基于GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

宗春

摘 要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加深，水利建設(shè)作為一項(xiàng)惠民性工程，其測(cè)量技術(shù)在快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了革命性變革，GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，其不僅在測(cè)量精度上得到了極大提升，更是實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量與三角測(cè)量的取代，進(jìn)而無(wú)需建立控制網(wǎng)，并受客觀環(huán)境影響較小，以此大大提高了測(cè)量效率與適用范圍。在此發(fā)展背景下，本文筆者以強(qiáng)化GPS應(yīng)用技術(shù)為手段，以促進(jìn)水利工程發(fā)展為目的，就GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行深入研究，具有一定的而應(yīng)用價(jià)值，以供讀者學(xué)習(xí)引用。

關(guān)鍵詞：水利工程；測(cè)量任務(wù)；GPS技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0113-02

GPS技術(shù)作為現(xiàn)代工程測(cè)量任務(wù)實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，是由軍事領(lǐng)域逐漸發(fā)展至工程建設(shè)過(guò)程中，由于其操作快、時(shí)間短、定位準(zhǔn)以及精度高等特點(diǎn)，近年來(lái)在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。新時(shí)代的發(fā)展背景下，如何加強(qiáng)GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的具體應(yīng)用，使其更好的服務(wù)與水利建設(shè)與水利發(fā)展，是為一個(gè)值得我們深思的課題。

1 GPS的系統(tǒng)組成與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 系統(tǒng)組成

GPS測(cè)量定位系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星群、地面控制系統(tǒng)與衛(wèi)星接收設(shè)備（用戶所需）三大部分組成，其中：空間衛(wèi)星群由距離20萬(wàn)Km的24顆衛(wèi)星組成，且其以60°的平面交角均勻分布在6個(gè)軌道面，以此可以確保任何地點(diǎn)地平線的用戶在任一使用時(shí)間內(nèi)均有5～10顆衛(wèi)星信號(hào)可接收；地面控制系統(tǒng)主要由主控站（1個(gè)）、監(jiān)測(cè)站（5個(gè)）與注入站（2個(gè)）三部分構(gòu)成，主控站是以觀測(cè)GPS數(shù)據(jù)為主要任務(wù)。監(jiān)測(cè)站是在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)并其工作狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)。至于注入站，其功能為對(duì)主控站數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果傳輸于衛(wèi)星；衛(wèi)星接收設(shè)備則是用戶利用GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件和用戶設(shè)備通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收，以此完成定位與導(dǎo)航任務(wù)的實(shí)施[1]。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）操作方便，耗時(shí)短。由于GPS測(cè)量能夠在不通視的情況下進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，因此其操作過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)量效率極高，往往只需幾秒便可完成多點(diǎn)坐標(biāo)的采集任務(wù)，同時(shí)，由于它擁有出眾的續(xù)航能力，因此可進(jìn)行全天候作業(yè)。（2）精度高，測(cè)量準(zhǔn)確。實(shí)踐證明，GPS在300～1500m范圍內(nèi)的測(cè)量定位中即使持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)1h以上，其放樣平面位置的誤差仍然不超過(guò)1mm。（3）自動(dòng)化程度高。由于數(shù)字化與電子化技術(shù)的應(yīng)用，GPS操作系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，該功能的實(shí)現(xiàn)是為精度好、效率高及操作簡(jiǎn)單等其他特點(diǎn)的基礎(chǔ)所在。（4）靈活性好、成本較低。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，因其具有靈活的布點(diǎn)方式，且受環(huán)境影響較小，進(jìn)而可在極大程度上節(jié)省資金的投入，利于水利工程測(cè)量任務(wù)的成本控制。

2 GPS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用分析

2.1 高程測(cè)量

通過(guò)水準(zhǔn)和GPS兩種測(cè)量資料的結(jié)合，對(duì)于區(qū)域性似大地水準(zhǔn)面高程的確定是為一種效果良好的方法，該方法的實(shí)施要求GPS觀測(cè)點(diǎn)擁有均勻的密度與分布形式，且水準(zhǔn)測(cè)量資料齊全。通過(guò)GPS高精度定位技術(shù)的應(yīng)用，可將觀測(cè)點(diǎn)的高程差實(shí)施精密測(cè)定，同時(shí)結(jié)合所構(gòu)建的似大地水準(zhǔn)面數(shù)學(xué)模型，可將目標(biāo)點(diǎn)的高程異常或異常差計(jì)算得出，進(jìn)而獲得觀測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)高程。實(shí)踐應(yīng)用證明，對(duì)于大地高程誤差（△h/D）的控制，GPS靜態(tài)定位技術(shù)可將其控制在3～5ppm范圍內(nèi)，對(duì)于20Km以內(nèi)的測(cè)量距離，其精度可控制到厘米級(jí)別；對(duì)于利用高級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)施高程傳遞時(shí)，其誤差控制丘陵與平原地區(qū)為±5cm之間，山區(qū)為±15cm之間，從精度等級(jí)可以實(shí)施四等水準(zhǔn)測(cè)量[2]。

