GPS技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用

金林海

（中國水利水電第三工程局有限公司第二分局,陜西 安康 725300）

為滿足更多的社會需求，水利工程數(shù)量也在逐漸增多，在為人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r還帶來了諸多的經(jīng)濟與社會效益。建設(shè)水利工程，關(guān)鍵在于各項數(shù)據(jù)的科學(xué)測量，只有在這一基礎(chǔ)上，才能選擇合適的工程建設(shè)設(shè)計方案，從而更好地進行工藝比對以達到保證質(zhì)量、降低施工成本的工程目標(biāo)。在對水利工程進行放樣測量的工程中，應(yīng)嚴(yán)格控制測量環(huán)節(jié)以最大程度地提高數(shù)據(jù)測量的應(yīng)用效果。一旦測量數(shù)據(jù)與實際情況出現(xiàn)較大偏差，很容易影響后續(xù)施工方案的施工效果，導(dǎo)致無效施工成本增加甚至返工處理，影響施工周期。因此，為保證施工質(zhì)量應(yīng)結(jié)合GPS技術(shù)對工程各區(qū)域數(shù)值進行準(zhǔn)確測量，從而保證后續(xù)工程的實際應(yīng)用效果。

1 GPS技術(shù)概述

GPS的全稱是全球定位系統(tǒng)，通過導(dǎo)航衛(wèi)星能夠?qū)δ繕?biāo)進行實時測距，具有定時、全天候以及導(dǎo)航定位等多種系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢。由于技術(shù)的應(yīng)用特殊性使其保密性與抗干擾性均符合用戶的三維坐標(biāo)確定需求，同時也給各項工程的數(shù)據(jù)測量確定提供了極大的幫助[1]。而隨著GPS接收機性能的逐漸提升，近年來其工作覆蓋面也在逐漸拓寬，無論是軍工生產(chǎn)還是日常生活應(yīng)用，GPS技術(shù)均起到了十分重要的作用。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與外業(yè)施工測量是GPS技術(shù)應(yīng)用的重要部分，在二者的協(xié)同作用下可保證測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時其也是充分發(fā)揮GPS技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢的重要基礎(chǔ)，為后續(xù)的實際應(yīng)用過程提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2 GPS系統(tǒng)組成

GPS技術(shù)應(yīng)用效果主要由兩個部分提供，分別是空間衛(wèi)星群與地面監(jiān)控系統(tǒng)。此外，有GPS技術(shù)應(yīng)用需求的部分用戶也有對應(yīng)的衛(wèi)星信號接收設(shè)備。

（1）空間衛(wèi)星群。這一部分由大約24顆高度約20萬km的衛(wèi)星組成，按照設(shè)計軌道分布于6個軌道平面，各軌道平面之間的角度約為60°，與其赤道之間傾角約為55°，并規(guī)定運行周期，從而保證隨時能夠接收到衛(wèi)星共同定位發(fā)出的聯(lián)合信號。

（2）GPS地面控制系統(tǒng)。其主要由監(jiān)測站、注入站以及主控站組成。主控站是以監(jiān)控站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息反饋為基礎(chǔ)，計算衛(wèi)星星歷與衛(wèi)星鐘，隨時調(diào)節(jié)參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)按照不同需求將其注入衛(wèi)星以對衛(wèi)星進行控制與發(fā)布指令[2]；監(jiān)控站主要接收衛(wèi)星在預(yù)定軌道上的反饋信號，并實時監(jiān)測衛(wèi)星的工作情況；注入站的作用是在主控站對數(shù)據(jù)進行計算分析后，將其按照用戶需求注入衛(wèi)星以完善其功能。

（3）GPS的用戶。最終應(yīng)用部分主要由接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及用戶設(shè)備組成（例如智能手機、計算機以及專業(yè)的氣象監(jiān)測儀器等），其能夠按照用戶需求實時接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，并按照反饋而來的信息實現(xiàn)導(dǎo)航或數(shù)據(jù)測量的功能。

3 GPS工作原理

作為一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)在有需要的位置點將GPS接收機架設(shè)完畢，并在既定時刻接收衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航信號，經(jīng)由系統(tǒng)與設(shè)備共同處理最終得出準(zhǔn)確的衛(wèi)星距離。聯(lián)合應(yīng)用衛(wèi)星星歷不僅能夠提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，還能快速確定該時刻下衛(wèi)星空間的三維坐標(biāo)。一般來說，GPS在實際測量過程中包含兩種類型的坐標(biāo)系統(tǒng)，分別為空間固定與地球體固聯(lián)，兩種系統(tǒng)聯(lián)合使用共同組成地固坐標(biāo)系統(tǒng)，按照實際使用需求轉(zhuǎn)變坐標(biāo)間參數(shù)以快速定位坐標(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確坐標(biāo)[3]。這樣不僅能夠達到預(yù)定的坐標(biāo)處理與導(dǎo)航結(jié)果，還為工程施工過程中各區(qū)域的數(shù)據(jù)確認提供了極大的幫助。

