探析GPS在水利工程测量中的应用

2015-08-19刘耀泉广东省水利水电勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2015年4期

□刘耀泉（广东省水利水电勘测设计研究院）

0 引言

作为社会基础设施之一，水利工程建设具有重大现实意义，在发电、防洪、灌溉等方面发挥着积极作用。任何工程都要经过提前勘察测量，得出所需数据，才能进一步设计施工方案。测绘工作直接影响到后续作业，必须确保其精确性，否则实际值与测量值有误差，势必会降低设计水平，进而降低工程质量。以往水利工程建设多依靠人工测量，工作量大、效率慢，且精确度并不高，难以满足当下越来越高的要求。随着技术不断进步，GPS 技术迅速兴起，在诸多领域都有应用。

1 关于GPS 技术

GPS 技术最早出现于上世纪60年代，又叫全球定位系统，最初是美国军方用来搜集情报的一种手段，后来逐渐扩展至其他领域。系统由空间部分、地面控制系统和用户设备3 部分组成，空间部分主要是24 颗卫星，可以全方位地在地球上观测；地面控制系统负责接收处理从卫星传回来的信息，又可分为主控制站、监测站和天线等；用户设备则是利用GPS 信号接收机跟踪卫星，经过一系列分析处理后，可获取所在位置的三维坐标。

导航、测量和授时是GPS 系统的3 大功能。其特点突出，有很多优势，如缩短了观测时间，定位精准度较高，工艺简便容易操作，功能多、适应范围广，能够提供三维坐标，可以全天候作业，测站与测站之间无需通视，在一定程度上打破了地域限制。具体而言，除了测量高程、面积，GPS 系统还能测时测速；自动化程度高，随着技术改进，逐步向智能化迈进。操作更加简单，测量也更精确。

2 关于水利工程测量

兴修水利工程主要是为了合理控制水流，对其进行调节使用，以免出现洪涝之灾。常见的水工建筑物有堤坝、水闸、渠道、溢洪道等，不管是选址，还是整体布局，都要科学安排合理布置，否则工程质量就可能会受到影响，所以必须做好测量工作。测量的内容和任务有以下几方面：测量地形地貌条件，获取现场面积，以测量数据为基础绘制地形图和工程比例图；测量有利于实际放样，即按照一定的比例在图上对建筑物进行规划设计；观测后期建筑物的变形状况，若有较大变形，要及时予以处理。

之前测量时，使用的测量设备主要有水准仪、经纬仪、测距仪等，测量方法以几何水准和三角网等为主，耗时耗力，精准度也达不到实际要求。后来则利用全站仪配合水准仪测量，效果有所改善，但在地形复杂的峡谷中功能会大打折扣；如今，GPS 技术应用越来越多，可及时获取较为精确的数据，还能准确观察建筑物的变形状况。

水利工程在山区峡谷比较多，显然传统的测量技术和方法存在着很多不足。为了合理确定坝址和工程总体布局，需要借助现势性很好的地形图，GPS 无疑是目前最好的选择。在静态测量模式下，测量精度可达1×10-6，再加上高科技软件，精确度更高；RTK 技术主要适合用于碎部测量。

3 GPS 技术在水利工程测量中的实际应用

3.1 应用于测量高程

高程测量是基础工作，即获取地面测量点的三维坐标。接收卫星发射的信号后进行分析处理，得到大地高度，再利用水准仪计算高程差异、求得正常高度，最后获取三维坐标。大地高度用e 来表示，测点正常高度用d 来表示，则高程差异q=e-d。接着通过公共点高程差异，依次计算其他测点的正常高度。

3.2 应用于渠道管线

渠道管线是水利工程的重要组成部分，通常呈线性放射状，分布较为分散，由于渠道较长，需要大量人力物力投入。主要是受天气和地理环境影响，传统的测量方法精确度较低。GPS 技术则不受地域限制，受天气影响较小，而且无需监测站通视，还能全天候作业。在实际测量时，只要测出来高程、转角等关键数据，便可迅速确定测点。

