淺談GPS測量技術在水利工程中的應用

楊良生

摘? 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，GPS測量技術在水利工程建設中的應用不斷地廣泛。該文結合水利工程建設中地形測繪的一些實例，針對GPS在水利工程建設中地形測繪、放樣的技術作業(yè)標準和水下測量工序順序進行了重點闡述，也深入探討了水利工程地形測量中平面控制測量實施過程等，有一定的理論價值和現(xiàn)實意義，供同行借鑒。

關鍵詞：GPS? 水利工程? 測繪? 波束

中圖分類號：TV221.1 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0041-03

測繪工作是水利工程建設中的姣姣者，在大多數(shù)水利建設項目中占據(jù)著不可或缺的地位，在防洪建設、水質改善、生態(tài)修復、大壩的設計與建設、河道間清除淤泥與河道更改重造等區(qū)域建設中應用尤為廣泛，同時在擬定開發(fā)的江河流域或地區(qū)，對調查和分析所在水利環(huán)境下的狀況、優(yōu)化水利水電工程建設初期的計劃、設計、部署和調試領域提供基本資料和可靠的分析數(shù)據(jù)。該文根據(jù)GPS測量技術在水利工程建設的實施過程，對常用的幾種測繪作業(yè)方法進行簡單的介紹和分析，為水利工程建設的中測繪工作提供理論參考和支持。

1? GPS應用于水利工程控制測量

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[1]。首先，在測區(qū)范圍內設置控制點，得出其控制網(wǎng)數(shù)據(jù)后方可測量該測區(qū)的具體地形地貌?；究刂?、測量點控制、圖根控制都包括在在平面控制量中，而基本平面控制分別具備二等到五等的4個等級分布，這些等級都可以作為測量區(qū)域的首級控制。

在平面控制測量中，常用到的方法有三角測量、導線測量和邊角測量。三角測量是在所測繪區(qū)域布設若干個控制點，然后將每3個點用線段連接起來構成不重復的三角形，通過測量三角形內的各個角度計算頂點水平坐標的方法。對三角形頂角的測量工作稱為水平角觀測，除了要測量各三角形的頂角之外，還要選擇有已知點的三角形的邊來采集它們角與角的距離和方位角。通過三角測量的方法得到的坐標有結構性強，幾何條件清晰，易于檢驗所測量的結果;但是該方法要求測站點與各個測站互相通視，在地形較為復雜的測區(qū)通常要設立很高的標志來測量，距離起算基線的距離越遠誤差就越大，推算結果的精度也會不均勻。導線網(wǎng)法是通過采集點與點中間的距離數(shù)據(jù)，然后將各個點相連構成幾何折線，通過經(jīng)緯儀或者全站儀測量出兩直線之間水平角度從而推算出下一個點的坐標。導線測量的方法被廣泛應用于水利工程測量之中，特別是部分重要測區(qū)，因為導線測量的各點方向數(shù)較少，收兩點之間通視的要求也較少，方便測量工作視的選點，不用設置較高的測量標志。在遇到不易通視的環(huán)境可以自主選擇視野通視的前進路線，設點受約束程度低，因為觀測兩點之間的距離是可以采集到的，所以兩點之間的距離誤差不會參差不齊。但是和三角網(wǎng)法相比，其采集的數(shù)據(jù)量要少，因此該方法檢驗數(shù)據(jù)沒有布設三角網(wǎng)的檢驗數(shù)據(jù)嚴謹，不容易檢驗在觀測中的粗差;另外一方面，導線網(wǎng)是單方向推進，所以控制的面積沒有三角網(wǎng)的大，由于單方向推進，方位傳算的誤差也會較大，可靠性沒有三角網(wǎng)的大。邊角測量就是通過三角測量和三邊測量的方法，對三角形內的內角和邊長進行測量，利用三角形定理來推算三角的坐標。同時觀測角度和邊長可以提高控制網(wǎng)精度，在實際測量中，只要符合精度要求，邊角測量不一定要把所有內角和邊長都觀測，可以在測量三角網(wǎng)的基礎上加測部分邊長，或者在測量三邊時加測部分角度。

