GPS 在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

宋立明

（五常市水政水資源辦公室，黑龍江 五常150200）

1 概述

全球定位系統(tǒng)的英文縮寫為GPS，主要是利用基于已發(fā)射地球衛(wèi)星的無(wú)線式導(dǎo)航系統(tǒng)，每時(shí)每刻衛(wèi)星將三維導(dǎo)航定位信息向地球發(fā)射，進(jìn)而對(duì)地心坐標(biāo)系中地面上某點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航或定位功能。轉(zhuǎn)為民用后衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)已在各領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，水利工程測(cè)量中相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)而言，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在效率較高、成本低廉、精度較高、工作無(wú)需較大強(qiáng)度等方面，具有比較廣闊的應(yīng)用前景，但GPS 目前應(yīng)用水利測(cè)量中也存在一些亟待解決的問題。

2 GPS 及其基本原理

2.1 GPS 的主要構(gòu)成

GPS 主要由空間衛(wèi)星群、用戶信號(hào)接收設(shè)備及地面監(jiān)控系統(tǒng)等三部分所構(gòu)成。

2.2 GPS 的基本工作原理

GPS 共有24 顆衛(wèi)星組成空間衛(wèi)星群，并在6 個(gè)軌道平面內(nèi)平均分布，各軌道平面之間有60 度的夾角，衛(wèi)星軌道以11 小時(shí)58 分為一運(yùn)行周期，在任何地點(diǎn)和時(shí)間，地表都可有效保障對(duì)發(fā)出的4-11 顆GPS 衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收。地面GPS 控制系統(tǒng)監(jiān)控衛(wèi)星工作狀態(tài)對(duì)衛(wèi)星參數(shù)進(jìn)行改正，將指令發(fā)向衛(wèi)星，以確保衛(wèi)星運(yùn)行的正常。GPS 信號(hào)接收機(jī)將信號(hào)接收后，用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位及其它功能。

3 水利測(cè)量中GPS 的應(yīng)用

在平面控制測(cè)量中，類似于傳統(tǒng)水利工程測(cè)量，GPS 也能完成平面控制測(cè)量工作。傳統(tǒng)水利測(cè)量主要采用導(dǎo)線測(cè)量方式，而GPS 技術(shù)在平面控制測(cè)量中可采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種定位方式。利用內(nèi)置軟件處理信號(hào)，可在較短時(shí)間內(nèi)獲得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確位置，進(jìn)而完成平面控制測(cè)量工作。

在高程測(cè)量工作中，傳統(tǒng)測(cè)量針對(duì)區(qū)域性高程測(cè)量主要采用水準(zhǔn)測(cè)量方式，而GPS 測(cè)量可利用內(nèi)置軟件處理信號(hào)獲得。在變形測(cè)量工作中，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方式而言，GPS 技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量，并在測(cè)量工程中對(duì)復(fù)雜參考網(wǎng)無(wú)需設(shè)置，所以可采用GPS 技術(shù)完成觀測(cè)大型水工建筑物是否發(fā)生變形。尤其是觀測(cè)點(diǎn)在變形體上與變形區(qū)外穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)，或傳統(tǒng)觀測(cè)儀器在變形體上不便設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，采用GPS技術(shù)可方便觀測(cè)產(chǎn)生的變形，甚至實(shí)現(xiàn)變形觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

4 水利測(cè)量中GPS 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

一是具有較高的測(cè)量效率。一般情況下，應(yīng)用GPS 測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)的三維定位只需要幾秒鐘就能獲得，即便是不具有穩(wěn)定的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，測(cè)點(diǎn)測(cè)量任務(wù)也能在數(shù)分鐘內(nèi)完成。諸如根據(jù)每日對(duì)1.5 個(gè)河道斷面進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，至少能夠提高測(cè)量工作效率不低于70%。

二是具有較高的測(cè)量精度。GPS 技術(shù)在不受任何天氣影響時(shí)，可為用戶提供的三維定位具有較高精度。通過驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對(duì)大地高程采用GPS 靜態(tài)定位技術(shù)測(cè)量只有3-4ppm 的誤差，如果測(cè)量距離不超過20 千米，能夠達(dá)到厘米級(jí)的精確度。采用GPS 技術(shù)測(cè)量可有效避免傳統(tǒng)測(cè)量中存在的誤差累積問題，所以，GPS 可達(dá)到的測(cè)量精度較高。

三是不需要相互通視。在測(cè)站之間的相互通視是傳統(tǒng)測(cè)量中存在的最大難題，而GPS 具有無(wú)需相互通視的優(yōu)勢(shì)使測(cè)量中的難題得到有效解決。測(cè)點(diǎn)地區(qū)只要具有開闊的地勢(shì)，就不能干擾衛(wèi)星信號(hào)，也將提高測(cè)點(diǎn)布置的靈活性。

四是只有較小的工作強(qiáng)度。采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備測(cè)量過程中，外界因素隨其具有較大的影響，尤其是地物、地形及地貌等因素，在一定程度上將使測(cè)量人員增大勞動(dòng)強(qiáng)度。而地形、氣候等因素對(duì)GPS 技術(shù)沒有任何限制作用，尤其是不需要相互視通等明顯優(yōu)勢(shì)，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)量面積較大及不規(guī)則的復(fù)雜區(qū)域等，進(jìn)而使水利測(cè)量實(shí)際需要得到滿足，測(cè)量人員明顯降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

