探析GPS在水利工程測量中的應(yīng)用

□劉耀泉（廣東省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

0 引言

作為社會基礎(chǔ)設(shè)施之一，水利工程建設(shè)具有重大現(xiàn)實(shí)意義，在發(fā)電、防洪、灌溉等方面發(fā)揮著積極作用。任何工程都要經(jīng)過提前勘察測量，得出所需數(shù)據(jù)，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)施工方案。測繪工作直接影響到后續(xù)作業(yè)，必須確保其精確性，否則實(shí)際值與測量值有誤差，勢必會降低設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而降低工程質(zhì)量。以往水利工程建設(shè)多依靠人工測量，工作量大、效率慢，且精確度并不高，難以滿足當(dāng)下越來越高的要求。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，GPS 技術(shù)迅速興起，在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

1 關(guān)于GPS 技術(shù)

GPS 技術(shù)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，又叫全球定位系統(tǒng)，最初是美國軍方用來搜集情報的一種手段，后來逐漸擴(kuò)展至其他領(lǐng)域。系統(tǒng)由空間部分、地面控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備3 部分組成，空間部分主要是24 顆衛(wèi)星，可以全方位地在地球上觀測；地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收處理從衛(wèi)星傳回來的信息，又可分為主控制站、監(jiān)測站和天線等；用戶設(shè)備則是利用GPS 信號接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星，經(jīng)過一系列分析處理后，可獲取所在位置的三維坐標(biāo)。

導(dǎo)航、測量和授時是GPS 系統(tǒng)的3 大功能。其特點(diǎn)突出，有很多優(yōu)勢，如縮短了觀測時間，定位精準(zhǔn)度較高，工藝簡便容易操作，功能多、適應(yīng)范圍廣，能夠提供三維坐標(biāo)，可以全天候作業(yè)，測站與測站之間無需通視，在一定程度上打破了地域限制。具體而言，除了測量高程、面積，GPS 系統(tǒng)還能測時測速；自動化程度高，隨著技術(shù)改進(jìn)，逐步向智能化邁進(jìn)。操作更加簡單，測量也更精確。

2 關(guān)于水利工程測量

興修水利工程主要是為了合理控制水流，對其進(jìn)行調(diào)節(jié)使用，以免出現(xiàn)洪澇之災(zāi)。常見的水工建筑物有堤壩、水閘、渠道、溢洪道等，不管是選址，還是整體布局，都要科學(xué)安排合理布置，否則工程質(zhì)量就可能會受到影響，所以必須做好測量工作。測量的內(nèi)容和任務(wù)有以下幾方面：測量地形地貌條件，獲取現(xiàn)場面積，以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繪制地形圖和工程比例圖；測量有利于實(shí)際放樣，即按照一定的比例在圖上對建筑物進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)；觀測后期建筑物的變形狀況，若有較大變形，要及時予以處理。

之前測量時，使用的測量設(shè)備主要有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、測距儀等，測量方法以幾何水準(zhǔn)和三角網(wǎng)等為主，耗時耗力，精準(zhǔn)度也達(dá)不到實(shí)際要求。后來則利用全站儀配合水準(zhǔn)儀測量，效果有所改善，但在地形復(fù)雜的峽谷中功能會大打折扣；如今，GPS 技術(shù)應(yīng)用越來越多，可及時獲取較為精確的數(shù)據(jù)，還能準(zhǔn)確觀察建筑物的變形狀況。

水利工程在山區(qū)峽谷比較多，顯然傳統(tǒng)的測量技術(shù)和方法存在著很多不足。為了合理確定壩址和工程總體布局，需要借助現(xiàn)勢性很好的地形圖，GPS 無疑是目前最好的選擇。在靜態(tài)測量模式下，測量精度可達(dá)1×10-6，再加上高科技軟件，精確度更高；RTK 技術(shù)主要適合用于碎部測量。

3 GPS 技術(shù)在水利工程測量中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于測量高程

高程測量是基礎(chǔ)工作，即獲取地面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。接收衛(wèi)星發(fā)射的信號后進(jìn)行分析處理，得到大地高度，再利用水準(zhǔn)儀計(jì)算高程差異、求得正常高度，最后獲取三維坐標(biāo)。大地高度用e 來表示，測點(diǎn)正常高度用d 來表示，則高程差異q=e-d。接著通過公共點(diǎn)高程差異，依次計(jì)算其他測點(diǎn)的正常高度。

3.2 應(yīng)用于渠道管線

渠道管線是水利工程的重要組成部分，通常呈線性放射狀，分布較為分散，由于渠道較長，需要大量人力物力投入。主要是受天氣和地理環(huán)境影響，傳統(tǒng)的測量方法精確度較低。GPS 技術(shù)則不受地域限制，受天氣影響較小，而且無需監(jiān)測站通視，還能全天候作業(yè)。在實(shí)際測量時，只要測出來高程、轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，便可迅速確定測點(diǎn)。