任何工程項目都以控制測量網(wǎng)為基礎，按等級布網(wǎng)，逐級加密控制。目前使用GPS進行控制網(wǎng)的布設已經(jīng)廣泛應用于水利水電工程建設中。GPS控制網(wǎng)的各控制點之間無需通視，具有精度高、效率高、速度快、費用低、勞動量少、全天候、操作簡便、不易發(fā)生錯誤等特點。只需將GPS接收機經(jīng)過精平，安裝于控制點上，打開電源、設置靜態(tài)工作模式，接收機按所需設置的時間就會自動觀測、記錄、儲存歷元數(shù)。然后通過計算機導出記錄數(shù)據(jù)，進行內業(yè)處理，只需要輸入已知的高級控制點坐標和高程，剔除部分無效歷元數(shù)據(jù)，電腦就會全自動計算，進行自動平差和高程擬合，得到未知控制點平差后的坐標、高程和點位精度。

2? GPS應用于水利工程數(shù)字化地形測量

地形測量（topographic survey）指的是測繪地形圖的作業(yè)。即對地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程進行測定，并按一定比例縮小，用符號和注記繪制成地形圖的工作[2]。

在水利地形地貌的數(shù)據(jù)采集過程中，在平面控制布設與求解工作已經(jīng)完成的基礎上，項目范圍內的圖根點密度要進一步提高，然后使用相關的數(shù)據(jù)采集儀器對項目范圍內的地形起伏、實際地物進行數(shù)據(jù)的采集。該項碎部測繪工作是決定測繪工作區(qū)平面基本輪廓的關鍵。傳統(tǒng)的圖解法工序繁多，每一測站測量的范圍較小，共租用強度較大，效率較低，加上在繪制圖紙時受刺點、圖紙移動、變形等因素影響精度也會因此降低。

數(shù)字化地形測量是水利工程測繪中最常見的一種形式，大壩建設、河堤修筑、水閘興建、河道改造、地質勘探等都需要測繪地形圖。使用GPS RTK進行數(shù)字化測繪時，首項工作就是用GPS靜態(tài)模式進行平面控制網(wǎng)的測量與解算，求出平面坐標。其次采用RTK（Real-Time Kinematic，實時動態(tài)）測量方法開展測區(qū)的地形地貌測繪工作。施測時，基準站與移動機頭不用互相通視，只需要在開闊的地方擺設好基站和電臺，選擇好工作模式，可讓多個移動站同時工作。多個移動站可在一個基準站半徑約10km范圍內采集數(shù)據(jù)，對采集點，在手簿中輸入特征碼，然后通過計算機進行內業(yè)編緝、輸出成圖。使用GPS RTK進行測繪與傳統(tǒng)的測繪方法相比較，可以減少作業(yè)人員、操作簡單、無需頻繁搬站、節(jié)省測繪工作時間、提高測繪數(shù)據(jù)的精確度，測繪工作的效率得到進一步的提升。

