GPS測量在水利水電工程測量中的應用探析

□李冬韓（潮州市水利水電勘測設計院）

0 引言

水利水電工程能為人類造福，具有較高的經濟效益和社會效益。在工程施工前，需要通過精確的測量，然后才能進行工程選址、方案設計、工藝選擇對比等工作。施工過程中也要對水工建筑物進行放樣測量,確保工程不存在質量缺陷。若測量結果出現差錯或較大誤差，必將會降低施工方案的可行性，在后續施工時極易出現返工，造成施工浪費,影響工程進度,所以務必要保證高精度測量。隨著近年來GPS測量技術的發展成熟，其技術應用特點在水利水電測量過程中發揮著重要的作用。

1 GPS技術及其優勢分析

GPS即全球衛星定位系統，借助GPS定位衛星，可實現全球范圍內的定位和導航。關于GPS系統的構成，主要有以下3部分：①空間部分。在距離地面2000 km的高空均勻分布有24顆衛星，分布在6個軌道平面，可實時全天候對地觀測到地球任何地方。不過受大氣摩擦影響，導航精度會有所轉變；②地面控制系統。又可分為地面監測中心、地面主控制站和地面天線，職責是接受衛星發出的信號信息；③用戶設備，主要是指GPS信號接收機，可跟蹤衛星并獲取衛星信號，然后測量出二者距離、衛星軌道等參數，經內部微處理計算機分析處理后，便可得到用戶的三維坐標。

GPS技術適應性強，應用范圍廣泛，與普通測量技術相比，具有諸多優勢。首先實現了高度自動化，操作方便，測量時只需要做一些簡單的工作，如合理放置儀器、連接電纜線、按要求操作手簿等，系統就會自動跟蹤觀測；其次可保證24 h連續不斷地提供導航定位服務；觀測時間短但精確度很高。

2 GPS測量技術在水利水電工程測量中的應用

2.1 控制網設計

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。控制網設計是首級控制的重要內容，控制網基本圖形有3種較為常見。一是三角形網，精度分布均勻，幾何結構較強，穩定性高，且自檢能力優越，在測量過程中能夠及時發現存在的缺陷，從而增強控制網的可靠性和可行性。缺點是實際測量時耗時耗力，觀測時間長，工作量大，特別是接收機數量較少時，測量時間往往會比設計值有所拖延；二是環形網，在結構強度上不如三角形網，其結構主要是帶有多條獨立觀測邊的閉合環，安全性能良好，測量時工作量相對較小，自檢能力也很強。不足之處在于相鄰點間的基線精確度在分布上很不均勻；三是星形網，結構簡單，操作快捷，除了兩臺或三臺觀測儀器，無需其他設備。但由于觀測邊與觀測邊形不成任何閉合圖形，所以測量精度和自檢能力都低于前兩者。

在水利水電工程中，往往要根據工程的特點和其所在地形進行控制網的選擇。在一些地勢開闊、重要性強的大型工程，如大型水閘、大型堤圍、樞紐工程等，必須采用三角網，保證數據精度。在一些地形復雜、山區丘陵地帶的中小型工程，由于受實地環境和工程進度的影響，在前期規劃勘測中多采用環形網，在保證經度要求的前提下，提高工作效率。

2.2 高程系統測量

高程測量在水利水電工程中是一項很重要的工作，高程控制決定了規劃階段水位線的推算和工程量的計算，直接影響工程的造價預算和工程安全性問題。由于水利水電工程在河谷切割較深處、山高坡陡處分布較多，自然環境惡劣，增加了高程測量難度。目前在測量高程時，光電測距三角形高程測量法應用較多，工作量大、測量時間長。若在水利水電工程中應用GPS技術，建立控制網，因為其平面精度較高，測量相當于四等幾何水準，測量精度必將有所提升。

2.3 變形監測

即在觀測周期能夠及時發現觀測點的變形信息，若變形程度較嚴重，超出了許可值，則建筑物穩定性很容易受到影響。通常對變形監測的精度要求很高，應精確到毫米級。水準測量方法在實際中較為常用，可觀測建筑物沉降狀況；地基滑移和水利水電建筑物的傾斜則主要使用三角測量方法來完成。所需儀器有水準儀、測距儀、全站儀等，該方法適應性強，但工作繁多，測量時間太長，且受地形條件影響明顯，自動化水平低。

