GPS在水利水電工程測(cè)量中的應(yīng)用

鄒玉蘭

摘 要：目前應(yīng)用在水利水電工程測(cè)量中的測(cè)量技術(shù)眾多，但使用較頻繁的技術(shù)之一便是GPS測(cè)量。本文將從分析GPS測(cè)量在水利水電工程測(cè)量中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)入手，對(duì)水利水電工程測(cè)量中GPS測(cè)量的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

一、GPS測(cè)量運(yùn)用在水利水電工程測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

Global Positioning System即全球定位系統(tǒng)，也就是GPS，誕生于上個(gè)世紀(jì)九十年代，通過(guò)利用內(nèi)部的三個(gè)部分即空間、地面控制以及用戶部分，由地面控制系統(tǒng)接收從空間衛(wèi)星群發(fā)射的衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)其獲得的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行分析和處理計(jì)算數(shù)據(jù)的工作，最后將計(jì)算得到的位置信息、空間信號(hào)等反饋至用戶設(shè)備處，進(jìn)而幫助測(cè)量人員準(zhǔn)確獲取三維定位。通過(guò)在水利水電工程測(cè)量中運(yùn)用GPS測(cè)量，工作人員可利用專業(yè)化的測(cè)量工具和測(cè)量技術(shù)，在短時(shí)內(nèi)自動(dòng)獲得具有極高精確度的三維定位，其快速的處理速度使得GPS測(cè)量即使是在衛(wèi)星信號(hào)缺乏穩(wěn)定性的情況下，仍能精確、高效地完成測(cè)量工作。有數(shù)據(jù)證明，在水利水電工程測(cè)量中運(yùn)用GPS測(cè)量能夠至少提高七成的測(cè)量效率[1]。另外，GPS具全天候的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可24小時(shí)不間斷進(jìn)行測(cè)量工作，且其操作簡(jiǎn)便，因此較適合用在水利水電工程測(cè)量中。

二、運(yùn)用在水利水電工程測(cè)量中的GPS模式分析

（一）快速靜態(tài)定位

GPS測(cè)量運(yùn)用在水利水電工程測(cè)量的過(guò)程中，常見(jiàn)的一種應(yīng)用模式是快速靜態(tài)定位模式，該模式下需在完成基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)接收工作的同時(shí)，還需負(fù)責(zé)接收同步衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，并即刻對(duì)整周未知數(shù)以及用戶站三維坐標(biāo)進(jìn)行求解計(jì)算，所有流動(dòng)站中均需安裝GPS借手機(jī)設(shè)備，負(fù)責(zé)靜止觀測(cè)和接收各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)。在結(jié)果基本無(wú)明顯變化下，工程測(cè)量將獲得精確度較高的測(cè)量結(jié)果?？紤]到水利水電工程不同于普通工程，常受到環(huán)境因素的影響，因此為有效避免自然條件因素對(duì)工程測(cè)量產(chǎn)生相應(yīng)干擾，故在水利水電工程中常使用GPS快速靜態(tài)測(cè)量的方式加密控制點(diǎn)、測(cè)量導(dǎo)線，以獲良好測(cè)量成效。

（二）動(dòng)態(tài)定位模式

動(dòng)態(tài)定位模式同樣也是GPS測(cè)量常用的一種工作模式，其定位精度為毫米級(jí)，能有效保障測(cè)量定位的精確性。在這一模式中，通過(guò)對(duì)某控制點(diǎn)進(jìn)行短短幾分鐘的靜止觀測(cè)，流動(dòng)站將會(huì)與基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步觀測(cè)。如有特殊要求，也可通過(guò)輸入規(guī)定的采樣間隔時(shí)間，同時(shí)對(duì)采樣點(diǎn)具體的空間位置進(jìn)行有效明確，便可通過(guò)一種自動(dòng)化的方式完成數(shù)據(jù)觀測(cè)。相比前文提及的GPS測(cè)量應(yīng)用模式，動(dòng)態(tài)定位模式的測(cè)量精度更小，基本能控制在一厘米到兩厘米之間，且在進(jìn)行測(cè)量時(shí)并不會(huì)受干擾，因此絕大多數(shù)的水利水電工程中更傾向于使用動(dòng)態(tài)定位模式的GPS測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。

