淺談GPS高程測量在水電工程中的應(yīng)用

譚莎莎

（陽江市水利水電勘測設(shè)計有限公司 廣東陽江 529500）

前言

高程測量是水電工程施工的重要環(huán)節(jié)，貫穿于整個施工過程，而且對工程有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)測量方法包括幾何水準(zhǔn)法、光電測距三角高程法等，但由于水電工程地勢復(fù)雜，在測量布置時具有較高難度。GPS技術(shù)在水電工程高程測繪中的應(yīng)用很好的解決了這一問題，而且使測量精度得到明顯提升，可以為水電工程的設(shè)計、施工以及安全管理等提供有力支持。

1 水電工程中的高程測量系統(tǒng)

在水電工程中常用的高程系統(tǒng)主要包括正常高系統(tǒng)、大地高系統(tǒng)和正高系統(tǒng)，幾種高程測量系統(tǒng)的特點如表1所示。

表1 幾種高程測量系統(tǒng)的特點

在上述幾種高程測量系統(tǒng)中，大地水準(zhǔn)面到參考橢球面之間的距離為大地水準(zhǔn)面差，符號為hg，則大地高于正高之間關(guān)系可表示為H=Hg+hg。類似的有似大地水準(zhǔn)面與參考橢球面距離為高程異常，符號為ξ，則大地高于正常高的關(guān)系可表示為H=Hr+ξ[1]。

2 GPS高程測量方法

首先介紹正常高系統(tǒng)的GPS測量方法，上述高程異常ξ是似大地水準(zhǔn)面和橢球面間的高程差，利用ξ可以進(jìn)行正常高和大地高的轉(zhuǎn)換，高程異常ξ具體如圖1所示。

圖1 高程異常ξ示意圖

高程異常的確定方法包括直接法、擬合法兩種，ξ是地球重力場的重要參數(shù)，可利用地球重力場模型和點位信息直接確定ξ值，這種方法為直接法，適用于對高程精度要求不嚴(yán)格的測量情況。擬合法則是在GPS網(wǎng)的公共點上同時測定水準(zhǔn)高程，并利用內(nèi)插技術(shù)確定各點高程異常值。常用擬合方法包括等值線法、解析法等[2]。

其中，等值線法是根據(jù)已經(jīng)確定的ξ值，繪制高程異常等值線圖，再利用內(nèi)插法對未知點高程異常進(jìn)行測定。該方法的測量精度與公共點分布情況和密度有關(guān)，在測量時需要綜合參考地形測繪資料和高程異常非線性變化情況等。解析法是利用某一規(guī)則數(shù)學(xué)面擬合似大地水準(zhǔn)面，通過建立數(shù)學(xué)模型、根據(jù)網(wǎng)點位置參數(shù)計算高程異常。可表示為ξ=f（x，y），對于已經(jīng)確定的高程異常點，有ξi=f（xi，yi）=Hi-Hri。

GPS高程測量方法在測定大地高差時可以獲得較高的精確度，一般為（2～3）×10-6左右，其測量精度主要由高程異常差決定。經(jīng)過上述分析，高程異常差精度主要與水準(zhǔn)測量和擬合誤差決定，其中，水準(zhǔn)測量精度較高，但要對起算數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗，避免出現(xiàn)粗差。在此基礎(chǔ)上，通過控制擬合精度，確保GPS高程測量精度[3]。

3 水電工程中GPS高程測量方法的實踐應(yīng)用

3.1 工程概況

某大型水電工程庫區(qū)為III等，工程所在區(qū)域具有山高谷深的特點，最大高差為2600m。在高程測量過程中布置GPS測量控制網(wǎng)，控制范圍是沿河長230km、河寬1～2km的帶狀區(qū)域，共設(shè)置44個測量點，共計22組，每組測量點的平均距離為9.8km。其中組內(nèi)的兩個測量點相互通視，間距平均為1.2km。該測量控制網(wǎng)共包含114條GPS觀測總基線，基線的平均長度為7.7km。全網(wǎng)聯(lián)測III等水準(zhǔn)高程點位16個，均勻分布，其余各點均施測三角高程，其測量值近似為真值，可以與經(jīng)擬合的GPS高程對比，分析擬合模型、公共點分布情況對高程精度的影響。由于高工程GPS高程測量水準(zhǔn)面的起伏較大，各點相對高程異常在45.98～48.26m之間，最大的互差達(dá)到2.28m。

