GPS高程测量在水利工程中的应用

李吉华

(贵州省安顺市水利水电勘测设计院，贵州安顺561000)

GPS高程测量在水利工程中的应用

李吉华

(贵州省安顺市水利水电勘测设计院，贵州安顺561000)

随着水利工程建设规模的不断扩大，其工程测量问题变得越来越重要。进行有效的工程测量对于工程建设的质量以及安全具有非常重要的作用。随着科学技术的不断发展，GPS技术因其具有独特的优势被广泛的运用在工程测量中，因而GPS技术在高程测量在水利工程中的运用越来越广泛。文章主要以安顺市“引千入虹”水利工程为例，阐述了E级GPS高程测量技术在该水利工程中的运用。

水利工程;GPS;高程;测量;观测

1 工程概况

安顺市“引千入虹”水利工程项目位于安顺市西秀区，地处长江流域乌江水系与珠江流域北盘江水系宽缓分水岭的南侧，地理位置为E105°44'30″～106°21'31″，N25°56'32″～25°26'50″。

该工程地处长江流域和珠江流域分水岭地带，地表高程1 400～1 500 m。测区为一向南倾斜的丘陵盆地地形，地势总的较平坦，开阔洼地和谷地彼此相连。地貌类型主要为溶蚀作用造成的峰林谷地和残丘波地，为丘盆地区的岩溶溶蚀、侵蚀低山地貌。

安顺市“引千入虹”水利工程主要任务为:通过采取工程措施将千峰河(本寨取水口以上)、木档河(石古凼取水口以上)及棕树、洋坪水库的可利用水量引入虹山水库进行调节后向城区贯城河补水，从而改善安顺城区虹山山水库及下游贯城河的水环境状况，进一步美化安顺城区环境。本项目主要在测区布设E级GPS网。

2 E级GPS网的选点和埋石

点位原则上在设计图位置附近布设，在现场需要和委托方商议确定具体点位。所占用土地应征得土地使用者或管理者同意。

点位的选择除应遵循GPS点点位条件的基本要求外，还应注意下列要求:

1)新布设的E级GPS点应优先选择在需建设的主要建筑物附近。考虑到方便下一级导线发展的需要，各个E级GPS点宜有一个以上的E级GPS点与之通视。

2)点位应选择在交通方便，又有利于安全作业的地方。应尽量避免在主要道路边设点。

3)点位必须选在地基坚实，适合GPS观测并有利于长期保存的稳定区域。

4)点位应该具有比较好的环境，方便进行观测。选择的点位应该远离功率比较大的无线电发射源，必须控制相互之间的距离≤200 m;离1万V以上的高压电线≥50 m。

选择的点位一定范围内不应该存在水源或者其他一些能够干扰信号的物体(如金属广告牌等)，点位要尽量布设在四周开阔的区域，一般地区四周不得有高度角＞15°的障碍物，在个别困难地区，高度角可放宽至25°，但＞15°的障碍物其水平投影和应≤60°。

2.1 点名及编号

点名及编号有下列4点原则:

1)点名一般取居民地名称或地名，必要时可加上相关方位名称(如东、南、西、北等)形式，点名一般≤5个字。当利用国家控制点，点名利用原点名，新增GPS E级点点号，并在备注注明原控制点的属性、等级。

2)当点名中涉及生僻字时，取字义(音)较接近的字代替，并在点之记备注栏内用笔填写。

3)E级GPS点的编号按“N×××”表示，按自然数编号，从N001开始往后编，编号原则为自西向东、自北向南编排。

4)测区内所有控制点不得重名、重号，但允许跳号［1］。

2.2 上交资料要求

上交资料的要求主要有:

1)选点结束后应绘制测区E级GPS网选点图。

2)拍摄标石建造过程的照片。在标石建造的关键工序，应进行拍照反映标石埋设过程及反映其形状和尺寸及整饰是否规范。像片中的标尺应该规范、清晰，拍摄基础照片的相机与标石的角度以45°为宜。拍照要求如下:

1)标石坑照片:挖好基坑后拍照，反映出标石坑大小。

2)标石埋设后或标石浇灌后照片:反映标石形状和尺寸是否规范;

3)标石埋设位置照片:标石埋设完成后，应拍照反映标石埋设位置的全景地貌。

4)利用原有控制点时，照片只需拍摄标石埋设位置照片。

在埋石工作完成后用Word软件对对每个GPS点的点之记进行图形的绘制以及相关数据的整理，然后利用A4纸将图片打印出来，必须保证内容完整与美观。

3 仪器及检验

主要包括2个方面的内容:

3.1 GSP接收机

本项目的GSP接收机将采用 SOUTH9600型和SANDINGT20型，共投入8台套。

3.2 检定和维护

项目中所用的GPS接收机及天线都必须按照按照相关规范进行测前、测后检验，检验符合相关要求之后并且在有效期内才能够进行使用。在对其进行使用的过程中一旦发现存在异常情况，那么应立即进行检验。

4 E级GPS网的观测

E级GPS网的观测包括5个方面的内容:

