GPS技術(shù)在水利控制測量中的應(yīng)用

王永 白錫銀 趙東陽

【摘 要】在水利工程應(yīng)用中，需要經(jīng)過科學(xué)的測量，然后再進(jìn)行相應(yīng)的工程選址和設(shè)計(jì)，進(jìn)行工藝對比等一系列工作。在施工過程中，需要對水工建筑進(jìn)行放樣測量，保證工程的質(zhì)量。要水利工程的高精度測量，就要用到GPS 技術(shù)進(jìn)行高精度測量，這種技術(shù)目前比較成熟，在水利工程的應(yīng)用上，發(fā)揮著很大作用。

【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù)；水利工程；控制測量

引言

實(shí)施水利工程測量工作時，應(yīng)使用更為先進(jìn)的測量設(shè)備與方式，再加之社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，必須不斷提高生產(chǎn)力，以促進(jìn)我國生產(chǎn)與生活工作的科學(xué)性發(fā)展。為不斷提高水利工程測量質(zhì)量，應(yīng)充分利用好GPS技術(shù)，且該種技術(shù)具有高精度、高效率、低成本等多種優(yōu)勢，進(jìn)而受到用戶的廣泛歡迎。借助GPS技術(shù)，定位更為精準(zhǔn)，可獲取厘米級的定位點(diǎn)，特別是RTK能在短暫的幾秒中即可獲取高精度的定位數(shù)據(jù)信息，此種技術(shù)在整個水利工程測量之中的應(yīng)用效果是很理想的。

一、GPS工作原理

GPS系統(tǒng)屬于全球定位技術(shù)，該技術(shù)已日趨成熟，逐漸運(yùn)用于工業(yè)、軍事、礦產(chǎn)、建筑等各個領(lǐng)域，目前已獲得較為明顯的成果。該技術(shù)具有高精度與高效率的優(yōu)點(diǎn)，對于傳統(tǒng)工程測量，通常需布置控制網(wǎng)，實(shí)施樁位放樣，大多使用全站儀、測距儀等儀器。而GPS系統(tǒng)完全不考慮氣候因素，不受地形環(huán)境影響，確保工程測量能夠高精度與高效率。主要由六個方面表現(xiàn)：

首先，動態(tài)分析樁位放樣，樁位精確度誤差可控制于厘米級。

其次，構(gòu)建放樣平臺。利用GPS技術(shù)，可構(gòu)建放樣平臺，在施工平臺中設(shè)置鋼管樁放樣，有利于減少外業(yè)測量時間。

第三，偏心檢查。為確保精確度，可實(shí)現(xiàn)一物兩用，利用樁位偏心檢查技術(shù)，使工程測量效率顯著提升。使用GPS技術(shù)需注意，部分測量數(shù)據(jù)不能夠直接獲取，必須與其它測繪儀器相結(jié)合，方可順利完成工程測繪。

第四，GPS與傳統(tǒng)測繪技術(shù)可有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)測量定點(diǎn)與定時，現(xiàn)階段，通常采用靜態(tài)定位技術(shù)與快速的靜態(tài)定位技術(shù)。若采用靜態(tài)定位，需確保觀測時，不改變接收機(jī)的位置，因?yàn)橛?jì)算過程，接收機(jī)位置與時間無關(guān)，主要在工程頂線、基礎(chǔ)測量等高精度測量中使用。另外，因靜態(tài)定位的觀測時間一般較長，若無特殊精度需求，在工程測量中不建議使用該技術(shù)。由于觀測時間長，進(jìn)而研發(fā)了快速靜態(tài)定位技術(shù)，該技術(shù)利用載波香味，觀測值可控制于毫米級，通過幾個歷元觀測，可達(dá)到厘米級定位需求。

第五，GPS信號。GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，

第六，靜態(tài)定位。所謂靜態(tài)定位，就是在進(jìn)行GPS定位時，認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個觀測過程中的位置是保持不變的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機(jī)天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式多臺接收機(jī)在不同的測站上進(jìn)行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時甚至數(shù)十小時不等。