三、GPS測(cè)量在水利水電工程測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用

（一）控制網(wǎng)

工作人員要結(jié)合具體的工程情況以及工程所在位置的地理環(huán)境設(shè)計(jì)和選擇控制網(wǎng)。而為有效保障測(cè)量速度和精確程度不受影響，在應(yīng)用GPS測(cè)量的過(guò)程中，工作人員需按先整體后局部、先控制后碎部的原則，根據(jù)水利水電工程情況的不同，控制網(wǎng)也大相徑庭。其中三角形網(wǎng)具有精度分布均勻的特點(diǎn)，尤其是穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)使得三角形網(wǎng)不易受到其他外在因素的干擾，加之三角形網(wǎng)帶有自檢功能，可在一邊測(cè)量的同時(shí)一邊檢測(cè)是否存在缺陷，進(jìn)而有效保障控制網(wǎng)的安全可靠。一般在例如三峽水利工程、蓮花臺(tái)水利工程等規(guī)模較大、地勢(shì)相對(duì)比較開(kāi)闊的水利樞紐工程、水閘等工程中常選用三角形網(wǎng)。但三角網(wǎng)的工作量相對(duì)較大，且在運(yùn)用過(guò)程中需占較長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，接收機(jī)數(shù)量也必須與規(guī)定要求完全一致，進(jìn)而有效保障可在規(guī)定測(cè)量時(shí)間內(nèi)完成水利水電工程的測(cè)量工作。

而環(huán)形網(wǎng)雖然缺乏三角網(wǎng)那般穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但其本身的閉合環(huán)結(jié)構(gòu)，其中的眾多獨(dú)立觀測(cè)邊可有效增強(qiáng)測(cè)量的安全性，并有效減少工作人員的測(cè)量工作量。因此在處于山區(qū)和丘陵等地形比較復(fù)雜、規(guī)模相對(duì)較小的水利水電工程中會(huì)選擇使用環(huán)形網(wǎng)。另外，還有一種星形控制網(wǎng)，相比于其他圖樣的控制網(wǎng)，星形控制網(wǎng)的工作量相對(duì)較小，操作更加簡(jiǎn)單便捷，但其也存在缺乏較高精確度和自我檢測(cè)能力的問(wèn)題，因此幾乎不會(huì)被運(yùn)用在大中型水利水電工程中。

（二）高程系統(tǒng)

一項(xiàng)十分重要的測(cè)量?jī)?nèi)容是高程系統(tǒng)的測(cè)量，通過(guò)對(duì)高程系統(tǒng)進(jìn)行精確測(cè)量，能有效幫助工程人員算出具體的水利水電工程量，及需規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)的水位線，從而有效保障工程能用最少的成本完成高質(zhì)量的工程建設(shè)[2]。但由于水利水電工程的特殊性，因此使得大多數(shù)此類工程往往會(huì)建設(shè)在地勢(shì)條件復(fù)雜多變、自然環(huán)境相對(duì)惡劣的地區(qū)，而這也為高程系統(tǒng)的測(cè)量增添了一定困難。但通過(guò)運(yùn)用GPS測(cè)量，結(jié)合工程情況建立起相對(duì)應(yīng)的控制網(wǎng)，利用兩三臺(tái)測(cè)量?jī)x器即可利用衛(wèi)星信號(hào)和GPS測(cè)量中的自動(dòng)測(cè)算功能，在與衛(wèi)星軌道等相關(guān)重要參數(shù)進(jìn)行充分結(jié)合后，即可獲得精確度極高的測(cè)量數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)，進(jìn)而有效完成水利水電工程的測(cè)量工作。如在某大型水利水電工程中，擁有包括高程在400m左右的廠房、長(zhǎng)度約為2m的引水隧洞等在內(nèi)的眾多建筑物，工作人員通過(guò)選擇建立閉合環(huán)，并對(duì)計(jì)量誤差進(jìn)行調(diào)整之后，利用GPS接收機(jī)以及Ashtech solutions GPS專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，從而在總共觀測(cè)的200調(diào)基線中，只有5條未能成功檢測(cè)，另有8條誤差值比較大，其余187條基線均可被用作獨(dú)立觀測(cè)量。

