GPS技術在大型輸水工程測量中的應用分析

徐彬

摘 要：隨著全球定位系統技術（GPS）的快速發展以及在民用行業的推廣，其逐漸以精度高、速度快等優勢取代了傳統的測量技術在水利工程中得到了廣泛的應用。文章結合GPS技術在南水北調中線工程中的應用實例，通過工程測量中的實際應用及精度分析，對GPS技術在大型輸水工程測量中的應用進行綜合研究。

關鍵詞：工程測量；GPS技術；輸水工程；應用

前言

GPS技術自上個世紀九十年代初期開始在水利工程行業中得到應用，目前已經被廣泛地用于大型水利工程測量的各個環節中。從控制到碎步、從整體到局部、從工程的可行性研究到最終的竣工測量，到處都有GPS工作的痕跡。相對于傳統的工程測量模式，采用GPS技術進行水利工程測量，可以大大地節約人力物力財力，可以節約大量的外業觀測時間，可以大幅度地提高工程測量精度。因此，無論是降低工程造價，或者是保證觀測質量，或者是優化施工工藝，或者是對生態環境的保護，GPS技術在都具有無可比擬的優勢。

1 GPS技術工作原理

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據計算出接收機的具體位置。GPS-RTK技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位測量技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位的結果，并能達到厘米級精度。它是利用2臺以上的GPS接收機同時接受衛星信號，其中的一臺安置在已知坐標點上作為基準站，另一臺是用來測定未知點的坐標（稱為流動站），基準站根據該點的準確坐標求出其到衛星的距離改正數并將相關參數數據發給流動站，流動站通過無線接收設備，接收基準站傳輸的數據，然后根據相對定位的原理，實時解算出流動站的三維坐標及其精度。

2 GPS技術特點

相對于傳統測量技術，GPS技術主要有以下特點。

2.1 全天候作業，無時間限制

采用GPS技術進行外業測量，可在一天24小時內的任何時間進行觀測，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響，應用非常廣泛。

2.2 定位精度高，無誤差累計

采用GPS-RTK測量時其精度可達到：lcm+1ppm（平面），2cm+lppm（高程），同時無誤差累計。采用GPS進行控制測量時其相對定位精度在50km以內可達10-6，100-500km可達10-7，1000km可達10-9。在300-1500m的工程測量中，通過1小時以上定位觀測，其平面位置誤差小于1mm。

2.3 作業距離遠，操作較簡單

在一般的地形地勢下，RTK設站一次即可測完約15km半徑的測區，大大減少了傳統測量因觀測距離限制只能通過反復設站的弊端，加上現有軟件應用，的每個放樣（測量）點只需要停留1-2s，即可以完成作業，工作效率得到大幅度提升。

2.4 無通視要求，限制因素少

測站之間無需通視，是相互獨立的觀測值，不存在誤差積累傳播。

2.5 自動化操作，作業效率高

RTK可勝任各種測繪外業。流動站配備高效手持操作手簿，內置專業軟件可自動實現多種測繪功能，減少人為誤差，保證了作業精度。

3 GPS技術在輸水工程測量中的應用

3.1 GPS技術用于控制測量

3.1.1 通過 GPS靜態觀測求解加密控制點坐標。大型輸水工程中的建筑物、構筑物、金屬結構等重點項目對工程測量的精度要求非常嚴格。以南水北調中線工程為例，渠道的邊坡和底板、各個倒虹吸、退水閘、渡槽、橋梁的位置結構、金屬閘門安裝等項目的測量精度決定著各個項目能否順利實施。針對此類重點設施，為了確保施工質量，提高測量精度，減少測量誤差，在加密控制測量中通常采用GPS靜態觀測的方法求解各個控制點的坐標。

GPS靜態觀測求解加密控制點坐標的方法如下：（1）根據各個加密控制點的相對位置關系繪制觀測網型布置圖。網型布置圖通常有三角形網和四邊形網兩種。網型布置過程以各個主要建筑物為單位，以網中各個邊長、角度近似相等為原則，盡量避免兩條邊長相差過大或相鄰兩邊夾角過小等因布網不合理造成的系統誤差。（2）外業觀測。根據網型布置圖分別在各個控制點上設置基站并同時開關機，做好外業施工記錄。同步觀測時間以1小時為宜。（3）內業處理。根據外業觀測記錄，采用專業的數據處理軟件進行平差計算，利用已知點的坐標及已知點和未知點之間的相對位置關系求解出各個加密控制點的坐標。（4）形成控制測量報告并進行精度分析。利用數據專業軟件，對平差后的加密控制點坐標進行精度分析并形成控制測量報告。

3.1.2 通過 GPS-RTK測量求解加密控制點坐標。大型輸水工程中的土石方工程、棄土場規劃及利用、棄土場的防護治理等項目對施工精度要求較低，其加密控制測量可采用GPS-RTK技術直接測量求得。

GPS RTK加密測量控制點很簡單，只需在施工區內3個以上等級測量控制點分別設站并通過手簿軟件計算，完成設站后直接測量即可，通常采用多次觀測求平均值的方法計算得到，操作簡單方便，平均每天可測量30～40個加密控制點，效率較高。