二、GPS誤差分析

在GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源，可分為四類：①與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差：主要包括衛(wèi)星中的誤差和衛(wèi)星的軌道誤差。②與信號傳播有關(guān)的誤差：主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。③與接收設(shè)備有關(guān)的誤差：主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、天線中心誤差和載相位觀測的整周不定性影響。④其它誤差：地球自轉(zhuǎn)的影響；地球潮汐的影響等。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因不同而采取不同的措施，其中包括：①引入相應(yīng)的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并解算；②建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正；③將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱或消除系統(tǒng)誤差的影響；④簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。GPS測量主要誤差控制范圍見下表：

三、GPS 技術(shù)在水利應(yīng)用特點(diǎn)

水利工程在GPS 技術(shù)應(yīng)用上，借助于GPS 衛(wèi)星定位，能夠?qū)崿F(xiàn)工程的精確定位。GPS 系統(tǒng)主要有三個部分構(gòu)成，分別是空間和用戶、地面設(shè)備方面，其中空間部分主要是距離地面2000 千米高度有二十四顆衛(wèi)星在軌道上，實(shí)現(xiàn)全天候的控制和觀測，隨著大氣摩擦的影響，導(dǎo)航精度上會有一定的偏差。對于地面控制系統(tǒng)中，有地面監(jiān)測中心和主要控制站以及地面天線等，地面控制系統(tǒng)主要是接收衛(wèi)星發(fā)布的信號，然后測量衛(wèi)星軌道以及相距距離。還有用戶設(shè)備，主要是GPS信號接收機(jī)，這種設(shè)備能夠精確獲取衛(wèi)星信號，同時經(jīng)過內(nèi)部的處理和計(jì)算機(jī)分析后，能夠有效獲取用戶坐標(biāo)。

GPS 技術(shù)的適應(yīng)性非常好，且能夠應(yīng)用到許多行業(yè)中，和一般的測量技術(shù)比較而言，其自身具備更多的高科技優(yōu)點(diǎn)。GPS 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化，且操作上比較簡單、方便，在測量的過程中，只需一點(diǎn)簡單動作，例如操作連接電纜線工作，放置相關(guān)儀器等，這些工作都是非常簡單，即可實(shí)現(xiàn)GPS 技術(shù)的自動化跟蹤。同時，還可以不間斷的全天候提供導(dǎo)航服務(wù)和各種測量工作，且觀測需要的時間很短，能夠獲得較高精度的測量數(shù)據(jù)。

GPS技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢概括而言，主要表現(xiàn)在四個方面：

（1）測量效率非常高

測量效率高是GPS 測量技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，使用GPS 測量時，僅用幾秒就可以獲得準(zhǔn)確的三維定位，在衛(wèi)星信號不穩(wěn)定的情況下，其也可以在幾分鐘內(nèi)完成測量，可見速度之快，效率之高。使用了GPS 測量技術(shù)，每天可以提高70%以上的效率。

（2）測量精度非常高

GPS 測量技術(shù)能為用戶提供高精度的三維定位，并且在不受任何天氣狀況的影響。利用GPS 靜態(tài)定位技術(shù)測量時，測量誤差僅僅3～4 毫克/ 升，而在不超過20 公里的距離測量時，測量誤差也僅為幾厘米。

（3）工作強(qiáng)度非常小

傳統(tǒng)的測量設(shè)備在進(jìn)行工作時，受外界的影響很大，特別是受地貌、地形、地物的影響，這都增加了測量人員的勞動強(qiáng)度。然而GPS 測量技術(shù)就沒有這個缺陷，它不受天氣、地形的影響，可以在短時間內(nèi)對大面積不規(guī)則的復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行測量。

（4）無需通視

GPS 測量技術(shù)不需要互相通視，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量的缺陷。只要測量地點(diǎn)地形平坦開闊，衛(wèi)星信號不受干擾，就能靈活方便地進(jìn)行測量。

四、GPS技術(shù)在水利控制測量中的應(yīng)用

1、建立工程控制網(wǎng)