部分水利工程分布在居民點的上游或附近，尤其是大型水庫壩址、大型水閘、重大開挖邊坡等，一旦出現質量問題，將直接威脅到附近群眾的生命財產安全，所以其變形監測工作必須引起重視。GPS技術憑借自身優勢，把接收機安裝在固定觀測點上后，可實現數據采集、數據處理和變形分析整個過程的自動化，效率和精度都很高。因建筑物形變具有動態性，所以首先要獲取相關動態信息，對其運動規律和所處狀態進行科學預測。具體監測內容有很多，如監測精度、監測方法、數據處理能力、診斷結果等。

2.4 數據分析處理

數據分析能力極為關鍵，對測量結果影響較大。在獲取相關信息數據后，要經歷如下的一個處理過程：首先是預處理，即根據實際所需整理甄選原始數據，并按照一定標準將其進行分類，找出有用的信息；接著是平差計算，包括同一基線邊的同步觀測數值及其平差結果，平差結果就是整體平差，務必要保證計算的準確性，否則可能會導致數據失真；最后一道程序是GPS網和坐標系統之間的轉換，處理之后便可獲取所需要的數據。

3 實際案例分析GPS高程測量的具體應用

某大河流經A地，水量較大，適合用來發電。A地以此河為引水河流，建起了1#、2#跨河水電站。工程于2005年開始，共投資6.30億元，1#水電站裝機容量為10萬kW，取水口高692m，引水隧洞長度為5.50 km。工程建筑物有大壩、廠房、引水隧洞、溢洪道、壓力管道等。2#水電站裝機容量為3.50萬kW，取水口高475m，引水隧洞長2.50 km。主要有廠房、引水隧洞、壓力管道等建筑物，廠房高程約為400m。此次高程控制點和平面控制點為共用標，既是平面點標志又是水準點標志。

3.1 三等水準精度分析

高程控制網按照三等精度沿著建筑物走向施測水準為一個閉合環，長25 km，閉合差為12mm，最大誤差不得超過5mm，每公里水準測量中誤差應控制在2mm/km以內。

3.2 GPS控制網的數據處理

該工程采用Ashtech solutions GPS數據處理軟件對數據進行處理，為保證精準度，使用GPS精密星歷對基線數據進行解算。觀測過程中共使用了8臺Astech LocusGPS接收機用于同步觀測。因基線數較多，每條邊至少觀測兩個時段，每個時段的同步觀測時間均在90min以上。所以不存在返工問題，觀測一次性通過。全網共觀測基線204條，有6條檢測失敗，14條殘差較大，最終選擇184條良好的基線作為獨立觀測量。

根據測量結果顯示，利用三個高程起算點解算的效果要高于兩個高程起算點，而山區測量需要四等水準，顯然兩個點解算結果難以滿足這一要求，而固定三個點的解算結果可以達到這一精度要求。GPS高程點與起算點的距離為GPS平面坐標計算的平距，在實際四等水準測量時，通常會更長一些。進而得知，GPS高程測量的精度稍低于幾何水準，究其原因，是因為觀測的基線平均只有500m，GPS短基線精確度較差。不過只要合理布局，有足夠的水準聯測點，采用合適的擬合模型，并對觀測質量進行嚴格控制，也能達到四等水準精度要求。

4 結語

GPS技術具有高精度、觀測時間短、全天候作業、自動化程度高等諸多優勢，應用于水利水電工程測量，可有效提高測量效率，進而為工程質量提供必要的保障。隨著測量難度加大，GPS技術也在不斷改進。現如今北斗衛星導航系統是中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，縮寫為BDS，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO并稱全球四大衛星導航系統。隨著定位系統的技術發展，在商業領域和民用上的開發空間進一步擴大，也給水利水電工程測量的發展帶來了新的契機。

[1]李安康.GPS RTK技術在水利工程測量中的應用探析[J].黑龍江水利科技，2014,25（6）：153-154.

[2]杜小芬.淺談GPS技術水利工程測量中的應用[J].中國科技博覽，2012,20（38）：170-172.

[3]葛俊勇.GPS在水利水電工程測量中的應用及其前景展望[J].黑龍江水利科技，2013,20（22）：125-127.