（三）變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)通過(guò)及時(shí)監(jiān)測(cè)各種與變形有關(guān)的信息，一旦發(fā)現(xiàn)變形信息超出規(guī)定值，則表明水利水電工程此時(shí)存在較大的變形隱患，需得到工作人員的及時(shí)處理。通常情況下，我國(guó)水利水電工程都會(huì)建設(shè)在城市邊緣區(qū)，且體積相對(duì)較大，如果水利水電工程出現(xiàn)變形等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，不僅會(huì)直接影響到工程的順利建設(shè)和具體使用，同時(shí)也會(huì)對(duì)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此為避免在水利水電工程建設(shè)施工過(guò)程中出現(xiàn)包括邊坡塌陷等在內(nèi)的安全事故，影響工程及施工人員的安全，需通過(guò)水利水電工程測(cè)量對(duì)觀測(cè)點(diǎn)中的變形信息進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和獲取。但考慮到傳統(tǒng)的測(cè)量方法中常需要如全站儀、測(cè)距儀等眾多測(cè)量?jī)x器，雖然能夠較好完成測(cè)量工作，但不利于測(cè)量成效的提升。因此通過(guò)運(yùn)用GPS測(cè)量，即結(jié)合工程實(shí)際選定觀測(cè)點(diǎn)，并在此之上安裝接收機(jī)，即可自動(dòng)化地完成采集、處理和分析變形信息數(shù)據(jù)的工作，且其精確到毫米級(jí)的高精度能夠真實(shí)反映出觀測(cè)物的沉降、變形情況[3]。

（四）數(shù)據(jù)處理

水利水電工程測(cè)量結(jié)果能否保障較高的精確度，很大程度上受其測(cè)量數(shù)據(jù)分析能力的影響，因此將GPS測(cè)量運(yùn)用其中即可。通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際挑選出測(cè)量數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行篩選和分類整理，此后通過(guò)自動(dòng)進(jìn)行平差計(jì)算，獲得整體平差，最后使用GPS測(cè)量中的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，完成工程所在地坐標(biāo)與GPS網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)據(jù)分析與處理即可為工程人員提供精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。以某水利工程為例，它需完成兩個(gè)跨河水電站的建設(shè)工作，其裝機(jī)容量分別為10萬(wàn)kW和5.5萬(wàn)kW，取水口高度則分別為657m和450m，其引水隧洞的長(zhǎng)度則分別為5.65m和2m，高程控制點(diǎn)和平面控制點(diǎn)相重合。通過(guò)在該水利水電工程中運(yùn)用GPS技術(shù)完成測(cè)量工作，在同時(shí)使用六臺(tái)GPD接收機(jī)之下，使得任意一條基線上都可擁有兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段，每一個(gè)觀測(cè)時(shí)段可保障擁有100分鐘以上的觀測(cè)時(shí)間。整個(gè)水利水電工程中，通過(guò)運(yùn)用GPS技術(shù)總工設(shè)有兩百條觀測(cè)基線，其中有十條基線檢測(cè)失敗。據(jù)最終觀測(cè)結(jié)果顯示，GPS短基線在精確度上存在差異性，而高程測(cè)量的精確度基本與幾何水平相同。

參考文獻(xiàn)

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[2]李冬韓. GPS測(cè)量在水利水電工程測(cè)量中的應(yīng)用探析[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2015，02：37-38.

[3]王斐，趙曉微，周璐. GPS測(cè)量技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用[J]. 吉林農(nóng)業(yè)，2015，21：81-83.

（作者單位：四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院測(cè)繪分院）