GPS技術在水利水電工程測繪中的應用

帕爾哈提·艾則孜

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 GPS技術的內涵

GPS技術由多個衛星協同作業實現，目前GPS技術中應用的衛星有24顆，這些衛星平均分布在各個太空運行軌道上，形成了一張完整的監控與探測網絡。這個網絡能夠對無數個終端提供數據與定位服務，最直觀應用就是日常生活中常使用的汽車導航系統。GPS技術通過反饋的載波進行比對分析，實現最終定位。GPS定位結果并不是輕易得到的，多個衛星所采集的定位數據需要傳輸到流動站，流動站再根據基準站所提供的坐標信息，進行相位差比較，而后確定準確定位坐標。GPS技術包含的內容十分廣泛，可分為修改矯正法與相位差分法兩大類進行分析，修改矯正法具有一定的實時性，修正值會隨著具體情況的改變而發生變化[1]。基準站將實時修正值傳送給流動站，在這一基礎上進行坐標確定更加準確，定位效率也能夠有所提高。相位差分法是GPS技術中較為主要的一部分，通過衛星接收的載波來確定相位差。GPS系統除衛星、流動站、基準站外，還包括配套地面信息接收與監控系統，即控制站與監測站。我國GPS技術相對于許多發達國家，在應用程度上還存在一些差異。美國以其先進的科學技術在GPS的應用過程中，在原有定位基礎上進一步延伸，實現了精密度更高的定位服務：普通定位與高端定位。針對不同的用戶，普通定位通常采用粗測碼面向普通用戶，而高端定位測距碼更加精確，面向美國軍方以及特殊作業部門。早在21世紀初期，美國政府就已經將GPS技術中的可用性政策廢除，加強GPS用戶體驗。對從衛星到流動站再到GPS用戶數據傳遞的時間進行計算測量，從而得到估算定位坐標，時間估算法是一種較為精確的預測方法。GPS技術中需要通過載波來進行信息傳遞，目前常用載波可分為兩種，即L1與L2，兩者不同之處在于L1載波中附加了偽隨機碼與精密碼，而L2載波只附加了偽隨機碼。在實際應用過程中，這兩種載波均可進行定位工作，在水利水電工程的測繪工作中都起到一定作用。

2 探究 GPS技術在水利水電工程中的應用方法及精度

2.1 水利工程測量流程

GPS技術在水利水電工程中起到至關重要的作用，使測繪工作更加具體精確[2]。GPS技術在測繪工作中的應用有明確規范，該規章制度通過多年修改與完善于2013年正式實施。規范中根據水利水電工程GPS技術測繪的精確度進行分級，大致可分為五個等級。不同規模的水利水電工程所選用的GPS測繪等級也存在一些差異。對于中小型水利水電工程，第四等級或第四等級以下均可使用。測繪工作中GPS定位點分布需注意距離適中，不可小于平均間距的三分之一，不可大于平均間距的三倍。水利水電工程中應用到的GPS技術具體指標如表1所示。

表1 應用于水利水電工程測繪中的GPS技術指標

2.2 水利工程的平面控制與質量檢查

GPS技術在靜止環境下仍能進行測繪，從而實現對水利水電工程的平面控制，在具體測繪工作中，以施工區域大地作為坐標，并對坐標中的向量進行測繪。根據基準向量與測繪向量的對比值來確定具體坐標方位，從而實現對水利水電工程的平面控制。GPS技術在平面控制與質量檢查中需要用到數據分析處理系統，這一系統可分為以下幾個步驟[3]。首先，要確立水利水電工程的測繪目標，其次，將測繪數據輸入分析處理系統，最后，根據基準向量對測繪數據進行檢查與評定。測繪工作中存在一定誤差，基準向量是檢測誤差的重要方式，可以用下列公式表示。

(1)

式中：β為基準向量中長度誤差；a為原有的存在誤差；h為相對誤差系數；R為基準長度的平均邊長，m。

GPS技術中存在許多規范，使固定誤差與相對誤差出現較大差異。在實際應用過程中，兩種誤差值通常選取與基準向量相近的數值。

2.3 擬合精度并多次檢驗

從水利水電工程的平面定位分布情況既可確定精確度，利用規定區域內的幾何相關性對精度進行初步測繪。選取平面中規定區域內的E001、E002、E021、E022四個點位進行擬合精度檢驗，找出擬合高程與檢驗高程所存在的差距，由于點位不同，差值也出現微小差異，但差值仍在0.02～0.06之間。

3 實驗結果與分析

GPS技術在水利水電工程測繪中的應用對精度要求較高，影響測繪精度的因素很多，例如地表高度與海拔高度[4]。通常GPS技術對于地表高度擁有較強的測繪能力，誤差率最低值在3%左右，因此對測繪工作造成影響的更多是海拔高度測繪中存在的異常。實驗中出現的誤差多為基準誤差與擬合誤差兩種。基準誤差在測繪過程中易發現，能夠避免。而導致擬合誤差因素較多，需要重點進行研究與分析[5]。將GPS技術與傳統測繪技術進行誤差比較，實驗中大約觀測690個歷元。采用GPS定位坐標，模擬水利水電工程的信號接收系統作為坐標原點，其中GPS衛星與流動站均通過擬合精度確定，實驗坐標分布如圖1所示。

圖1 系統坐標建立

實驗坐標方向分為東、北、上，定位誤差如圖2所示。

將縱向方向與橫向方向檢測到的測繪數據進行統計分析，具體參數如表2所示。

表2 測繪數據統計

圖2 傳統測繪法與GPS測繪誤差結果圖

根據實驗數據可見，在擬合誤差方面，GPS技術下的水利水電工程測繪工作能夠達到較高的精確度，在東、北兩個方向上GPS技術優勢沒有充分凸顯出來，但在橫向與縱向坐標的確定方面，GPS技術相對傳統測繪技術有著絕對優勢，使水利水電工程測繪工作發生實質性改變[6]。GPS技術在水利水電工程測繪中的應用還存在精度不高的問題，在實驗中將偽衛星相位差分進行完善，能夠有效提高東、北兩個坐標方向的測繪精度，減少誤差，使GPS技術應用更加完善[7]。GPS技術在水利水電工程測繪中的應用與傳統測繪方式相比，操作更加簡單便捷，最大程度上減少了人工作業出現的誤差，使測繪效率與準確度得到一定提高。我國目前應用的GPS技術多為平面控制系統，相關技術人員需要不斷研發與創新，向三維GPS技術方向發展。工程需為GPS技術的使用提供更加有利的條件，測繪數據實時記錄，進行驗證后方可投入工程中使用，盡量避免測繪工作中存在的誤差[8]。

4 結 語

近年來，我國科學技術發展迅猛，與發達國家的差距逐漸縮小，同時GPS技術得到更加廣泛的應用，尤其是在水利水電工程測繪工作中，取代了傳統作業方式，使測繪準確度得到提高的同時，保證工程安全順利實施。然而GPS技術在實際應用過程中也暴露出很多弊端，應在實踐過程中不斷完善，為水利水電工程施工提供更高保障。