工程控制網(wǎng)作為工程管理和建設(shè)的基礎(chǔ)，其類型及精度與工程項(xiàng)目的規(guī)模和性質(zhì)均有密切的聯(lián)系。通常情況下，工程控制網(wǎng)的覆蓋面越小，點(diǎn)位密度越大，對于精確度得要求也就越高。邊角網(wǎng)是最為常用的方法之一。采用 GPS 定位的方法構(gòu)建控制網(wǎng)，對于點(diǎn)位選擇的限制較少，測量精度較高，且具有時間短和費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在工程首級控制網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。應(yīng)用GPS 技術(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)建立，一般多采取載波相位靜態(tài)差分技術(shù)，以保持毫米級得測量精度。采用GPS 技術(shù)建立施工控制網(wǎng)以及工程控制網(wǎng)均擁有十分明顯的優(yōu)勢。道路施工和勘探控制網(wǎng)，具有橫窄、縱長的特點(diǎn)。通常采取三角鎖、導(dǎo)線的方式，并常常需要進(jìn)行分段實(shí)施，以防止誤差積累。采取GPS 技術(shù)，因?yàn)辄c(diǎn)與點(diǎn)之間沒有通視的需要，能夠敷設(shè)較長的三角鎖，實(shí)現(xiàn)長距離線路坐標(biāo)控制的一致性。

2、選點(diǎn)與立標(biāo)

GPS水利測量時應(yīng)該遵循四大原則：

1）測量點(diǎn)選擇交通便利、周圍無障礙物的地方，視野開闊保證有足夠的視場；另外測量點(diǎn)地面基礎(chǔ)牢固，而且易于下次找到，保存測量點(diǎn)的位置。

2）測量點(diǎn)選擇在至少200米內(nèi)沒有大功率無線電發(fā)射源；離高壓線的距離不得小于50m，以避免高壓線產(chǎn)生的電磁場對GPS信號的干擾。

3）測量點(diǎn)選擇在無強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，如大面積水域是強(qiáng)烈的干擾物，因此要避免大面積水域。如此選擇的目的是為了避免多路徑效應(yīng)。

4）測量點(diǎn)選擇時，有就測量點(diǎn)不選新的測量點(diǎn)。使用舊的測量點(diǎn)前對舊點(diǎn)的穩(wěn)定性和完整性進(jìn)行檢查，符合要求繼續(xù)使用。另外GPS網(wǎng)點(diǎn)要鋪設(shè)標(biāo)志性的標(biāo)石。為準(zhǔn)確標(biāo)定點(diǎn)位，另外選擇標(biāo)石也有要求，選擇的標(biāo)石要穩(wěn)定、堅(jiān)固以便長久使用。預(yù)埋標(biāo)石后及時標(biāo)記和更新選點(diǎn)網(wǎng)圖。

3、平面控制測量

GPS與EDM導(dǎo)線結(jié)合的方法對于高水頭的水利工程，輸水隧洞的控制是整個工程的核心。由于水利工程處位于山地狹谷這種特殊的位置，采用GPS測量往往受到地形條件的限制，不能直接在壩址、進(jìn)出洞口（支洞）、廠房等關(guān)鍵位置上施測，而只能在附近山脊等開闊處選取合適的點(diǎn)位，再用EDM導(dǎo)線延伸至需要的位置上。在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點(diǎn)時，每處至少布設(shè)2～3個點(diǎn)，并使各相鄰點(diǎn)互相通視，最好能組成一個三角形，以便檢驗(yàn)測量成果的精度。常用的方法有：用全站儀測量兩點(diǎn)間的平距與GPS二維約束邊長進(jìn)行比較，用全站儀測量單角與GPS坐標(biāo)反算角度值進(jìn)行比較等。

測距導(dǎo)線作為水利工程的地表控制是非常合適的，一方面全站儀在生產(chǎn)單位已得到全面的普及，同時它又有良好的測角、測距精度；另一方面，測距導(dǎo)線選點(diǎn)的自由度大，能在所需的地方布點(diǎn)，并能一次性完成平面和高程控制測量。為提高隧洞的貫通精度，減少壩址與廠房間控制點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)線宜布設(shè)成直伸型。通常采用的有閉合導(dǎo)線：雙支導(dǎo)線和單支導(dǎo)線，需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)長度在2000m以內(nèi)時，可用單支導(dǎo)線（一級導(dǎo)線的觀測要求）控制；當(dāng)長度大于2000m時，應(yīng)用閉合或雙支導(dǎo)線作控制。