4 GPS測量優(yōu)勢

GPS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在多個方面。（1）耗時短。GPS系統(tǒng)隨著技術(shù)的更新也在不斷完善，例如想要對20km以內(nèi)的坐標(biāo)進行靜態(tài)定位僅僅需耗時15～20min，這個時間相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)確定過程有著極大的提升。若流動站與基準(zhǔn)站距離非常近，二者距離在15km以內(nèi)僅僅需耗時1～2min就能完成定位測量，并能對各個位置進行隨時定位，后期在處理數(shù)據(jù)并進行應(yīng)用時甚至僅僅需要幾秒鐘。（2）測站之間無須通視環(huán)節(jié)。各個測量站之間的相互通視一直以來都是工程數(shù)據(jù)確定以及保持?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。而利用GPS系統(tǒng)不僅方便了各個控制點位的選取，同時還提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。GPS技術(shù)的應(yīng)用特殊性使其上方需具有開闊特性，以避免干擾到衛(wèi)星信號的接收過程。（3）三維坐標(biāo)的提供。無論是平面還是高程均需要在經(jīng)典大地測量的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況選擇不同的測繪方式，從而快速定位各個站點的三維坐標(biāo)。當(dāng)前的GPS系統(tǒng)的應(yīng)用水平基本能符合四等水準(zhǔn)測量要求。（4）操作簡單。相較于其他定位測量工具，GPS系統(tǒng)的集成度非常高，具有自動化的應(yīng)用特征，信號接收環(huán)節(jié)甚至能夠?qū)⒅悄苁謾C作為臨時接收設(shè)備，操作流程也極為方便。小型的信號接收機只需天線對中，并量取適當(dāng)天線高度后就能夠打開電源繼而完成自動的信號觀測，隨后將觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件便可自動生成三維坐標(biāo)，無論是衛(wèi)星信號捕獲還是后續(xù)的跟蹤加測均能在儀器的輔助下自動完成。（5）隨時待命作業(yè)[4]。GPS系統(tǒng)在應(yīng)用環(huán)節(jié)不受空間與時間的限制，受周圍環(huán)境因素的影響幾乎可以忽略不計，這使其具有全天候待命工作的應(yīng)用特性。（6）功能多。GPS系統(tǒng)不僅可以用于工程數(shù)據(jù)測量與導(dǎo)航，還可以測量速度與時間，其獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果往往也能滿足一定的精度要求。

5 GPS技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用特點

在水利工程中，保證工程的建設(shè)效率十分重要，但由于所在區(qū)域不同而使施工難度較大，在對施工過程進行管理時也較為困難。而利用GPS系統(tǒng)不僅能為工程的建設(shè)提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，也能為運行過程中水利工程建筑的數(shù)據(jù)變化實時監(jiān)測提供可能。

5.1 平面控制測量

傳統(tǒng)測量技術(shù)下的導(dǎo)線測量在GPS系統(tǒng)的應(yīng)用下完全被摒棄，根據(jù)工程的實際情況可以選擇合適的技術(shù)用于動態(tài)定位技術(shù)控制網(wǎng)測量，從而實現(xiàn)點位的快速確定。高精度是其應(yīng)用的主要特征，GPS系統(tǒng)在50km范圍內(nèi)應(yīng)用時得出的數(shù)據(jù)精度較高。

5.2 放樣測量

采取RTK進行放樣測量需要首先確定放樣點坐標(biāo)，并將所得參數(shù)進行轉(zhuǎn)化后將其導(dǎo)入GPS流動站中，隨后進行施工放樣操作，偏差基本可以控制在5cm以下。放樣需根據(jù)中心線彎道元素編制中心線文件，隨后將其坐標(biāo)統(tǒng)一輸入GPS系統(tǒng)的流動站接收機，根據(jù)所得樁號與中心線的各項數(shù)據(jù)最終確定放樣點。

5.3 航空攝影測量外業(yè)像控

圍繞水利工程進行測試的測量區(qū)域通常具有條帶狹長特性，測量區(qū)域的林木茂密使得通視條件極差，針對這一區(qū)域進行的像控點布設(shè)需要具備分散特征，這就使不同像控點之間的距離較遠。而應(yīng)用傳統(tǒng)控制測量方式不僅需要耗費大量的精力與時間，其質(zhì)量與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度也無法保證。在這種情況下利用GPS技術(shù)則能較好地解決這一問題，短時間測量的應(yīng)用優(yōu)勢使其能夠快速完成外業(yè)像控點采集。