2.2 渠道管線測(cè)量

渠道管線測(cè)量在水利工程測(cè)量中表現(xiàn)出線性放射分散分布的特征，其過(guò)程消耗人力物力較大，傳統(tǒng)模式下縱斷面的測(cè)量采用半站儀或全站儀進(jìn)行，由于受地形地貌與氣候環(huán)境影響較大，因此測(cè)量結(jié)果所表現(xiàn)出效率低、精度差等缺陷，難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)需求。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，渠道管線測(cè)量實(shí)現(xiàn)了全天候連續(xù)作業(yè)，其實(shí)施過(guò)程對(duì)于自然環(huán)境依賴較小，不受地形地貌與天氣氣候的影響，進(jìn)而大大提高了測(cè)量效率。與此同時(shí)，相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，GPS定位技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中不受通視條件的限制，使得測(cè)量過(guò)程更加“隨意”，并且對(duì)目標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)確定時(shí)，只需簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)角和設(shè)計(jì)高程等技術(shù)參數(shù)便可完成。GPS技術(shù)在渠道管線測(cè)量任務(wù)中的應(yīng)用，不僅極大程度的提升了工作效率，同時(shí)還減少了人力與物力的投入，節(jié)約了施工成本。

2.3 變形與地形觀測(cè)

受其自身屬性的限制，水利工程施工過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堤壩外圍、水庫(kù)大壩、建筑地基等結(jié)構(gòu)部位的沉降、傾斜以及位移（或變形）情況，此過(guò)程對(duì)于測(cè)量技術(shù)要求較高，需在保證觀測(cè)安全與效率的基礎(chǔ)上進(jìn)行。傳統(tǒng)技術(shù)主要以水準(zhǔn)測(cè)量法實(shí)施地基沉降監(jiān)測(cè)，以三角測(cè)量法實(shí)施結(jié)構(gòu)位移與傾斜監(jiān)測(cè)。通過(guò)GPS技術(shù)的應(yīng)用，其在變形監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)于GPS接收機(jī)的安置可遠(yuǎn)離大壩位置選擇基準(zhǔn)點(diǎn)而定，并在待測(cè)區(qū)域選取觀測(cè)點(diǎn)并安置GPS定位機(jī)，以此便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化持續(xù)觀測(cè)，并將所獲取原始數(shù)據(jù)傳輸至處理中經(jīng)計(jì)算后便可轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)。對(duì)于水下地形觀測(cè)，GPS技術(shù)可通過(guò)在兩個(gè)已知點(diǎn)處安置GPS接收機(jī)后便可實(shí)施水深測(cè)量，進(jìn)而根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算出轉(zhuǎn)化參數(shù)，完成后便可實(shí)施定位觀測(cè)，通過(guò)專用軟件與具體水深數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)化得出）便可獲得水下地形圖。

2.4 靜態(tài)相對(duì)定位

GPS靜態(tài)相對(duì)定位主要是指通過(guò)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的衛(wèi)星接收機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的接受，接著對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，求解出精確的測(cè)區(qū)空間位置，即三維坐標(biāo)。GPS靜態(tài)相對(duì)定位的高精度性，可以根據(jù)測(cè)量區(qū)域中某點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置，從而求出其他點(diǎn)的精確坐標(biāo)位置。當(dāng)前，靜態(tài)GPS相對(duì)定位技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)野外工程測(cè)量愈來(lái)愈廣泛，包括地球定位測(cè)量、大型工程野外涵洞、隧道定位測(cè)量、位移監(jiān)測(cè)等工程測(cè)量項(xiàng)目。常規(guī)的工程測(cè)量技術(shù)不僅程序復(fù)雜，而且測(cè)量成果精度性比較低，而靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)的使用，使得我國(guó)工程測(cè)量事業(yè)發(fā)展前景更為廣闊[3]。

2.5 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位

GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位指的是通過(guò)使用GPS信號(hào)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)相對(duì)于其他參照物的位置、時(shí)間、形態(tài)、速度、加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)、分析。GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位主要是利用設(shè)置在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)接收機(jī)天線所在的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。一方面，動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位通過(guò)及時(shí)將基準(zhǔn)站的觀測(cè)信息、數(shù)據(jù)傳播到流動(dòng)站，形成數(shù)據(jù)鏈，便于基準(zhǔn)站將觀測(cè)的信息及時(shí)傳播至流動(dòng)站，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，此種數(shù)據(jù)分析方法稱為及時(shí)處理方法。另一方面，動(dòng)態(tài)GPS在觀測(cè)后期對(duì)所測(cè)得的差分?jǐn)?shù)據(jù)僅作相關(guān)數(shù)據(jù)處理，而非傳輸至流動(dòng)站，即滯后處理方法。

3 GPS誤差來(lái)源與誤差消除（工作體會(huì)）

3.1 誤差來(lái)源

（1）多路徑效應(yīng)與大氣折射等信號(hào)傳播誤差；（2）衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星鐘等GPS衛(wèi)星誤差；（3）天線中心誤差、接收機(jī)鐘差、觀測(cè)誤差和載相位觀測(cè)的整周不定性影響等與接受設(shè)備有關(guān)的誤差；（4）來(lái)自其他影響因素的誤差，如潮汐與地球自轉(zhuǎn)等。

3.2 誤差消除

（1）通過(guò)系統(tǒng)誤差模型的建立修正觀測(cè)量；（2）數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通過(guò)相應(yīng)未知參數(shù)的引用來(lái)一并解算其他未知參數(shù)；（3）利用同一衛(wèi)星在不同觀測(cè)站實(shí)施同步觀測(cè)求差來(lái)將系統(tǒng)誤差降到最??；（4）對(duì)于一些影響不大的系統(tǒng)誤差，可以將其簡(jiǎn)單忽略。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)量中的應(yīng)用研究是為一項(xiàng)精細(xì)而復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)本文的論述，技術(shù)性的探究了具體應(yīng)用對(duì)象與應(yīng)用特點(diǎn)，意于規(guī)范GPS測(cè)量技術(shù)，促進(jìn)水利工程可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化與多元化發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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