3.3 应用于变形观测

在施工过程中或竣工后，水利建筑可能会发生形变、滑移、沉降，所以还需要考虑这些情况，对其进行实时测量，一旦发现堤坝、地基等物有明显缺陷，要及时采取解决措施。利用GPS 技术测量时，可在变形范围内选择测点并安装定位机，同时在距离大坝一定的位置处也选若干基准点，并安装GPS 定位机，数据处理中心可实时获取来自测点的信号，计算后得出相关数据。在水下地形观测时也是如此，先选择两个测点放置GPS 接收机，获取信号后及时传输至数据处理中心，最终得到水下深度、水流速度等参数，在此基础上绘制出相应的水下地形图。

3.4 应用于工程布网

以引水工程为例，多呈带状或线状，采用点连式组成三角锁同步图形的方法较为适合；而在枢纽地区常需设置变形监测网，此时适宜采用网连式布设方法，以增强其几何强度，进而使得控制网更加可靠。

3.5 应用于外业工作测量

首先是选点和立标，选点有一定的原则，如地面基础要牢固，尽量选择视野开阔、障碍物较少处；因GPS 技术主要是靠信号传递来完成测量，所以信号不能被干扰，这就要求周围200m内不能有无线电发射源，而且距离高压线至少50m，否则高压运行时可能会产生电磁场干扰信号；为避免多路径效应，也尽量避开大面积水域；如果有旧测点且还能使用，就不必再找新测点；在给点位做标志时，标石要坚固稳定耐久。

其次是测量计划。测量工作较多，为实现及时高效高精准度的测量，需提前制定好测量计划。编制可见性预报图之后，合理选择卫星的几何图形强度，并要安排好观测时间和具体位置，以获得最佳效果。

在观测时，为保证测量精确度，要做好每一个细节。如安装GPS 接收机天线时确保圆水准气泡居中，观察定向标志线是否指向北方；安装结束后，还要在其周围120°三个方向上测量天线的高度，将差值控制在3m 以内。

4 GPS 技术测量中的设计要点

4.1 精度设计

网的用途往往决定着GPS 网的精度设计。按精度和距离划分，可将城市或者GPS 网分为好几个等级。通常来讲，GPS 网中相邻两个测点之间的距离都在1km 以内，因此属于二级测量，相邻两点之间的弦长精度可表示为下式：

在上式中，σ 指的是等效距离误差，a 指的是GPS 接收机标称精度中的固定误差，通常在15mm 以内，b 指的是GPS 接收机标称精度中的比例误差系数，通常要控制在20 之内，d 指的就是GPS 网中相邻两点之间的距离，大都在1km 之内。

精度标准直接关系着GPS 网的设计，对其设计方案、观测计划以及以后的处理方法都有很深影响。从理论上讲，如果边长<200m，应将其误差控制在20mm 以内。

4.2 网形设计

GPS 网通常会有相应的图形设计，就目前而言，主要有三种图形：①三角形。该种图形结构比较稳定，精度分布也较为均匀，同时具备良好的自检能力。不足之处主要是工作量过大，尤其是接收机的数量不够时，将会拖延观测时间。此图形在精度和稳定性都较严格的情况下比较适用；②环形网。主要由若干闭合环构成，且每个闭合环都含有多条独立的观测边。从结构强度来看，该图形要稍逊于三角形，它类似于大地测量中的导线网。其工作量较小，而且安全性和自检性都有良好的保证，但是相邻点之间的基线精度分布的很不均匀，间接边的精度比不上直接观测边；③星形。该图形比较简单，而且操作起来也方便简单，只需要两台仪器就能工作。如果使用三台仪器，可用两台工作，另外一台作为中心站。因为直接观测边之间形不成任何闭合的图形，所以其检验和发现粗差的能力较差。