4、擬合高程測量

水利工程中采用GPS高程測量與幾何水準(zhǔn)相比較，具有許多優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在電間無須通視、觀測操作簡單、網(wǎng)型連接要求不嚴(yán)、減輕外業(yè)作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度、提高工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在平原或丘陵地區(qū)的一般工程測量中，完全可以用GPS高程擬合的方法代替四等水準(zhǔn)或普通幾何水準(zhǔn)測量。在帶狀測區(qū)，高程擬合采用線性擬合更合適，而在面狀地區(qū)，則不太合適。在山區(qū)GPS網(wǎng)中，只要聯(lián)測適量的幾何水準(zhǔn)，利用數(shù)值擬合法求解GPS正常高，可以達(dá)到山區(qū)四等水準(zhǔn)的要求。

GPS高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)高程異常的變化情況，對水準(zhǔn)聯(lián)測進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)做到精心設(shè)計(jì)、精心觀測和精心解算。聯(lián)測的幾何水準(zhǔn)應(yīng)分布于線型網(wǎng)的兩端和中部。如果是區(qū)域網(wǎng)應(yīng)均勻分布于周邊和網(wǎng)的內(nèi)部。這樣布設(shè)擬合的精度最好、最合理。網(wǎng)型傳遞應(yīng)采用網(wǎng)連式，高程的傳遞應(yīng)采用符合方式進(jìn)行高程推算?？刂泣c(diǎn)的選點(diǎn)應(yīng)盡量選擇適合GPS觀測的環(huán)境，以保證觀測質(zhì)量。減少外業(yè)的返工率和作業(yè)時間。同時作好星歷預(yù)報，計(jì)劃好觀測時間，確保衛(wèi)星數(shù)量和接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

基線數(shù)據(jù)處理必須細(xì)心，保證參加高程控制擬合計(jì)算的基線全部同過QA和Tau測試，對于未通過的基線應(yīng)根據(jù)是否影響高程傳遞進(jìn)行補(bǔ)測。

采用的已知水準(zhǔn)點(diǎn)越多，擬合精度就越高。在實(shí)際應(yīng)用中，對于線狀測區(qū)，平均每4～8Km應(yīng)該有一個幾何水準(zhǔn)點(diǎn)參與擬合；對于面狀測區(qū)，平均每10Km2應(yīng)該有一個幾何水準(zhǔn)點(diǎn)參與計(jì)算，這些點(diǎn)應(yīng)盡可能包圍所有的擬合點(diǎn)。在地形復(fù)雜的測區(qū)，應(yīng)適當(dāng)增加水準(zhǔn)重合點(diǎn)觀測。

5、測量水下地形

測量水下地形基本步驟為，連接電腦、測探儀、GPS等設(shè)備，導(dǎo)航軟件定位測量船，指導(dǎo)測量設(shè)備運(yùn)行在指定航線上，通過測深儀和GPS在筆記本電腦中導(dǎo)入實(shí)時測量數(shù)據(jù)，然后利用海洋測量軟件來導(dǎo)出文件或者形成地形圖，最后利用南方促會cass7.0 地形地籍成圖軟件進(jìn)行繪制。從實(shí)際情況來說，測量水下地形中應(yīng)用GPS技術(shù)，能夠適當(dāng)增加測量精度，降低施工周期和工作量，數(shù)字化地形圖為以后管理和建立地理信息系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

6、外業(yè)觀測

外業(yè)觀測是指采集來自GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)信號，其作業(yè)過程大致可分為天線安置、接收機(jī)操作隔閡觀測記錄。外業(yè)觀測按照擬定的觀測計(jì)劃嚴(yán)格進(jìn)行實(shí)施。為了觀測任務(wù)順利地完成，在觀測外業(yè)之前，還要對所選定的接收設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)精密定位的重要條件之一是天線的妥善安置，其具體內(nèi)容包括：整平、對中、量取天線高和定向。目前GPS接收機(jī)自動化程度相當(dāng)高，能順利地自動完成高程測量工作，一般僅需按動若干功能鍵；并且顯示屏上均有提示，做到實(shí)時記錄。

