GPS测量在水利水电工程测量中的应用探析

□李冬韩（潮州市水利水电勘测设计院）

0 引言

水利水电工程能为人类造福，具有较高的经济效益和社会效益。在工程施工前，需要通过精确的测量，然后才能进行工程选址、方案设计、工艺选择对比等工作。施工过程中也要对水工建筑物进行放样测量,确保工程不存在质量缺陷。若测量结果出现差错或较大误差，必将会降低施工方案的可行性，在后续施工时极易出现返工，造成施工浪费,影响工程进度,所以务必要保证高精度测量。随着近年来GPS测量技术的发展成熟，其技术应用特点在水利水电测量过程中发挥着重要的作用。

1 GPS技术及其优势分析

GPS即全球卫星定位系统，借助GPS定位卫星，可实现全球范围内的定位和导航。关于GPS系统的构成，主要有以下3部分：①空间部分。在距离地面2000 km的高空均匀分布有24颗卫星，分布在6个轨道平面，可实时全天候对地观测到地球任何地方。不过受大气摩擦影响，导航精度会有所转变；②地面控制系统。又可分为地面监测中心、地面主控制站和地面天线，职责是接受卫星发出的信号信息；③用户设备，主要是指GPS信号接收机，可跟踪卫星并获取卫星信号，然后测量出二者距离、卫星轨道等参数，经内部微处理计算机分析处理后，便可得到用户的三维坐标。

GPS技术适应性强，应用范围广泛，与普通测量技术相比，具有诸多优势。首先实现了高度自动化，操作方便，测量时只需要做一些简单的工作，如合理放置仪器、连接电缆线、按要求操作手簿等，系统就会自动跟踪观测；其次可保证24 h连续不断地提供导航定位服务；观测时间短但精确度很高。

2 GPS测量技术在水利水电工程测量中的应用

2.1 控制网设计

为了限制误差的累积和传播，保证测图和施工的精度及速度，测量工作必须遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则。控制网设计是首级控制的重要内容，控制网基本图形有3种较为常见。一是三角形网，精度分布均匀，几何结构较强，稳定性高，且自检能力优越，在测量过程中能够及时发现存在的缺陷，从而增强控制网的可靠性和可行性。缺点是实际测量时耗时耗力，观测时间长，工作量大，特别是接收机数量较少时，测量时间往往会比设计值有所拖延；二是环形网，在结构强度上不如三角形网，其结构主要是带有多条独立观测边的闭合环，安全性能良好，测量时工作量相对较小，自检能力也很强。不足之处在于相邻点间的基线精确度在分布上很不均匀；三是星形网，结构简单，操作快捷，除了两台或三台观测仪器，无需其他设备。但由于观测边与观测边形不成任何闭合图形，所以测量精度和自检能力都低于前两者。

在水利水电工程中，往往要根据工程的特点和其所在地形进行控制网的选择。在一些地势开阔、重要性强的大型工程，如大型水闸、大型堤围、枢纽工程等，必须采用三角网，保证数据精度。在一些地形复杂、山区丘陵地带的中小型工程，由于受实地环境和工程进度的影响，在前期规划勘测中多采用环形网，在保证经度要求的前提下，提高工作效率。

2.2 高程系统测量

高程测量在水利水电工程中是一项很重要的工作，高程控制决定了规划阶段水位线的推算和工程量的计算，直接影响工程的造价预算和工程安全性问题。由于水利水电工程在河谷切割较深处、山高坡陡处分布较多，自然环境恶劣，增加了高程测量难度。目前在测量高程时，光电测距三角形高程测量法应用较多，工作量大、测量时间长。若在水利水电工程中应用GPS技术，建立控制网，因为其平面精度较高，测量相当于四等几何水准，测量精度必将有所提升。

