GNSS技术在现代水利工程测绘中的应用

摘要：GNSS的发展为水利工程测绘工作带来了很多便利，其目前已广泛应用于测绘工作中。文章介绍了GNSS系统的基本构成、工作原理、技术特点，阐述了GNSS技术在现代水利工程测绘中的优势，分析了现代水利工程测绘工作中应用GNSS技术的现状及问题，最后分析了GNSS技术在现代水利工程测绘中的实际应用及其应用前景。

关键词：现代水利工程；GNSS技术；工程测绘；测绘科学；水利工程建设 文献标识码：A

中图分类号：P228 文章编号：1009-2374（2015）31-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.029

GNSS技术是一种全新的工程测绘手段，具有精度高、效率高、速度高等特点，测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态，而其他工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。现阶段，GNSS已经被广泛应用于通讯、导航、测绘、天文以及其他多个领域中，将GNSS技术引入现代水利工程测绘工作中，可有效确保水利工程测绘数据的真实性、可靠性、完整性，为水利工程质量以及工程技术的安全提供重要保障。下文主要探讨分析GNSS技术在现代水利工程测绘中的应用。

1 GNSS技术的基本介绍

1.1 GNSS的基本概念

GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。GNSS技术主要是指通过接收设备、地面卫星等现代先进的科技手段，在全球内进行实时定位以及导航，该技术是现代化信息技术不断发展的重要产物，也充分反映了这个社会的发展以及进步。利用GNSS技术可以快速、高效、准确地获取精确的点线面三维坐标及其相关的信息数据。现阶段，相关技术人员应该将现代通讯技术和GNSS技术有机结合，将GNSS测量三维坐标技术慢慢从静态领域向动态领域发展，从智能数据后期处理逐渐向实时定位技术发展，使GNSS应用广度以及应用深度大大提高。另外，GNSS中应用了RTK技术，进一步提高了定位的精确度，已达到厘米级的精度。

1.2 GNSS系统的基本构成

GNSS系统主要由地面控制、用户设备以及空间星座三个部分组成：

1.2.1 地面控制。主要组成部分包括地面控制站、全球监测站以及主控站。这个部分的任务是负责全程监视卫星，获取关于卫星的相关数据，同时在卫星存储系统中注入卫星星历。每一个监测站都会配装有非常精密的铯钟，可以连续测量一切可见卫星接受机，监测站获取的气象数据、电离层数据等相关卫星数据通过简单的初步处理后会向主控站传送。主控站在每一个监测站收集到跟踪数据后，将卫星的时钟参数以及轨道参数计算出来，最后向地面控制站传送结果。

1.2.2 用户设备。这一部分主要指GNSS接收机，卫星信号采用空间距离交会的方式进行接收，在处理完数据后可以获取点位坐标以及基线向量。一旦接收机获取跟踪的相应卫星信号后，就可以准确测量接收天线和卫星之间的伪距离、距离的变化率，将卫星轨道参数等相关数据解调出来。接收机中的微处理计算机也就可以根据定位解算的方法对这些数据定位计算，了解用户所在地理位置的相关信息，如时间、高度、经度、维度、速度等。现代接收机的体积日益减少，而且接收机的重量越来越轻，更适合在野外观测。

1.2.3 空间星座。如美国的GPS系统在20000m高空的6个轨道内，24颗GPS卫星均匀分布，GPS卫星运行周期大约在12h左右，这样可以确保在全球范围内时时刻刻、在任何地点同时观测4颗以上卫星。俄罗斯GLONASS系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度1万9000公里，运行周期11小时15分。中国北斗卫星导航系统由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。

1.3 GNSS的工作原理

GNSS的定位原理有多种，包括载波相位时差分原理、绝对定位原理、相对定位原理等，水利工程测绘工作中采用的GNSS技术原理主要是载波相位时差分原理。这种原理也被简称为RTK技术。这种技术可以实时监控基准站、流动站2个监控站。RTK测绘的测量依据是GNSS相对定位理论，在基准站上安装一台接收器，然后在移动站上另外安装几台接收器，这样可以同步采集卫星信号。在测量载波相位以及接收卫星信号的过程中，通过跟踪卫星，可以将观测值以及观测站坐标通过数据链从基准站向移动站传递。基准站的数据可以利用数据链以及移动站接收，也可以采用GNSS控制装置处理采集到的相关数据计算时差分。经过精确的计算可以得到待测点的精确坐标以及高度，也可以得到实测精度，然后将实测精度指标和预设的精度指标进行对比分析，最后详细记录待测点的三维精度以及坐标。在实际作业的过程中，可以初始化已知点，然后再进行动态作业，同时在动态情况下可进行开机作业。待测点的三维坐标可以通过移动站随时传递，但是必须持续观测追踪4颗以上卫星的动态。