7、外業(yè)測量的誤差分析

1）系統(tǒng)誤差

儀器的精密度和外界條件變好是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的兩個主要原因。例如，量距時所用的鋼尺存在尺長誤差，則每量一整尺距離就產(chǎn)生一個相應(yīng)的誤差；同樣當(dāng)溫度變化時會引起鋼尺的長度變化，其引起量距誤差為濕皮變化值的函數(shù)，這些都是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差具有象積性質(zhì)，而且一般總是可以預(yù)期出現(xiàn)，并按其出現(xiàn)的規(guī)律采取相應(yīng)的措施以消除和減弱它的影響。例如，鋼尺量距時，先檢定鋼尺，求出尺長改正數(shù)，在觀測時測定溫度，然后在測量結(jié)果中將尺長修正，即可消除尺長誤差和溫度變化對距離的影響。

2）偶然誤差

偶然誤差是由于人、儀器和外界條件等多方面因素引起的，但不能確知其產(chǎn)生的具體原因，具有隨機(jī)性。例如，無論是水準(zhǔn)測量，還是角度側(cè)量，用望遠(yuǎn)鏡的十字絲照準(zhǔn)目標(biāo)時，由于望遠(yuǎn)鏡的分辨能力、放大倍率的限制以及空氣透明度、目標(biāo)折射率等影響，使照準(zhǔn)目標(biāo)或偏左或偏右產(chǎn)生照準(zhǔn)誤差，也使估讀數(shù)值變化不定產(chǎn)生讀數(shù)誤差。這些誤差都屬于偶然誤差。

偶然誤差的大小和符號隨著各種偶然因索的綜合影響在不斷地變化，不同于系統(tǒng)誤差，它不能夠用有效的方法來消除，但可以進(jìn)行總體控制，因?yàn)檫@種誤差總體而言，服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來分析。

四、GPS技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用前景

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長的西部大開發(fā)的實(shí)施，我省的水利工程建設(shè)迎來前所末有的發(fā)展機(jī)遇，這就對勘測設(shè)計(jì)提出了更高的要求。隨著水利工程勘測設(shè)計(jì)行業(yè)軟件技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展，水利工程勘測設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)CAD化，有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測繪產(chǎn)品的支持；建立勘測、設(shè)計(jì)、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸入等中間環(huán)節(jié)，是水利工程勘測設(shè)計(jì)內(nèi)外業(yè)一體化的要求，也是影響水利勘測設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的瓶頸所在。目前水利工程勘測中雖已采用電子全站儀和電子水準(zhǔn)儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)測量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，且效率低，大大延長了設(shè)計(jì)周期?？睖y技術(shù)的進(jìn)步在于設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)改造，在目前的技術(shù)條件下引入GPS技術(shù)應(yīng)當(dāng)是首選。

當(dāng)前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測量，為勘測階段測繪帶狀地形圖，路線平面、縱面測量提供依據(jù)；在水利工程施工階段為閘門、渠道、堤壩建立施工控制網(wǎng)，這僅僅是GPS在水利工程測量中應(yīng)用的初級階段，其實(shí)，水利工程測量的技術(shù)潛力蘊(yùn)于RTK（實(shí)時動態(tài)定位）技術(shù)的應(yīng)用之中，RTK技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，有著非常廣闊的前景。下面就RTK技術(shù)在水利勘測中的應(yīng)用作簡單的介紹。

結(jié)語

GPS 測量技術(shù)在水利工程中發(fā)揮著重要的作用，由于其具有高精度、高準(zhǔn)度、全天候、時間短、多功能、操作簡單、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，為水利工程的測量帶來了極大的便利，提高了水利工程的測量效率。隨著科技的發(fā)展，GPS 測量技術(shù)也會不斷得到提高和改進(jìn)，使其會越來越多、越來越廣地運(yùn)用到水利工程建設(shè)中去，從而促進(jìn)我國水利工程建設(shè)的發(fā)展和完善。

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（作者單位：西北水利水電工程有限責(zé)任公司）