探究水利水電工程測量中GPS RTK技術的有效應用策略

胡浩明

廣東水電二局股份有限公司 廣東 廣州 511340

引言

為了進一步提高我國水利水電工程建設質量，必須要做好施工放樣和地面測量等工作，從技術和管理等層面來提高水利水電工程測量精確度和可靠性。當前我國的實時定位應用較為普遍，但是在一些大型水利水電工程測量中仍然存在測量數據不夠精確，檢測過程存在漏洞等問題，而GPS RTK技術在水利水電工程測量中的應用可以有效解決測量數據不精確問題，進一步提高水利水電工程測量工作的精細化水平。

1 GPS RTK技術介紹

隨著時代的發展，過去傳統的測水準、測距和測角等的測量手段逐漸被GPS技術所取代，GPS定位技術由于具有較高的精確性和效率，其應用范圍越來越廣泛。GPS RTK技術高效穩定，操作簡便，應用時功耗較小，同時也能保持良好的性能。GPS RTK技術原理是基于移動站和基準站的設定進行載波相位觀測。基準站除了跟蹤載波相對測量外，還能夠借助數據鏈將觀測值等數據信息進行對外傳輸發送。相關人員基于基準站點的基線向量進行實時計算，通過參數轉換以及投影方式來計算和標注流動站坐標。

1.1 儀器配置

Trimble5700雙頻GPS兩臺套的動態平面定位精度是10mm±2ppm，高程定位精度為20mm±2ppm；一套25W數傳電臺；一臺HD—17型數字測深儀，測深精度±2cm+1‰×H；一臺筆記本電腦；一艘測船。

1.2 GPS系統組成

GPS利用衛星測時和測距，構成全球定位系統。工作衛星和備用衛星分別在六條與赤道平面構成55°角的軌道上運行，每個軌道平面配備有三顆衛星，衛星軌道呈圓形，軌道周期為12小時，有效保證衛星發射的頻率。除了空間部分的工作衛星和備用衛星，GPS系統的地面支撐系統也起到重要作用。地面支撐系統包括主控站、全球監測站、地面控制站，從而有效跟蹤衛星運行軌跡和測定時間等。

1.3 RTK技術優勢

RTK技術操作簡便，能夠進行海量數據處理。在進行測量時，一般是一人觀測一人記錄，所以只需要一位工作人員便可以進行測量儀器的操作，同時測量過程需要做好限差的設定，從而進行更好進行數據的取舍和記錄。單獨一人在GPS RTK技術助力下便可以進行坐標值的計算，而且GPS RTK受到外部環境影響較小，比較適合全天候的作業。在應用過程中可以提高作業的自動化水平，擴大使用范圍，提高定位的精確度和可靠性。

1.4 GPS RTK誤差分析

GPS RTK技術應用中存在誤差，誤差的來源除了儀器設備等的干擾，還來自較遠的距離干擾，如圖1所示。對此，進行儀器設備干擾的排除可以通過矯正的方式進行，而因為較遠距離所帶來的較大誤差可以通過多基站技術來減小誤差，消除障礙。一般來說，天線機械中心和相位中心并不重合，而且隨著相位中心的變化坐標點也會隨之變化，出現坐標點一定范圍內的誤差。這種誤差可以通過天線檢驗矯正的方式進行消除。GPS RTK應用中多路徑誤差較為嚴重，這種誤差是因為天線周圍復雜的環境導致，甚至會存在5～10cm的較大誤差范圍。對于該種誤差的消除是通過選擇較為開闊的點位進行有效規避。GPS RTK技術的應用較為容易受到信號干擾和天氣變化干擾，需要保持基準站應與無線電發射臺、高壓線的適當距離，盡量避免在惡劣天氣進行GPS RTK技術的應用[1]。

圖1 GPS RTK誤差來源

2 GPS RTK技術在水利水電工程中的應用價值

如表1所示，相比于傳統測量技術，GPS RTK準確性更高，測量范圍可以進行無限延長，測量的時間也大大縮短。

表1 傳統測量技術與GPS RTK測量技術對比表

2.1 提高測量數據的精確性

GPS RTK技術的應用相比于傳統測量技術可以大大提高測量數據的精確性，從而降低測量工作的難度，提高測量工作的質量。實際水利水電工程測量工作開展中，GPS RTK技術測量水平甚至可以達到96%。

2.2 擴大測量范圍

GPS RTK技術應用可以有效拓寬測量范圍，實現海陸空等全方位的測量工作高效開展，與傳統測量技術相比具有無限延長的測量范圍[2]。

2.3 測量時間短

傳統測量方式進行水利水電工程測量一般需要耗時一個月，而應用GPS RTK技術則可以將測量時間控制在一周之內，合理控制測量的人工成本投入。應用GPS RTK技術，還能夠對測量工作進行自動化處理，提高測量的準確性和可靠性，優化測量工作發展機制。應用GPS RTK技術可以有效避免外界環境因素的干擾，更容易實現預期測量工作目標。

