)mm；LeicaGPS后處理軟件LEICAGeoOfficeCombined；GPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件包CosaGPSV6.0；現(xiàn)代測量控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSACODAPSVersion6.0。

4.3 平面控制網(wǎng)測設

根據(jù)工程建筑總體布局和地形情況，從便于管線施工放樣的角度出發(fā)，并根據(jù)業(yè)主的要求：沿管線沿線間隔約3km，選擇一對測量控制點，這對點的間隔距離處在300-800m范圍內，布設為D級GPS全面網(wǎng)，運用邊連式的布網(wǎng)方式，每個網(wǎng)點最少設置三條基線相互連接。進行平面控制測量：為滿足鞍山海城支線、大洼盤山支線后續(xù)施工的需要，建立首級控制網(wǎng)，按C級GPS網(wǎng)精度施測。遼中、大石橋、鞍山海城、大洼盤山支線施工控制網(wǎng)按精度D級進行測量，保證約束點間的邊長相對中誤差≤1/15萬，全網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差≤1/8萬。

進行選點及埋石，GPS網(wǎng)點圖形結構比較靈活，但若選點不當，可能會造成衛(wèi)星信號被遮擋或受到干擾，多路徑效應發(fā)生“共振”，相位觀測中“周跳”頻繁發(fā)生等現(xiàn)象。對于本平面控制網(wǎng)，除聯(lián)測國家三角點外，還要做好埋石，供水線路沿線多年最大凍土深度在1.3m左右，故選用標石規(guī)格為15cm×15cm×150cm，使埋石深度處于凍土層下0.1m，且地面高出0.1m，這樣方便現(xiàn)場查找埋石點，標石底部澆筑水泥。

4.4GPS網(wǎng)觀測及數(shù)據(jù)處理

首級控制網(wǎng)及施工控制網(wǎng)施測時，采用LeicaGS15雙頻GPS衛(wèi)星接收機與南方靈銳S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機同時進行平行觀測，進行外業(yè)觀測時，采用GPS靜態(tài)相對定位的方式。在全面檢查外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)全部正常后再進行基線解算?；€解算采用LeicaGPS處理軟件LEICAGeoOfficeCombinedV7.0進行，GPS網(wǎng)的基線結果必須采用雙差固定解，在進行基線初步檢驗過程中，剔除了精度不好的基線，將剩余基線形成*.asc文件調入CosaGPSV6.0進行數(shù)據(jù)檢核及平差計算，基線校核數(shù)據(jù)檢核在CosaGPSV6.0中進行，進行重復基線及異步環(huán)閉合差的檢核，進行GPS網(wǎng)精度評定，平差計算軟件采用GPS網(wǎng)平差處理軟件CosaGPSV6.0。

4.5 高程控制測量

高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。各支線高程控制按三等精度施測，遼中、大石橋、海城、大洼支線均布設附合水準路線，鞍山海城支線、大洼盤山支線布設水準網(wǎng)，聯(lián)測所有施工控制點。運用單程雙轉點法進行三等水準測量，進行外業(yè)測量時，使用LeicaDNA03水準儀。測量前，根據(jù)相關規(guī)范的要求對儀器進行i角檢驗，檢驗結果均滿足《國家三、四等水準測量規(guī)范》中對儀器i角限差的要求。布設三等水準附合路線及水準網(wǎng)，利用COSACODAPSVersion6.0進行高程控制水準測量精度評定計算，對得到的成果與Excel2007中設計的平差計算表格進行平差計算結果比較。

4.6 測量結果驗收

控制點點位選擇合理，標石埋設穩(wěn)定；測量所使用的儀器通過了質檢部門的檢定；采用的控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)正確；工程坐標采用SurveyTools401軟件和CosaGPSV6.0軟件分別計算進行比對，計算結果正確。采用Excel2007軟件對水準網(wǎng)進行平差計算，取得的結果與本工程采用現(xiàn)代測量控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSACODAPSVersion6.0進行水準網(wǎng)平差計算結果進行比對，計算結果正確。通過對施工控制網(wǎng)2000國家大地坐標系與1954年北京坐標系的轉換參數(shù)計算，轉換殘差滿足規(guī)范要求。內業(yè)對測量成果進行了100%檢查。采用簡單隨機抽樣法，通過對文件名及數(shù)據(jù)格式、數(shù)學精度、附件等檢查，未發(fā)現(xiàn)不合格項，成果質量符合相關規(guī)定。

5 結 語

GPS技術可進行沿線總體控制測量，采用RTK方法在勘測階段為帶狀地形圖、路線平面、縱面測量的測繪提供基礎數(shù)據(jù)；在施工階段可建立施工控制網(wǎng)，為水利工程閘門、渠道、堤壩施工提供測量數(shù)據(jù)。隨著RTK技術被廣泛使用在水利工程建設及運營中，GPS測量技術會不斷改進。

[1]張萍.試論水利測量工程中GPS的應用[J].黑龍江水利科技，2014(04):168-169

1007-7596(2017)03-0135-03

2017-02-20

徐立軍(1983-)，男，工程師，從事水利工程測量工作。

P228.4；TV

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