GNSS技術在現代水利工程測繪中的應用

摘要：GNSS的發展為水利工程測繪工作帶來了很多便利，其目前已廣泛應用于測繪工作中。文章介紹了GNSS系統的基本構成、工作原理、技術特點，闡述了GNSS技術在現代水利工程測繪中的優勢，分析了現代水利工程測繪工作中應用GNSS技術的現狀及問題，最后分析了GNSS技術在現代水利工程測繪中的實際應用及其應用前景。

關鍵詞：現代水利工程；GNSS技術；工程測繪；測繪科學；水利工程建設 文獻標識碼：A

中圖分類號：P228 文章編號：1009-2374（2015）31-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.029

GNSS技術是一種全新的工程測繪手段，具有精度高、效率高、速度高等特點，測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務只是安裝并開關儀器、量取天線高、采集環境的氣象數據、監視儀器的工作狀態，而其他工作，如衛星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成?，F階段，GNSS已經被廣泛應用于通訊、導航、測繪、天文以及其他多個領域中，將GNSS技術引入現代水利工程測繪工作中，可有效確保水利工程測繪數據的真實性、可靠性、完整性，為水利工程質量以及工程技術的安全提供重要保障。下文主要探討分析GNSS技術在現代水利工程測繪中的應用。

1 GNSS技術的基本介紹

1.1 GNSS的基本概念

GNSS泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統以及相關的增強系統，如美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）和日本的MSAS（多功能運輸衛星增強系統）等，還涵蓋在建和以后要建設的其他衛星導航系統。GNSS技術主要是指通過接收設備、地面衛星等現代先進的科技手段，在全球內進行實時定位以及導航，該技術是現代化信息技術不斷發展的重要產物，也充分反映了這個社會的發展以及進步。利用GNSS技術可以快速、高效、準確地獲取精確的點線面三維坐標及其相關的信息數據。現階段，相關技術人員應該將現代通訊技術和GNSS技術有機結合，將GNSS測量三維坐標技術慢慢從靜態領域向動態領域發展，從智能數據后期處理逐漸向實時定位技術發展，使GNSS應用廣度以及應用深度大大提高。另外，GNSS中應用了RTK技術，進一步提高了定位的精確度，已達到厘米級的精度。

1.2 GNSS系統的基本構成

GNSS系統主要由地面控制、用戶設備以及空間星座三個部分組成：

1.2.1 地面控制。主要組成部分包括地面控制站、全球監測站以及主控站。這個部分的任務是負責全程監視衛星，獲取關于衛星的相關數據，同時在衛星存儲系統中注入衛星星歷。每一個監測站都會配裝有非常精密的銫鐘，可以連續測量一切可見衛星接受機，監測站獲取的氣象數據、電離層數據等相關衛星數據通過簡單的初步處理后會向主控站傳送。主控站在每一個監測站收集到跟蹤數據后，將衛星的時鐘參數以及軌道參數計算出來，最后向地面控制站傳送結果。

1.2.2 用戶設備。這一部分主要指GNSS接收機，衛星信號采用空間距離交會的方式進行接收，在處理完數據后可以獲取點位坐標以及基線向量。一旦接收機獲取跟蹤的相應衛星信號后，就可以準確測量接收天線和衛星之間的偽距離、距離的變化率，將衛星軌道參數等相關數據解調出來。接收機中的微處理計算機也就可以根據定位解算的方法對這些數據定位計算，了解用戶所在地理位置的相關信息，如時間、高度、經度、維度、速度等?，F代接收機的體積日益減少，而且接收機的重量越來越輕，更適合在野外觀測。

1.2.3 空間星座。如美國的GPS系統在20000m高空的6個軌道內，24顆GPS衛星均勻分布，GPS衛星運行周期大約在12h左右，這樣可以確保在全球范圍內時時刻刻、在任何地點同時觀測4顆以上衛星。俄羅斯GLONASS系統由21顆工作星和3顆備份星組成，分布于3個軌道平面上，每個軌道面有8顆衛星，軌道高度1萬9000公里，運行周期11小時15分。中國北斗衛星導航系統由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。5顆靜止軌道衛星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。

