數字化測繪技術在大型水利工程中的應用研究

劉佳城

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

常規測繪方法的測量效率不高，且無法保證其測量精度，而數字化測繪在保障測量精度的同時，還可提高測繪效率，近年來，許多專家學者針對數字化測繪開展相關研究。

杜麗雯等人[1]以某水利樞紐為研究對象，基于GPS數字化測繪技術，開展水利樞紐大壩的測繪工作，結果表明，該方法的測量精度較高。張杰等人[2]以某礦山地質工程為研究對象，基于數字化測繪技術，提高其測繪效率，研究結果可為相關工程測繪提供依據。梁標麗[3]基于GPS高程擬合技術，對某建筑工程的測量精度進行分析，結果表明，該技術可顯著提高測量精度和效率。陳文坤等人[4]以某水利工程為研究對象，基于數字化技術，對該工程的測繪精度進行分析，結果表明，該技術的測繪精度滿足相關規范的要求。魏超[5]分析影響數字化測繪效率的影響因素，結果表明，監測點的布置方式對其測量效率的影響較大。

本研究以某水利樞紐為研究對象，采用GPS數字化測繪技術進行測繪，通過差分處理的方法對該工程的觀測結果進行處理，分析GPS數字化測繪技術的測繪精度及應用的可行性。

1 工程概況

本研究以某水利樞紐為研究對象，該水利樞紐是一宗以防洪、供水、灌溉為主，兼顧發電等綜合利用的I等大(1)型工程，設計軸線總長為2993.6m，壩址以上集雨面積749km2，總庫容4.68億m3，年城市供水1.94億m3，灌區干渠總長87.6km，總灌溉面積9.92萬畝，年灌溉水量1.3億m3；年平均發電量3760萬kw·h。主要工程建筑物由攔河壩、溢洪道、引水隧洞及發電廠房組成。設置64孔泄水閘，其中，孔口凈寬26m的常規泄水閘60孔，孔口凈寬60m的大孔泄水閘4孔，閘底板高程分別為0、2、4m。樞紐左岸設置3線單級船閘，船閘級別為I級，閘室有效尺度采用280m×34m×5.5m(長×寬×最小檻上水深)。

2 水利樞紐工程壩型數字化測繪

本研究以某水利樞紐工程為研究對象，采用GPS數字化測繪技術，對該工程進行測繪，并分析GPS數字化測繪技術的測繪精度。通過差分處理的方法對該工程的觀測量進行處理，差分觀測方程如式(1)所示。

Δ1·IP(t))-(Δ2·T(t)-Δ1·T(t))]

(1)

式中，f—頻率，Hz；c—光速，取299792.458km/s；ηti(t)—接收機到觀測站的幾何距離，km；λi(t)—衛星到觀測站的幾何距離，km；Δi·IP(t)—衛星信號受到傳播距離影響的程度。

3 結果分析

為分析GPS數字化測繪技術的測繪精度，研究該技術在測量基線長度時的誤差，星歷給出的衛星在空間的位置與實際位置存在一定的差異性，會造成定位的系統誤差，所以，還需分析衛星星歷誤差對該技術測繪精度的影響，其基線長度-誤差曲線如圖1所示。由圖可知，不同星歷誤差下的基線長度-誤差曲線具有一致性，其基線長度與誤差間呈正相關關系，隨著基線長度的增大，GPS數字化測繪的誤差逐漸增大，說明當測繪范圍較大時，采用GPS數字化測繪技術得出的測量誤差較大，為保證該技術側測量精度，應盡量縮小其測繪范圍。對比不同星歷誤差下的測繪誤差可得，在同一基線長度下，星歷誤差與測繪誤差間呈正相關關系，說明星歷誤差對GPS數字化測繪技術的測繪精度存在顯著的影響；且當基線長度較小時，不同星歷誤差下的測繪誤差差值較小，隨著基線長度的增大，不同星歷誤差下的測繪誤差逐漸增大，說明當測繪范圍較大時，星歷誤差的變化對GPS數字化測繪誤差的影響較大，在實際工程中，當測繪范圍較大時，采用GPS數字化測繪技術得出的測繪結果誤差較大，為提高測繪精度，可降低星歷誤差來提高測繪的準確性。