4.1 观测方案

本测区采用同步环边连接GPS静态相对定位观测模式，时段长度1 h，采样间隔10～30 s，卫星高度截止角 15°，PDOP≤6。

4.2 观测的技术要求

观测的技术要求有主要以下3点:

1)观测时间段可在1 d(UTC时间)中任意选取。

2)观测过程中，若出现天气突变等情况应放弃观测，在合适的天气条件下，重新观测一个完整时段。如果在雷雨季节进行观测时，使用相关仪器设备时一定要注意雷电，防止雷击事件的产生。

3)观测前，要求进行严格整平和对中，相关设备和仪器的操作和规定的要求。采用光学对点器对中并使用垂球进行检核，对中误差应＜2 mm。天线定向标志线应指向正北［2］。

4.3 数据下载与存储

1)每一个观测时段的观测数据应及时下载，下载之后应及时将观测得到的数据进行转换成为RINEX格式文件，以此对下载的原始数据进行正确性的检查。

2)每天的原始数据使用1个子目录。

3)所有原始数据和标准的Rinex格式数据应在现场复制两套，一套存贮在移动硬盘中，一套保存在计算机中。

4.4 外业数据质量检查

数据质量检查采用TEQC软件进行检查，检查内容包括:

1)观测数据总量是否达到规定要求;数据可利用率;GPS接收机钟漂移率;L1，L2频率的多路经效应影响。

2)在检查过程中如发现双频GPS接收机钟漂移率＞0.001秒或者单频GPS接收机钟漂＞0.02 s，则需要重新设置GPS接收机参数;当数据可利用率＜80%，要找出原因，以确定是否重测。

4.5 观测的记录

E级GPS点野外观测手簿及填写格式按照规范中的格式统一制印和填写。

5 数据处理

5.1 解算基线向量

基线解算采用随接收机配备的商用软件TGO1.6，所需要的起算点坐标采用GPS单点定位观测的平差值提供的WGS-84坐标，采用广播星历，单基线处理模式。

5.2 检核基线质量

1)基线平差计算验后均方差 rms值宜 ＜0.010 m。固定双差解质量因子ratio值宜＞3。计算同一时段观测值的数据剔除率应＜10%。

2)E级网采用单基线处理模式时，对于采用同一种数学模型的基线解，其同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差不超过6×10-6，环线全长相对闭合差不超过10×10-6。

3)对于采用不同数学模型的基线解，其同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差按独立环闭合差要求检核。

4)无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构成独立环，各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式规定:

式中:n为独立环中的边数;σ为相邻点间弦长精度，根据相应等级精度要求(a、b)计算;W为环闭合差。

5.3 GPS网平差

1)GPS网平差软件采用随接收机配备的商用软件TGO1.6。

2)GPS网无约束平差。

整网观测基线解算工作结束后，选取合格的独立基线组GPS基线向量网，以其中一个点的WGS—84系三维坐标作为起算依据，进行无约束平差，以检验空间向量网的内符合精度、再次检验组网基线是否存在粗差基线。

平差结束后，应有无约束平差的结果综述文件，弦长相对中误差文件形成并保存作为精度统计依据文件。

在无约束平差中，基线向量的改正数绝对值应满足下式要求:

3)GPS网约束平差。

在三维无约束平差结束后，将质量可靠的GPS空间向量网分别投影变换至本次测量采用的参心坐标系。

在平差前检核起算点的兼容性，固定联测的三角点的平面坐标进行平面网的整体二维约束平差，留部分三角点作外部检核。若外部检核通过，则固定所有联测点成果再进行约束平差，获得GPS网的参心坐标系成果。

在约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合下式要求:

dVΔx≤2σ，dVΔy≤2σ，dVΔz≤2σ (4)

平差结束后，应对平差后点位中误差、方位角中误差、边长相对中误差进行分析统计，并在最后技术小结中予以总结。

4)GPS高程拟合。

利用GPS网中经四等水准联测的若干个点的正常高和在WGS-84坐标系下进行GPS网三维无约束平差所获得的对应各点的大地高平差值，确定这些水准点的高程异常，据此拟合测区的似大地水准面。

根据拟合所得的似大地水准面，利用在WGS-84下进行GPS网三维无约束平差所获得的各点的大地高平差值计算其余各点的正常高。

若某些GPS控制点不便于联测四等三角高程则采用GPS高程拟合的方法求得该点的高程。

6 结语

随着水利工程勘察技术的不断提高，GPS在水利工程测量中的运用将会越来越多，越来越广泛，使用GPS测量技术，不仅提高了测量效益，还进一步提高了测量的精度，今后GPS在水利工程中还会有更加广泛的运用。

［1］严秀夫，谭文辉.浅论GPS在工程测量中的应用［J］.水利科技与经济，2006(05):34-35.

［2］施昆.GPS网中网点正常高的一种求解方法［J］.昆明理工大学学报，1994(01):78-79.

TV221.1

B

1007-7596(2014)05-0177-03

2013-09-11

李吉华(1977-)，男，贵州遵义人，工程师，从事水利测绘方面工作。