1.3 GNSS的工作原理

GNSS的定位原理有多種，包括載波相位時差分原理、絕對定位原理、相對定位原理等，水利工程測繪工作中采用的GNSS技術原理主要是載波相位時差分原理。這種原理也被簡稱為RTK技術。這種技術可以實時監控基準站、流動站2個監控站。RTK測繪的測量依據是GNSS相對定位理論，在基準站上安裝一臺接收器，然后在移動站上另外安裝幾臺接收器，這樣可以同步采集衛星信號。在測量載波相位以及接收衛星信號的過程中，通過跟蹤衛星，可以將觀測值以及觀測站坐標通過數據鏈從基準站向移動站傳遞。基準站的數據可以利用數據鏈以及移動站接收，也可以采用GNSS控制裝置處理采集到的相關數據計算時差分。經過精確的計算可以得到待測點的精確坐標以及高度，也可以得到實測精度，然后將實測精度指標和預設的精度指標進行對比分析，最后詳細記錄待測點的三維精度以及坐標。在實際作業的過程中，可以初始化已知點，然后再進行動態作業，同時在動態情況下可進行開機作業。待測點的三維坐標可以通過移動站隨時傳遞，但是必須持續觀測追蹤4顆以上衛星的動態。

1.4 GNSS技術的應用特點

GNSS技術具有全天候、測量精度較高、觀測時間較短等特點，同時天氣并不會影響到觀測，每個觀測站之間不用通視，而且操作較為簡便，不用邊角觀測。如果是較大區域面積觀測或者是不規范區域觀測的情況下，可以采用航跡測量方式，也就是順著運行路線畫一條軌跡，并且精確計算軌跡周邊的區域面積。目前，GNSS差分定位測量精度已經在毫米級別。在成圖和解算數據的時候，GNSS技術的自動化程度已經相當高，相關軟件可以自動成圖、自動計算。endprint

2 現代水利工程測繪中采用GNSS技術的現狀及問題

2.1 GNSS技術測量仍然具有一定誤差

近年來隨著GNSS技術的不斷進步以及發展，在現代水利工程測繪中得到廣泛應用，雖然大大提高了測繪工作效率，提高了測繪數據的準確性，但是在實際應用中仍然會出現一些誤差。比如，操作人員疏忽導致人為測量失誤。在觀測的過程中由于選擇的角度不合適，進而導致測量誤差。另外，目前GNSS技術的應用也存在一定的局限性，高壓線、地鐵站磁場作用或者是遇到城市高層建筑物的遮擋，都不可能會接收到衛星信號，這種情況下也不能正常工作，因此需要輔助應用全站儀、水準儀等補充測量數據，從而確保測繪數據的完整性以及準確性。

2.2 GNSS技術的應用力度相對較低

現代水利工程測繪中會應用到電子全站儀、電子水準儀等相關的設備、技術等，這些先進的設備、技術不斷發展、完善，基本上可以滿足工程測繪需求，這樣會在一定程度上影響水利工程測繪工作中全面應用GNSS技術。

2.3 技術人員的操作水平相對較低

GNSS技術是一種高新技術，對于技術操作人員文化知識也有一定的要求，然而有的技術人員并沒有全面掌握GNSS系統的專業操作技能，這樣會大大降低測繪的工作效率，同時在實際工作中也容易出現各種各樣的問題，有的時候甚至可能會出現測量錯誤的情況，這樣會嚴重影響水利工程的順利建設。另外，在測繪工作中難免會出現小問題的時候，但是在出現這些小問題時，有關的技術人員并沒有及時處理，這樣會進一步擴大問題的影響力，進而影響到水利工程測繪工作。

3 現代水利工程測繪應用GNSS技術分析

在當前的社會背景形勢下，市場競爭越來越激烈，工程測繪工作面臨的挑戰也越來越大，測繪是現代水利工程中極為重要的一個環節，想要進一步提高水利工程的競爭力，應該進一步優化升級測繪技術。而且目前很多水利工程都是在較為偏遠的溝壑或者深山，本身地形就相對復雜，有很多植被，很難進行觀測、通視，這樣并不利于水利工程的順利建設。在水利工程中應用GNSS技術，可有效避免這些問題，也有利于提高工程測繪工作效率。GNSS技術在現代水利工程測繪中的具體應用如下：

