浅谈GPS在水利工程测量中的应用

2014-07-18杨玉平杨玉华

江西测绘 2014年3期

关键词：全站仪控制点水利工程

杨玉平杨玉华

（江西光兴测绘有限公司江西上饶 334000）

浅谈GPS在水利工程测量中的应用

杨玉平杨玉华

（江西光兴测绘有限公司江西上饶 334000）

水利水电工程施工过程中，由于测量任务量大，测量工程又很复杂，加上工期的要求，测量工作必须及时跟进，所以，水利水电施工过程中的测量工作往往消耗大量的人力物力财力。工作中使用了GPSRTK系统后，测量效率大幅度提升，在多个工程中，GPS-RTK均表现出了极大的优势。

GPS；水利工程测量；应用

0 引言

GPS-RTK技术支持下的徕卡GPS530动态测量仪、中海数字单（双）频海洋测量仪等设施，是目前各单位使用较为广泛的基于卫星定位系统的测量仪器。通过这两种仪器，可以一天之内只用4个人对约3平方公里的土地进行精确的高密度的放样测量，甚至可以对水底地形进行全面摸底测量。GPS-RTK测量仪主要是利用实时差分测量技术，使用1+2的测量配置模式，对于整个场地进行高精度高密度的放样测量。

1 实时差分测量技术原理

实时差分测量技术的实际原理，是使用多个GPS接收机，联合获得相关的卫星数据，通过边角法和多个GPS定位得到的综合数据进行联合平差计算，从而使得GPS测量的数据精度和测量速度大幅度增加。图1展示了GPS-RTK1+1测量时的网络链路结构。

图1 实时差分测量技术原理

在一台GPS和两台RTK组成的1+2的配置模式下，GPS-RTK系统具备了以下特点：

1）定位精度高。RTK的精度可以达到F10mm+ 1ppm，H20mm+1ppm。这种精度模式下，对于工程测量的要求已经完全满足。

2）测量速度快。RTK静止2s后就可以得到测量点的三维坐标，目前的双模GPS-RTK系统可以直接得到北京坐标系和西安坐标系的点位和青岛高程的精确坐标值。

3）作业距离远。一次稳站，两台RTK可以在半径15km的区域内自由活动，只要保证上空开阔，RTK和GPS之间不需要直接互望。

4）内业简单。因为专业的GPS-RTK配合CASS7.0可以直接实现点位数据的自动记录、自动平差、批量导入和自动成图，节约了大量的内业计算和绘图时间。

表1 差分GPS对测量定位精度的改进表

2 GPS-RTK在水利工程测量中的应用

2.1 加密控制点

水利工程的控制测量中，因为精度要求较高，施工条件复杂，所以往往耗费大量的人力财力物力。而如果使用了GPS-RTK辅助加密控制点测量，只需要使用全站仪使用边角法在15km范围内布置大约3～5个控制点就可以完成基础的控制点布置。使用控制点对GPS-RTK校准后，采用1+2的模式进行测量，2个走点人员每天可以测量40个以上的加密控制点。且其测量精度都可以达到厘米级别。GPS-RTK进行加密控制点测量时，之前的控制点之间无需对望就可以实现最初的校准。

2.2 水下测量

采用传统的六分仪测量法以及三杆分度仪测量法，往往精度只能达到分米级别，无法实现精确的工程测量。且传统测量方法人员配置多、工作量大，工作条件需要涉水较为恶劣。而采用GPS-RTK测量法的逐渐普及，采用GPS配合测深仪进行的水下测量就实现了极大的便利。采用徕卡GPS530动态GPS测量仪和中海达单（双）频测深仪，联合手提电脑上安装的专业海洋测量软件，则可以在船上直接读出河床的GPS数据，特别是对于河床高程进行较为详细的记录。而且，自动化的海洋测量软件，可以在测量的同时自动成图，还可以勾画出高接解析度的河床基础模型。海洋测绘软件导出的*.dat文件，可以直接被CASS7.0读取，与地籍管理系统实现对接。以往在地籍管理系统中仅对区域内的水体边缘进行了测量，没有对于水底河床进行测量，在本次地理信息调查中，我们采用的新测量方法，可以更加精确的对于水下地形进行全面详细的管理。