3 關于GPS RTK技術在水利水電工程測量中的應用要點探討

3.1 斷面的測量

水利渠道工程運算工作的開展需要借助縱橫斷面圖來計算土石方量。應用GPS RTK技術將設計線形進行傳輸，RTK手簿中得到傳輸的設計線形后再進行渠道樁號提供，渠道的縱向放線、橫向放線以及中線距離等的提供，極大方便了斷面高程點施工測量[3]。

3.2 施工放樣

一般來說，全站儀放樣不能僅靠一位工作人員便可以順利完成，一般需要三個左右的工作人員進行距離放樣與方向放樣，而且對于全站儀的通視情況有著較高的要求。采取PTK放樣不僅可以直接進行坐標對接，還能夠實現復雜曲線和直線放樣，將放樣對象擺放在同一直線上，避免了坐標位置問題，該功能再拆遷放樣中發揮著積極作用。水利水電工程施工中可能會面臨同時測量與障礙等問題，需要根據實際情況來增加放樣點，而RTK直線放樣在一定程度上避免了測量中的障礙問題[4]。

3.3 控制測量

我國幅員遼闊，不少水利水電工程的建設位于較為偏遠的地區，而且在實際建設中存在高等級控制點數量的限制，進而影響到測量工作的順利開展。GPS RTK技術的應用可以高效處理渠道和河道等特殊地形，進行橫斷面和縱斷面的測量。采用GPS RTK技術在提高工作效率的同時也有效控制成本投入，實現了各項資源的充分利用。

3.4 地形的測量

不少水利水電工程需要進行現場選址，在進行位置確定之前需要經過長時間的參考探討，合理分析高程坐標數據，進而才能做好工程現場選址。GPS RTK技術能夠快速定位和坐標確定，在小片地形勘察中發揮著較大的價值，獲得較為理想的現場選址效果。GPS RTK技術進行場地測量能夠獲得較為精確的數據資料，有效解決連續站積累誤差問題。應用GPS RTK技術進行地形測量可以節約人力資源的投入，確保定位的精確性[5]。

3.5 對水利水電的巖體進行測量

大壩壩體挖方施工后，壩基的巖體會出現移動，松弛度也會發生變化，尤其是在壩基的地應力部分。為了確保壩體基礎巖層的應用，需要全面考慮壩基巖體所具有的較強卸荷度，保護基礎巖層的應用價值。掌握并遵循基巖體的聲速波率和壩體推移時間的遞減變化規律，合理分析大壩壩基巖體預應力變化所帶來的重力荷載變化以及松弛度變化。進行水利水電工程巖體測量還可以在大壩的基面設置安裝監測站，分析水利大壩的基面情況，規范測量分析路徑。同時，還要明白大壩巖體基層的測量結果也是隨時發生變化的，跟隨測量實踐發展而變化，巖層也會受到影響[6]。

4 關于提高GPS RTK測量精確度的有效措施探討

4.1 提高精度的要求

為了進一步提高GPS RTK測量精確度，需要選擇較高的位置進行基準站建設。與此同時，還要不斷提高基準線對天線進行發射的高度。聯合測量的控制點選擇上最好應用已經建設完成的國家高等級三角點、GPS點。進行測設時需要仔細查閱衛星星歷預報，擇優選擇衛星數量多，有著較好分布狀態的時間段進行。適當延長測設點時間，穩定測量數據結果，盡可能保持流動站天線的垂直狀態。采用定向天線方式來提高作業距離，控制流動站的作業半徑在合理范圍內，一般不超過10km，使得信號能夠在某一方面進行集中。如果確定好合適的方向，那么會有效提高作業距離。此外，為了顯著提高作業距離，還可以設置電臺中繼站，在一定距離上增加中繼站電臺，在接收數據的同時也能夠發射數據。電量方面，要確保供電電瓶數量足夠，轉換參數求取時，認真檢查各個控制點坐標，做好坐標轉換欄值的檢查，確保數據值在合理范圍內[7]。

4.2 明確GPS RTK技術局限性

GPS RTK雖然具有較大的優勢，但是仍有其局限性，主要來自于GPS系統。GPS全球定位系統依賴于高空中的衛星信號，由于距離較遠所以信號弱且頻率高，很容易因為長距離中存在的障礙物而影響數據的輸送和接收。如果衛星和GPS接收機的路徑中存在障礙物，那么系統的操作則會受到影響。舉例來說，房屋會屏蔽衛星信號，所以GPS的使用一般在戶外進行，從而避免房屋建筑的信號屏蔽。此外，在水下作業以及隧道作業中也不能使用GPS，因為會出現信號反射、折射等問題。在一些較為偏僻的深山老林中也很難接收GPS信號，而對于位置的計算必須要基于較強的信號，否則很容易出現定位的偏差[8]。

5 結束語

水利水電工程測量中離不開GPS技術的應用，隨著時代的發展，GPS技術為滿足各行各業發展不斷創新升級，GPS RTK技術在水利水電工程測量中的應用便是GPS技術創新的結果。在GPS RTK技術應用中應該明確其存在測量局限性，制定針對性的測量方案，從而更好發揮GPS RTK技術優勢。