3.1 GNSS外業測繪

現代水利工程測繪中在采用GNSS技術的過程中，應該選擇正確的測繪點以及測繪位置，這對于保證測繪的正確性具有極其重要的意義。在選點定位前，應該做好充分的準備，全面搜集、整理測繪區域的標架條件、標型狀況、地理位置等相關信息，確保選點定位的有效性以及合理性。

3.2 GNSS技術的布網測量

采用GNSS技術進行布網測量工作的過程中，應該測繪帶狀工程以及線路。比如，引水工程中應該采用邊連式或者點連式的測量方式，這樣可以組成一個連續發展的同步三角鎖圖形進行相關測量。對于工程樞紐區的變形監測網以及施工控制網來說，應該采用網連式的布網方式，也可以采用邊連式的布網方式，這樣可以進一步提高圖形的幾何強度，進而提高GNSS控制網測量的真實性、可靠性以及精度，從而確保能夠高效完成水利工程測繪工作。

3.3 實時動態測繪技術

這種測繪技術主要是指在某一個已知點上建立一個基準站，同時需要安裝一臺GNSS接收機，這樣可以現場全面觀測所有可見衛星的運行狀況，而且可以全面搜集到觀測到的相關信息以及數據。在收集到相關數據后，可以通過無線電傳輸設備傳送這些數據，并且借助數據鏈將其分別輸送到相對應的流動站。在接收到GNSS衛星信號的過程中，流動站也可以利用相對定位原理通過無線電接收設備來接受基準站的所有數據，并且差分解算。流動站也會對比分析本身觀測到的數據和這些接收到的數據是否存在差異，結合兩個觀測站之間的位置進行解算，最后將這些數據儲存，并且輸出流動站位置準確的三維坐標。當前，利用多基站網絡RTK技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）已成為城市GNSS應用的發展熱點之一。

4 GPS技術在現代水利工程測繪工作中的應用前景

當前的社會正在快速發展，科學技術水平也在不斷提高，國家政府對于水利工程建設的重視程度越來越高，同時對于水利工程的投入也越來越多?，F階段，水利工程的軟件技術、硬件設施、測繪設計等諸多方面都已經有一定發展，在很大程度上也推動了我國水利工程建設的發展，但是與此同時，水利工程建設對于測繪工作的要求也越來越高。目前，RTK和多星解算技術是GNSS技術應用的主流，可以構建沿線總體控制測繪，為縱面測繪、路線平面、帶狀地形圖等勘測提供科學、可靠的依據，在堤壩、渠道、閘門等地方都有應用。未來隨著技術的不斷發展，相信GNSS技術在水利工程測繪中的應用會越來越廣。

綜上所述，GNSS定位技術的發展是對經典測量技術的一次重大突破。一方面，它使經典的測量理論與方法產生了深刻的變革；另一方面，也進一步加強了測量學與其他學科之間的相互滲透，從而促進了測繪科學技術的現代化發展。具有全天候、效率高、無需通視、精度高、自動化程度高等特點，目前已經被廣泛應用于工程實踐中。GNSS技術為水利工程測繪提供了一條新的途徑，將其應用于現代水利工程測繪中可有效提高工程測繪精度以及效率，為水利工程建設提供更加可靠的支持。

參考文獻

[1] 黎晶晶，彭紹才，龍振華.GPS在水利工程中的應用現狀及問題分析[J].農村經濟與科學，2011，（5）.

[2] 王國慶.新時期水利工程中GPS測繪新技術的發展及作用研究[J].水利工程，2013，（10）.

[3] 謝溫祥，羅瑞明.水利工程中測繪新技術的應用分析與探討[J].科技創新導報，2012，（34）.

作者簡介：李森華（1983-），男，云南永勝人，云南省麗江市水利水電勘測設計研究院工程師，研究方向：測繪工程。

（責任編輯：陳 倩）endprint