圖1 基線長度-誤差曲線

靈敏度橢圓半徑可用于表征測繪結果的靈敏性，當其值越大時，表明測繪結果的靈敏性較差；而基線可用于精確測量長度，為分析基線數量對GPS數字化測繪靈敏度的影響，分析不同基線數量下，靈敏度橢圓半徑的變化規律，其GPS控制網點-靈敏度橢圓半徑曲線如圖2所示。由圖可知，在同一基線數量下，不同GPS控制網點的靈敏度存在一定的差異性，說明測繪地段會影響測繪的靈敏度。對比不同基線數量下的靈敏度橢圓半徑可得，在同一GPS控制點下，基線數量與靈敏度橢圓半徑呈負相關關系，當基線數量為10條時，GPS數字化測繪的靈敏度橢圓半徑最大，當基線數量為30條時，GPS數字化測繪的靈敏度橢圓半徑最小，說明基線數量對于GPS數字化測繪的靈敏度存在顯著影響；且當基線數量較大時，不同基線數量下的靈敏度差值較大，增大基線數量可提高GPS數字化測繪過程的靈敏度及測繪可靠性，在實際工程中，選取合適的基線數量有利于提高GPS數字化測繪的測繪效果。

圖2 GPS控制網點-靈敏度橢圓半徑曲線

通過差分處理對GPS數字化測繪數據進行處理可提高其測繪精度，為分析差分處理對測繪精度的提升效果，以30條基線數量的GPS數字化測繪數據為研究對象，分析不同差分處理次數后的測量誤差，其x方向的監測點序號-測量誤差曲線如圖3所示。由圖可知，不同監測點的測量誤差具有一定的差異性，其中，當進行1次差分處理后，監測點5的測量誤差最大，其值為35.2mm；監測點1的測量誤差最小，其值為31.7mm，不同監測點間的誤差差距較小，說明采用GPS數字化測繪得出的測繪結果精度較為穩定。對比不同差分處理次數下的測量精度可得，當進行3次差分處理后，采用GPS數字化測繪得出的測量誤差最小，其平均測量誤差小于10mm；進行1次差分處理的測量誤差最大，其平均誤差為33.6mm，說明通過差分處理對GPS數字化測繪數據進行處理可提高其測繪精度，且差分處理次數越多，其測繪精度越高。

圖3 x方向的監測點序號-測量誤差曲線

其y方向的監測點序號-測量誤差曲線如圖4所示。由圖可知，當進行1次差分處理后，監測點5的測量誤差最大，其值為41.1mm；監測點2的測量誤差最小，其值為30.2mm。對比不同差分處理次數下的測量精度可得，差分處理次數與GPS數字化測繪精度呈正相關關系，當差分處理次數較大時，采用GPS數字化測繪得出的精度較高，當進行3次差分處理時，個監測點的測量誤差均小于10mm。說明對GPS數字化測繪數據進行差分處理可提高其測繪精度，且差分處理次數越多，其測繪精度越高。

圖4 y方向的監測點序號-測量誤差曲線

其z方向的監測點序號-測量誤差曲線如圖5所示。由圖可知，z方向的平均測量誤差大于x方向、y方向的平均測量誤差，說明采用GPS數字化測繪技術對于平面測繪的精度較高，對于高程等豎向測量的精度較差。對比不同差分處理次數下的測量精度可得，當差分處理次數較大時，采用GPS數字化測繪得出的精度較高，當差分處理次數較小時，采用GPS數字化測繪得出的精度較低，說明對GPS數字化測繪數據進行多次差分處理，有利于提升其測量精度。綜合以上分析可得，差分處理對于x、y、z方向GPS數字化測繪的測量精度均有顯著的提升效果，且差分處理次數越多，其測繪精度越高；因此，可采用差分處理的方式提高測繪精度[6]。

圖5 z方向的監測點序號-測量誤差曲線

4 結論

本文以某水利樞紐為研究對象，采用GPS數字化技術進行測繪，對觀測結果進行差分處理，分析測繪精度，得出以下結論。

(1)不同星歷誤差下的基線長度-誤差曲線具有一致性，基線長度與誤差間呈正相關關系，隨著基線長度的增大，GPS數字化測繪的誤差逐漸增大，為保證該技術測量精度，應盡量縮小其測繪范圍。

(2)不同監測點間的誤差差距較小，采用GPS數字化測繪得出的測繪結果精度較為穩定。對測繪數據進行差分處理可提高其測繪精度，差分處理次數越多，測繪精度越高。