GPS RTK測量方法施測的技術要求如下。

（1）RTK測量采用單基站RTK。

（2）RTK衛(wèi)星狀態(tài)應符合表1的規(guī)定。

3? GPS應用于水利工程施工放樣

在已經(jīng)求出七參數(shù)的前提下，事先上傳需要放樣的坐標數(shù)據(jù)文件，或現(xiàn)場編輯放樣數(shù)據(jù)。使用南方S86儀器作為移動站，在工程之星3.0的測量界面上選擇點位放樣功能，然后在工具欄上點擊目標選項，接著選擇需要放樣的坐標，工程之星3.0會計算出流動作業(yè)的接收機所在位置坐標和放樣坐標的差值（△X、△Y）。按提示方向前進，即將達到目標點處時，手簿會發(fā)出3聲蜂鳴聲，并且屏幕會出現(xiàn)明顯的圓圈標志。然后小幅度地變化移動站的位置，當手簿上的△X和△Y的絕對值符合放樣要求時，即可確定放樣點。在水利工程測量中用到RTK作業(yè)前都需要對已知點控制進行反測，利用周邊兩個已知點進行檢核，各坐標分量較差均小于3cm后實施流動觀測。測量點的平面精度因子范圍在0.02m之內，高程精度因子范圍在0.03m之內。每次記錄坐標應該恢復測量初始狀態(tài)，手簿顯示“固定”，觀測歷元數(shù)不少于20個，采樣間隔1s，每個點觀測次數(shù)3次，支桿高度均小于2.5m，對中誤差小于5mm，每次測量坐標較差精度Mp<4cm，Mv<4cm。用兩個及以上移動站同時作業(yè)時，每個移動站進行互檢，確認系統(tǒng)正常后，才進行作業(yè)。

九洲江測區(qū)較為開闊地帶，地形起伏不大，適宜GPS RTK測量。對于測區(qū)施工放樣的相鄰界址點，我們利用全站儀對RTK測量距離抽查對比，其結果如表2所示。

4? GPS應用于水下地形測繪

該次九洲江下游水深測量以多波束測量為主，采用單波束測量進行檢查。首先采用聲速儀測量測區(qū)水域的平均聲速，再通過信標GPS差分技術，使用廣州中海達測繪儀器公司開發(fā)的導航軟件NAV6.0進行導航、記錄，配合測深儀、波浪補償儀同步定位、測深。

放置多波束定位儀Veripos于九洲江邊某村控制點GPS-C上進行定位測試，記錄該點實測坐標與已知坐標進行比對，比對情況見表3。

在多波束掃描測量過程中，單波束水深也在同時進行，利用單波束數(shù)據(jù)對多波束數(shù)據(jù)進行同步檢查對比。選取平面較差1mm內的單波束水深點與多波束水深點進行抽樣比對，0～10cm區(qū)間置信度達到90%以上，10～20cm區(qū)間置信度為9%，未檢測到較差超過30cm的水深點。

該次多波束掃描重復覆蓋率達30%，重復點互相檢查完全吻合。精度檢查可靠，數(shù)據(jù)吻合，各項技術指標符合《規(guī)范》要求，成果可靠。

5? 結語

GPS定位實用網(wǎng)自1993年底建成，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，硬件、軟件不斷完善，給測量界帶來了深刻的變革。以其性能好、數(shù)據(jù)誤差小、全天候、無需通視、操作簡便、效率高，不受天氣、地形等條件限制，越來越受廣大的測繪單位歡迎。在水利工程規(guī)劃、水利建設可行性研究、水下地形測繪、河道整改、水環(huán)境改造、水環(huán)境評估及水利工程施工建設等水利工程測繪中得到廣泛的應用，具有很不錯的發(fā)展前景，很大程度地提高水利水電工程的設計、施工與管理水平。但是在茂密的樹底下、河流峽谷、樓距較小的小巷里，GPS的衛(wèi)星信號比較弱，獲取不了雙差固定解。另外一方面，在使用對中桿對中校正時，可能出現(xiàn)人為因素，影響測繪成果精度。但是隨著科學的發(fā)展，GPS測量技術將不斷創(chuàng)新、完善，更好地用于提高生產力、科學水平、人們的生活質量等方方面面。

參考文獻

[1] 孟凡超.GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字測圖中的應用[J].北京測繪，2010（2）：57-60.

[2] 趙文亮.地形測量[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

[3] 秦長才，郭輝.基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡RTK技術在土地勘測定界測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2015（3）：102-103.

[4] 吳仍武，鄒時林，張威.GPS RTK技術在水下地形測量中的應用[J].科技信息，2013（35）：113.

[5] 胡浩明.GPS在橋梁工程控制測量中的應用[J].城市建筑，2017（5）：125.