3.2 GPS技術用于地形（圖）測量

3.2.1 工程勘測階段地形圖的測繪。在大型水利工程開展前的勘測階段，通常要繪制地形圖，在地形圖的測繪過程中，GPS技術發揮重要作用。

在設置好基準站后，采用GPS-RTK技術，可以迅速開展工程施工區域內及周邊的地形測繪。通常采用1+1或者1+n（n=2.3.4…）的操作模式，即設置一臺基準站，采用1臺或多臺流動站根據地形走向分區域同時開展測量作業，將測區內各個地勢變化點位以三維坐標（X、Y、H）的形式表示出來，并存儲于對用的手簿中。

3.2.2 工程施工階段用于地籍測量。大型水利工程開展過程中往往涉及到地類、地籍、各項設施的遷建和規劃、居民的安置等內容，采用GPS進行相應的地籍測繪和調查并繪制平面圖，不僅可以大大節約時間和人力物力財力，還可以為工程建設提供良好的決策依據。

3.3 GPS技術用于縱橫斷面測量

大型調水工程施工過程的各個階段都離不開縱橫斷面的測繪，由于GPS技術的智能化和自動化，通過相應的手簿可以清楚的顯示出縱橫斷面的里程、距軸線及高程等信息，有針對性地對需要的縱橫斷面數據進行測繪，避免多余觀測數據和繁冗的數據刪選、處理過程，大大地減少了外業觀測的難度，同時降低了作業的成本和時間，這對工程建設者來說是非常難得的財富。

3.4 GPS技術用于水下地形測量

在大型調水工程的跨河施工及后期的運營管理階段，涉及到保通、排水、清淤、河道治理等輔助項目的施工情況時常發生，采用GPS技術可以實時地對決策者的判斷提供有效的幫助，可以有效地避免病急亂投醫現象的發生，采用GPS技術可以為各項對用工作的開展提供強有力的保證。

4 GPS技術在輸水工程測量中的精度分析

4.1 加密控制點的精度分析

以南水北調中線工程某個大型分水口門加密控制測量為例，對加密控制點的測量精度進行分析（見表1、表2、表3）。

通過表1、2、3測量數據可知，采用GPS技術進行加密控制點測量，其點位平面中誤差可以達到0.0008m，高程中誤差可以達到0.0117m，最弱基線邊相對中誤差可以達到1：63283。其測量的精度遠大于傳統的測量手段。

4.2 測量放樣點的精度分析

以南水北調中線工程某地形測量數據為例，對測量放樣點的精度進行分析（表4）。

以上為南水北調工程某位置地形測量數據，通過表4可以看出，采用RTK模式進行測量，其點位平面中誤差可以達到0.0137m，高程中誤差可以達到0.0217m。相對于傳統測量手段，在快捷操作方式下均能滿足工程的需要。

5 GPS技術的缺陷與不足

5.1 受衛星狀況限制

GPS系統在設計時受當時的技術限制，總體設計方案自身存在很多不足。隨著時間的推移和用戶要求的日益提高，GPS衛星的空間組成和衛星信號強度都不能滿足當前的需要，當衛星系統位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛星所覆蓋。例如在中、低緯度地區每天總有兩次盲區，每次20～30min，盲區時衛星幾何圖形結構強度低，RTK測量很難得到固定解。同時由于信號強度較弱，在對空遮擋比較嚴重的地方GPS無法正常應用。

5.2 受電離層影響

白天中午，受電離層干擾大，共用衛星數少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。根據實際經驗，每天中午12～13點，RTK測量很難得到固定解。

5.3 受數據鏈電臺傳輸距離影響

數據鏈電臺信號在傳輸過程中易受外界環境影響：如高大山體、建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業精度和作業半徑。另外，當RTK作業半徑超過一定距離時，測量結果誤差超限，所以RTK的實際作業有效半徑比其理論半徑要小，工程實踐和專門研究都證明了這一點。

5.4 受對空通視環境影響

在山區、林區、城鎮密樓區等地作業時，GPS衛星信號被阻擋機會較多，信號強度低，衛星空間結構差，容易造成失鎖，重新初始化困難甚至無法完成初始化，影響正常作業。

6 結束語

（1）GPS技術在大型輸水工程測量中應用將會越來越廣泛，與其他傳統測量手段相比，GPS技術具有無可比擬的優勢。（2）GPS技術的測量精度可以滿足大型輸水工程測量的需要，尤其是在加密控制測量中精度非常高，完全可以代替傳統的測量方法。（3）采用RTK技術進行測量放樣時，盡可能采用多次觀測求平均值的方法來提高觀測點位的精度。（4）采用GPS技術進行操作時，盡量避開各種電磁波干擾區域，必要時可以采取GPS+全站儀測量模式。（5）GPS技術具有全天候、區域廣、精度高、自動化程度高等優勢，其測量速度、精度遠大于傳統的測量模式，可以節約大量的人力物力財力。（6）隨著中國北斗系統的研發，未來采用GPS技術將會創造更大的社會效益。

參考文獻

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