2.3 施工放样

GPS-RTK模式下，最大的测量优势在于施工放样的测量上，使用GPS稳站后，可以快速的对于整个区域进行高密度的放样测量，因为RTK每2秒就可以取得一个点的精确三维坐标，所以，施工放样测量的速度仅取决于走点人员的走动速度。在这种模式下，配合山地自行车或者沙滩车等辅助工具，放样走点人员可以快速的对整个区域进行走点放样，实现高速的放样测量。甚至4个测量人员采用1+2模式，可以用短短几个小时的时间，对整个水库工地进行放样测量，这种放样测量对于水库水位管理等具有非常现实的意义。

2.4 数字化地形图测量

在蓄水工程开始前，需要对周边很大面积的地形进行控制，这种控制对于蓄水面积和村庄及其他设施的搬迁规划有着重要的意义。对于因为水库蓄水地区往往是在山区，其地形起伏较大，地形控制点取点较密。而采用全站仪的边角法测量，因为视野不开阔需要频繁移站，可能对一个水库的地形控制点测量需要数个月的时间，消耗大量的人力物力财力。而如今，采用GPS加密控制点测量法，只需要用全站仪在区域内防止几个控制点，然后采用GPSRTK，可以在短短数周内完成对整个区域的数字化地形图测量。

2.5 地物GIS数据采集

在水利施工过程中，需要对某些地物进行GIS数据采集，比如需要沉入水底的就地保护的文物，以及区域内新建或者改建的信号塔及其他公共基础设施。这些地物的采集，因为测量点数少，如果单独使用全站仪从附近的控制点进行测量，可能会带来很低的控制效率。而如果采用GPS进行稳站测量，可以在很短的时间内使用很少的人力对这些地物点进行精确控制。

3 GPS-RTK的局限性及弥补方法

3.1 天气原因

在阴雨天气，因为云层反射了卫星信号，GPS的测量受到很大的影响，甚至出现无法初始化的情况。对于需要较紧急测量的任务，在天气不好的情况下就无法使用GPS-RTK来完成。同时，夏季的正午时分，虽然天气晴朗没有云层覆盖，但是因为电离层活动剧烈，会反射大量的卫星信号导致GPS出现无法初始化的情况，以致测量精度无法控制在工程要求的范围内。另外，大风天也可能因为空气介质的扰动增加，也会引起测量精度的下降。

3.2 数据链路障碍

因为水利水电工程常常在山区施工，在比较陡峻的山崖下，可能会较严重的影响到卫星信号的GPS-RTK的互传信号。另外，高达树木、岩洞附近等区域，也可能会因为空域不开阔导致测量信号的波动。如果附近存在高压线等高压工频干扰源时，也可能会造成电台数据传输的信号干扰，使得RTK的响应速度下降，或者测量精度降低。

3.3 测量成果质量控制方法

因为GPS-RTK的优缺点并存，具有测量方便，效率高等优点的同时，还存在精准度变化多，测量容易被干扰的缺点。所以，我们采用了一系列的质量控制方法对其进行控制。

（1）已知点检核比较。通过对已知点位控制点的反复测量，可以对于GPS-RTK系统的测量精度进行评估和校准。也可以使用全站仪与GPS-RTK共同测量几个点位进行比较。因为全站仪的测量结果相对稳定，所以，可以实现对于GPS-RTK的准确率进行一些提升。

（2）测重比较法。每次初始化后对多个已知点进行反复测量，对于上次测量进行校准，进而对其他测量点进行测量，这样可以基本确保测量的准确性。

（3）变频检测法。采用多个GPS基准站进行稳站，使用不同的频率发射测量信号，而在RTK一端通过变换频率，得到不同基准站信号模式下的不同测量结果，对于这些测量结果在后期平差时取几何平均数进行计算，可以大幅度提升测量的精准度。