2.3 变形监测

即在观测周期能够及时发现观测点的变形信息，若变形程度较严重，超出了许可值，则建筑物稳定性很容易受到影响。通常对变形监测的精度要求很高，应精确到毫米级。水准测量方法在实际中较为常用，可观测建筑物沉降状况；地基滑移和水利水电建筑物的倾斜则主要使用三角测量方法来完成。所需仪器有水准仪、测距仪、全站仪等，该方法适应性强，但工作繁多，测量时间太长，且受地形条件影响明显，自动化水平低。

部分水利工程分布在居民点的上游或附近，尤其是大型水库坝址、大型水闸、重大开挖边坡等，一旦出现质量问题，将直接威胁到附近群众的生命财产安全，所以其变形监测工作必须引起重视。GPS技术凭借自身优势，把接收机安装在固定观测点上后，可实现数据采集、数据处理和变形分析整个过程的自动化，效率和精度都很高。因建筑物形变具有动态性，所以首先要获取相关动态信息，对其运动规律和所处状态进行科学预测。具体监测内容有很多，如监测精度、监测方法、数据处理能力、诊断结果等。

2.4 数据分析处理

数据分析能力极为关键，对测量结果影响较大。在获取相关信息数据后，要经历如下的一个处理过程：首先是预处理，即根据实际所需整理甄选原始数据，并按照一定标准将其进行分类，找出有用的信息；接着是平差计算，包括同一基线边的同步观测数值及其平差结果，平差结果就是整体平差，务必要保证计算的准确性，否则可能会导致数据失真；最后一道程序是GPS网和坐标系统之间的转换，处理之后便可获取所需要的数据。

3 实际案例分析GPS高程测量的具体应用

某大河流经A地，水量较大，适合用来发电。A地以此河为引水河流，建起了1#、2#跨河水电站。工程于2005年开始，共投资6.30亿元，1#水电站装机容量为10万kW，取水口高692m，引水隧洞长度为5.50 km。工程建筑物有大坝、厂房、引水隧洞、溢洪道、压力管道等。2#水电站装机容量为3.50万kW，取水口高475m，引水隧洞长2.50 km。主要有厂房、引水隧洞、压力管道等建筑物，厂房高程约为400m。此次高程控制点和平面控制点为共用标，既是平面点标志又是水准点标志。

3.1 三等水准精度分析

高程控制网按照三等精度沿着建筑物走向施测水准为一个闭合环，长25 km，闭合差为12mm，最大误差不得超过5mm，每公里水准测量中误差应控制在2mm/km以内。

3.2 GPS控制网的数据处理

该工程采用Ashtech solutions GPS数据处理软件对数据进行处理，为保证精准度，使用GPS精密星历对基线数据进行解算。观测过程中共使用了8台Astech LocusGPS接收机用于同步观测。因基线数较多，每条边至少观测两个时段，每个时段的同步观测时间均在90min以上。所以不存在返工问题，观测一次性通过。全网共观测基线204条，有6条检测失败，14条残差较大，最终选择184条良好的基线作为独立观测量。

根据测量结果显示，利用三个高程起算点解算的效果要高于两个高程起算点，而山区测量需要四等水准，显然两个点解算结果难以满足这一要求，而固定三个点的解算结果可以达到这一精度要求。GPS高程点与起算点的距离为GPS平面坐标计算的平距，在实际四等水准测量时，通常会更长一些。进而得知，GPS高程测量的精度稍低于几何水准，究其原因，是因为观测的基线平均只有500m，GPS短基线精确度较差。不过只要合理布局，有足够的水准联测点，采用合适的拟合模型，并对观测质量进行严格控制，也能达到四等水准精度要求。

4 结语

GPS技术具有高精度、观测时间短、全天候作业、自动化程度高等诸多优势，应用于水利水电工程测量，可有效提高测量效率，进而为工程质量提供必要的保障。随着测量难度加大，GPS技术也在不断改进。现如今北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，缩写为BDS，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO并称全球四大卫星导航系统。随着定位系统的技术发展，在商业领域和民用上的开发空间进一步扩大，也给水利水电工程测量的发展带来了新的契机。

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