5.4 高程測量

將測量資料與水準(zhǔn)測量資料相結(jié)合的方式，使得區(qū)域性大地水準(zhǔn)面高程的確定變得十分簡單，而想要應(yīng)用這種方式進行測量則要求對應(yīng)觀測點應(yīng)具有足夠的水準(zhǔn)測量資料，且需要各部分密度適當(dāng)、分布均勻。具有高精度特性的GPS定位技術(shù)能夠快速確定大地高程差，并根據(jù)已經(jīng)建立的大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模型找出其中存在的異常差值。

6 水利水電工程在GPS技術(shù)下的測量應(yīng)用分析

6.1 控制網(wǎng)設(shè)計

控制網(wǎng)設(shè)計是GPS技術(shù)的典型功能。在應(yīng)用GPS技術(shù)設(shè)計控制網(wǎng)時，誤差減少使得對應(yīng)的圖形精度提升。測圖環(huán)節(jié)需遵循整體至局部的測繪原則，圍繞控制網(wǎng)進行完善的設(shè)計極為重要，涵蓋的基本圖形包括三角形網(wǎng)與環(huán)形網(wǎng)。其中三角形網(wǎng)具有分布均勻的特性，結(jié)構(gòu)條件良好且具有較高的穩(wěn)定性。同時，自檢能力的加入也使其在發(fā)現(xiàn)測量缺陷或是測量錯誤的情況下，能夠及時發(fā)現(xiàn)其中的問題，從而保證控制網(wǎng)的建設(shè)可行性與應(yīng)用可靠性。但需要注意的是，三角形網(wǎng)的不足之處也較為明顯。由于施工量較大使其對于測量中接收機的數(shù)量有一定要求，以避免影響測量時間。而環(huán)形網(wǎng)機構(gòu)雖然綜合來看與三角形網(wǎng)有一定差距，但由于結(jié)構(gòu)獨立閉合環(huán)的構(gòu)成特性使得其安全性較高，關(guān)鍵問題是這一結(jié)構(gòu)相鄰點位之間的基線無法保證其準(zhǔn)確度，進而可能影響施工數(shù)據(jù)的最終確定。

6.2 控制網(wǎng)類型選擇與高程控制

控制網(wǎng)的類型通常需要根據(jù)實際情況進行選擇。例如地勢開闊或是大型水利工程，所應(yīng)用的控制網(wǎng)類型一般為三角網(wǎng)，這樣可以確保工程數(shù)據(jù)的精度滿足要求。但由于不同工程之間的地形地貌有所差距，若屬于丘陵山區(qū)則在地形環(huán)境的條件限制下建議應(yīng)用環(huán)形網(wǎng)，這樣既能提高工作效率，相較于其他控制網(wǎng)類型來說其施工成本也較低。

高程控制是水位線確定與推算的前提條件，不僅影響數(shù)據(jù)計算量，還影響水利工程造價預(yù)算，決定整體工程的穩(wěn)定性與安全性。處于高山河谷地帶的水利工程的位置特征使得其地形條件極為復(fù)雜，不僅坡度較陡，惡劣的環(huán)境也給高程測量工作帶來了較大難度。目前，高程測量普遍采用三角形高程測量方式，但耗時較長且需要定位的數(shù)據(jù)點較多，工作量較大。而在GPS技術(shù)的協(xié)助下，在提高平面精度的同時，還能顯著提高數(shù)據(jù)測量的精度。部分水利工程建設(shè)在居民區(qū)上游，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題將會給人民的生命財產(chǎn)帶來極大的威脅，因此對其進行變形監(jiān)測極為重要。利用GPS技術(shù)能夠按照設(shè)計圖紙要求將接收機固定在點位上，隨后進行數(shù)據(jù)采集處理以降低變形現(xiàn)象的發(fā)生風(fēng)險。

7 結(jié)束語

綜上所述，在水利工程中GPS測量技術(shù)應(yīng)用范圍極廣，其具有的耗時短以及精度高等優(yōu)勢使其隨著技術(shù)的更新與實踐被越來越多的工程數(shù)據(jù)測量人員所知曉。而在這一過程中，GPS技術(shù)也在不斷成熟，先進GPS系統(tǒng)的國產(chǎn)化也為我國的水利水電工程測量帶來了新的發(fā)展機遇。