五是無(wú)需較高的成本。GPS 技術(shù)可對(duì)三維坐標(biāo)精確定位，并采用數(shù)字化、可視化形式對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行編輯操作。利用一次測(cè)量得到的資料信息可實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程規(guī)劃、防洪決策、建設(shè)及管理等有關(guān)工作實(shí)際需求的滿足。另外，而且GPS 技術(shù)具有較高的測(cè)量效率、較高精度、較小勞動(dòng)強(qiáng)度等明顯優(yōu)勢(shì)，使測(cè)量成本明顯降低。

5 水利測(cè)量中應(yīng)用GPS 的常見問題

在水利測(cè)量工作中，雖然GPS 的優(yōu)點(diǎn)十分明顯并在應(yīng)用中比較廣泛，但也還存在很多問題，以下對(duì)常見的一些問題進(jìn)行分析：

一是在測(cè)量工作中GPS 還存在一定程度的誤差。隨著日益發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平，對(duì)工程質(zhì)量也逐漸提高了要求，在水利測(cè)量工作中不斷提高了精度要求。雖然在一般情況下GPS 技術(shù)可提供的精度較高，但在特殊情況下，若障礙物對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成一定程度的影響時(shí)，將導(dǎo)致誤差的發(fā)生。尤其是在應(yīng)用于水利測(cè)量工作中，很多原因都造成實(shí)際誤差高于理論分析誤差的程度。

二是在水利測(cè)量中GPS 應(yīng)用只有較小的力度。隨著電子水準(zhǔn)儀和電子全站儀等一些測(cè)量設(shè)備的不斷發(fā)展，在水利測(cè)量工作中可使基本測(cè)量要求得到滿足。而因GPS 測(cè)量設(shè)備具有較高的價(jià)格，對(duì)測(cè)量人員也具有較高的技術(shù)要求，對(duì)于水利測(cè)量工作中GPS 的廣泛應(yīng)用造成一定程度的影響。

三是有關(guān)測(cè)量人員不具有較高的技能水平。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)而言，在測(cè)量中GPS 技術(shù)只有較短暫的應(yīng)用時(shí)間，很多測(cè)量技術(shù)人員對(duì)其操作技能還無(wú)法完全掌握。所以，造成GPS的各種優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮出來(lái)，在一定程度上降低了測(cè)量效率，甚至在測(cè)量工作中發(fā)生一些錯(cuò)誤，對(duì)于順利實(shí)施工程建設(shè)造成不利影響。另外，因缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí)，在測(cè)量工作中發(fā)生很多小問題，有關(guān)人員對(duì)小問題的處理缺乏及時(shí)性，對(duì)于水利工程測(cè)量工作中GPS 的廣泛應(yīng)用也造成不利影響。

6 GPS 的發(fā)展趨勢(shì)

6.1 工作態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，偶然誤差盡可能減少

各種測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用過程中都難免存在一些偶然誤差，但可采取一定措施盡可能減小偶然誤差。為獲得質(zhì)量較高的測(cè)量數(shù)據(jù)，一定要在工作中采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，使工作責(zé)任心不斷提高，將偶然誤差盡可能減少，從而使測(cè)量準(zhǔn)確性不斷提高。

6.2 在水利測(cè)量中加大GPS 的應(yīng)用推廣力度

雖然在水利測(cè)量工作中GPS 具有效率高、精度高、成本低、無(wú)需相互視通等明顯優(yōu)勢(shì)，在水利測(cè)量工作中今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)GPS 的宣傳力度，使GPS 在水利測(cè)量中不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

6.3 對(duì)測(cè)量技術(shù)人員加強(qiáng)培訓(xùn)，使其測(cè)量技能進(jìn)一步提高

只有將GPS 測(cè)量的基本操作技能深入掌握，才能開展水利測(cè)量工作中充分利用GPS 的優(yōu)勢(shì)，要求有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)個(gè)人在相關(guān)專業(yè)知識(shí)方面的學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高相關(guān)業(yè)務(wù)素質(zhì)。一是提高操作速度，在上崗前要求操作人員應(yīng)加強(qiáng)練習(xí)，直至符合工作崗位的實(shí)際要求方可上崗工作。二是操作應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)確，盡可能減少各種失誤。基于操作速度，提高對(duì)操作員操作質(zhì)量的重視程度，避免由于人為原因造成測(cè)量工作中出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而使工程產(chǎn)生更嚴(yán)重的失誤。三是擴(kuò)大知識(shí)面，在發(fā)生一些小問題時(shí)，應(yīng)總結(jié)分析積累經(jīng)驗(yàn)，避免對(duì)技術(shù)人員的依賴性，從而造成測(cè)量速度降低的情況。

綜上所述，通過對(duì)水利測(cè)量應(yīng)用中GPS 常見問題的分析，并展望了水利測(cè)量應(yīng)用中GPS 的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高GPS 在水利工程中的應(yīng)用水平具有十分重要的促進(jìn)作用。