3.3 應(yīng)用于變形觀測

在施工過程中或竣工后，水利建筑可能會發(fā)生形變、滑移、沉降，所以還需要考慮這些情況，對其進(jìn)行實(shí)時測量，一旦發(fā)現(xiàn)堤壩、地基等物有明顯缺陷，要及時采取解決措施。利用GPS 技術(shù)測量時，可在變形范圍內(nèi)選擇測點(diǎn)并安裝定位機(jī)，同時在距離大壩一定的位置處也選若干基準(zhǔn)點(diǎn)，并安裝GPS 定位機(jī)，數(shù)據(jù)處理中心可實(shí)時獲取來自測點(diǎn)的信號，計(jì)算后得出相關(guān)數(shù)據(jù)。在水下地形觀測時也是如此，先選擇兩個測點(diǎn)放置GPS 接收機(jī)，獲取信號后及時傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，最終得到水下深度、水流速度等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)的水下地形圖。

3.4 應(yīng)用于工程布網(wǎng)

以引水工程為例，多呈帶狀或線狀，采用點(diǎn)連式組成三角鎖同步圖形的方法較為適合；而在樞紐地區(qū)常需設(shè)置變形監(jiān)測網(wǎng)，此時適宜采用網(wǎng)連式布設(shè)方法，以增強(qiáng)其幾何強(qiáng)度，進(jìn)而使得控制網(wǎng)更加可靠。

3.5 應(yīng)用于外業(yè)工作測量

首先是選點(diǎn)和立標(biāo)，選點(diǎn)有一定的原則，如地面基礎(chǔ)要牢固，盡量選擇視野開闊、障礙物較少處；因GPS 技術(shù)主要是靠信號傳遞來完成測量，所以信號不能被干擾，這就要求周圍200m內(nèi)不能有無線電發(fā)射源，而且距離高壓線至少50m，否則高壓運(yùn)行時可能會產(chǎn)生電磁場干擾信號；為避免多路徑效應(yīng)，也盡量避開大面積水域；如果有舊測點(diǎn)且還能使用，就不必再找新測點(diǎn)；在給點(diǎn)位做標(biāo)志時，標(biāo)石要堅(jiān)固穩(wěn)定耐久。

其次是測量計(jì)劃。測量工作較多，為實(shí)現(xiàn)及時高效高精準(zhǔn)度的測量，需提前制定好測量計(jì)劃。編制可見性預(yù)報圖之后，合理選擇衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度，并要安排好觀測時間和具體位置，以獲得最佳效果。

在觀測時，為保證測量精確度，要做好每一個細(xì)節(jié)。如安裝GPS 接收機(jī)天線時確保圓水準(zhǔn)氣泡居中，觀察定向標(biāo)志線是否指向北方；安裝結(jié)束后，還要在其周圍120°三個方向上測量天線的高度，將差值控制在3m 以內(nèi)。

4 GPS 技術(shù)測量中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 精度設(shè)計(jì)

網(wǎng)的用途往往決定著GPS 網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)。按精度和距離劃分，可將城市或者GPS 網(wǎng)分為好幾個等級。通常來講，GPS 網(wǎng)中相鄰兩個測點(diǎn)之間的距離都在1km 以內(nèi)，因此屬于二級測量，相鄰兩點(diǎn)之間的弦長精度可表示為下式：

在上式中，σ 指的是等效距離誤差，a 指的是GPS 接收機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差，通常在15mm 以內(nèi)，b 指的是GPS 接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)，通常要控制在20 之內(nèi)，d 指的就是GPS 網(wǎng)中相鄰兩點(diǎn)之間的距離，大都在1km 之內(nèi)。

精度標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系著GPS 網(wǎng)的設(shè)計(jì)，對其設(shè)計(jì)方案、觀測計(jì)劃以及以后的處理方法都有很深影響。從理論上講，如果邊長<200m，應(yīng)將其誤差控制在20mm 以內(nèi)。

4.2 網(wǎng)形設(shè)計(jì)

GPS 網(wǎng)通常會有相應(yīng)的圖形設(shè)計(jì)，就目前而言，主要有三種圖形：①三角形。該種圖形結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，精度分布也較為均勻，同時具備良好的自檢能力。不足之處主要是工作量過大，尤其是接收機(jī)的數(shù)量不夠時，將會拖延觀測時間。此圖形在精度和穩(wěn)定性都較嚴(yán)格的情況下比較適用；②環(huán)形網(wǎng)。主要由若干閉合環(huán)構(gòu)成，且每個閉合環(huán)都含有多條獨(dú)立的觀測邊。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來看，該圖形要稍遜于三角形，它類似于大地測量中的導(dǎo)線網(wǎng)。其工作量較小，而且安全性和自檢性都有良好的保證，但是相鄰點(diǎn)之間的基線精度分布的很不均勻，間接邊的精度比不上直接觀測邊；③星形。該圖形比較簡單，而且操作起來也方便簡單，只需要兩臺儀器就能工作。如果使用三臺儀器，可用兩臺工作，另外一臺作為中心站。因?yàn)橹苯佑^測邊之間形不成任何閉合的圖形，所以其檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)粗差的能力較差。

5 結(jié)語

水利工程在當(dāng)前社會的作用不言而喻，但隨著人們對其質(zhì)量要求的提升，以及施工條件愈發(fā)復(fù)雜，整個工作變得更加困難。作為施工的基本前提，測量對后續(xù)工作影響深遠(yuǎn)，必須提高測量水平。GPS 技術(shù)憑借自身優(yōu)勢在當(dāng)前測量中廣泛應(yīng)用，在今后還需進(jìn)一步完善。

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