3.2 河流及庫區(qū)控制網(wǎng)規(guī)劃

在水電工程河流規(guī)劃和水電站庫區(qū)規(guī)劃中，一般都采用GPS布設(shè)平面控制網(wǎng)，且多數(shù)為沿河帶狀布置的控制網(wǎng)。在山高谷深的影響下，高程聯(lián)測較為困難，而且會影響GPS高程測量精度。必須通過合理設(shè)計和施測，并對數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行科學(xué)選擇，才能保證GPS高程測量精度。相關(guān)研究表明，通過采用合理的測量和計算方法，可以使GPS高程擬合精度控制在±0.15m左右，進(jìn)而能夠滿足工程施工要求。在GPS高程擬合過程中，一般可采用線狀模型，包括分段折現(xiàn)模型、曲線擬合模型和線性擬合模型等。其中，分段折現(xiàn)模型擬合結(jié)果的精度度較高，一般可以將誤差控制在±0.13m以內(nèi)。采用該方法得到的測量結(jié)果與近似真值的最大差值僅為0.23m，相比于擬合前的最大互差2.28m，高程異常差降低了90%左右，擬合效果較好。

3.3 施工控制網(wǎng)的應(yīng)用

在現(xiàn)代水利水電工程建設(shè)中，許多工程基于GPS測量結(jié)果建立平面施工控制網(wǎng)，特別是含有長隧洞的引水式電站工程，必須采用GPS聯(lián)測方法，保證測量進(jìn)準(zhǔn)的統(tǒng)一性，從而實現(xiàn)隧道貫通。在水電工程施工過程中，對高程有嚴(yán)格要求，一般采用精密水準(zhǔn)測量法法建立高程控制網(wǎng)，并由廣電測距三角高程輔助測量。在類似于上述的III等大型水電工程中，通過布置GPS施工控制網(wǎng)，并對控制網(wǎng)GPS高程擬合精度進(jìn)行控制，可以滿足工程高程測量需求。通過總結(jié)以往的工程測量經(jīng)驗，對于山區(qū)建設(shè)的大型水電工程，采用GPS測量擬合高程的精度一般只能達(dá)到±0.10m左右。丘陵地區(qū)的中小型水電工程GPS高程測量精度可達(dá)到±0.05m左右。而且GPS高程測量的精度受測區(qū)條件、觀測方法和控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響，再對高程測量精度有嚴(yán)格要求時，需要采用精密水準(zhǔn)測量方法，并將GPS高程擬合結(jié)果作為參考，共同確保測量精度。

3.4 地形測繪方法

在GPS技術(shù)的快速發(fā)展下，GPS RTK地形測繪技術(shù)也在水電工程中得到廣泛應(yīng)用，可以繪制大比例尺地形測繪圖，包括1：500和1：2000等，如圖2所示。此外，還可以利用該技術(shù)進(jìn)行測圖控制、碎部測量，確保其高程精度和平面精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。RTK技術(shù)可以應(yīng)用于水電工程水庫調(diào)查、水下地形測繪、河道斷面測量等，但也會受地形條件制約。一般小比例尺地形圖，比如1：2000或1：10000等，需要采用航空攝影測量方法等，但在像控點平面坐標(biāo)測量過程中，通常要采用GPS聯(lián)測技術(shù)，確保精度能夠滿足要求。在像控點的GPS高程擬合過程中，應(yīng)根據(jù)比例尺大小要求，對基線高差和邊長進(jìn)行控制，確保高程擬合精度。在地形條件較好的測試區(qū)，還是以GPS RTK測量方法為主。

圖2 GPS RTK地形測繪圖

3.5 安全監(jiān)測應(yīng)用

GPS高程測量在水電工程施工的安全監(jiān)測中也有重要應(yīng)用。由于水電工程規(guī)模較大，建設(shè)周期長，在施工過程中對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行監(jiān)測非常重要。通過采用GPS高程測量技術(shù)對大壩和滑坡體進(jìn)行檢測，可以有效防治壩體坍塌、滑坡事故的發(fā)生。對于壩體和滑坡體的安全監(jiān)測而言，采用GPS高程測量方法，在一定圖形結(jié)構(gòu)下，利用觀測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件，對其變化情況進(jìn)行測量和監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險問題。但在測量和監(jiān)測過程中，GPS高程信息容易被忽略，需要提高對GPS高程信息的關(guān)注，并與精密水準(zhǔn)測量方法等結(jié)合應(yīng)用，提高工程安全儲備。

4 結(jié)束語

綜上所述，GPS高程測量技術(shù)在水電工程測量中有重要應(yīng)用，可以滿足大多數(shù)工程的測量精度要求。通過對GPS高程測量技術(shù)原理和測量精度的影響因素進(jìn)行分析，可以找到有效的精度控制和提升方法。在此基礎(chǔ)上，配合其他測量技術(shù)的應(yīng)用，可以滿足工程施工要求，提升工程施工安全性。

[1]饒錦興.GPS測量配合三角高程測量在水利水電工程中的應(yīng)用[J].江西測繪，2012（04）：54～55.

[2]賁素香，李青山.淺談高等級三角高程測量在水電工程高程測量中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2012，35（05）：190～193.

[3]吳恒友.GPS高程測量在水利水電工程中的應(yīng)用探索[J].工程勘察，2015（06）：53～56.