1.4 GNSS技术的应用特点

GNSS技术具有全天候、测量精度较高、观测时间较短等特点，同时天气并不会影响到观测，每个观测站之间不用通视，而且操作较为简便，不用边角观测。如果是较大区域面积观测或者是不规范区域观测的情况下，可以采用航迹测量方式，也就是顺着运行路线画一条轨迹，并且精确计算轨迹周边的区域面积。目前，GNSS差分定位测量精度已经在毫米级别。在成图和解算数据的时候，GNSS技术的自动化程度已经相当高，相关软件可以自动成图、自动计算。endprint

2 现代水利工程测绘中采用GNSS技术的现状及问题

2.1 GNSS技术测量仍然具有一定误差

近年来随着GNSS技术的不断进步以及发展，在现代水利工程测绘中得到广泛应用，虽然大大提高了测绘工作效率，提高了测绘数据的准确性，但是在实际应用中仍然会出现一些误差。比如，操作人员疏忽导致人为测量失误。在观测的过程中由于选择的角度不合适，进而导致测量误差。另外，目前GNSS技术的应用也存在一定的局限性，高压线、地铁站磁场作用或者是遇到城市高层建筑物的遮挡，都不可能会接收到卫星信号，这种情况下也不能正常工作，因此需要辅助应用全站仪、水准仪等补充测量数据，从而确保测绘数据的完整性以及准确性。

2.2 GNSS技术的应用力度相对较低

现代水利工程测绘中会应用到电子全站仪、电子水准仪等相关的设备、技术等，这些先进的设备、技术不断发展、完善，基本上可以满足工程测绘需求，这样会在一定程度上影响水利工程测绘工作中全面应用GNSS技术。

2.3 技术人员的操作水平相对较低

GNSS技术是一种高新技术，对于技术操作人员文化知识也有一定的要求，然而有的技术人员并没有全面掌握GNSS系统的专业操作技能，这样会大大降低测绘的工作效率，同时在实际工作中也容易出现各种各样的问题，有的时候甚至可能会出现测量错误的情况，这样会严重影响水利工程的顺利建设。另外，在测绘工作中难免会出现小问题的时候，但是在出现这些小问题时，有关的技术人员并没有及时处理，这样会进一步扩大问题的影响力，进而影响到水利工程测绘工作。

3 现代水利工程测绘应用GNSS技术分析

在当前的社会背景形势下，市场竞争越来越激烈，工程测绘工作面临的挑战也越来越大，测绘是现代水利工程中极为重要的一个环节，想要进一步提高水利工程的竞争力，应该进一步优化升级测绘技术。而且目前很多水利工程都是在较为偏远的沟壑或者深山，本身地形就相对复杂，有很多植被，很难进行观测、通视，这样并不利于水利工程的顺利建设。在水利工程中应用GNSS技术，可有效避免这些问题，也有利于提高工程测绘工作效率。GNSS技术在现代水利工程测绘中的具体应用如下：

3.1 GNSS外业测绘

现代水利工程测绘中在采用GNSS技术的过程中，应该选择正确的测绘点以及测绘位置，这对于保证测绘的正确性具有极其重要的意义。在选点定位前，应该做好充分的准备，全面搜集、整理测绘区域的标架条件、标型状况、地理位置等相关信息，确保选点定位的有效性以及合理性。

3.2 GNSS技术的布网测量

采用GNSS技术进行布网测量工作的过程中，应该测绘带状工程以及线路。比如，引水工程中应该采用边连式或者点连式的测量方式，这样可以组成一个连续发展的同步三角锁图形进行相关测量。对于工程枢纽区的变形监测网以及施工控制网来说，应该采用网连式的布网方式，也可以采用边连式的布网方式，这样可以进一步提高图形的几何强度，进而提高GNSS控制网测量的真实性、可靠性以及精度，从而确保能够高效完成水利工程测绘工作。

3.3 实时动态测绘技术

这种测绘技术主要是指在某一个已知点上建立一个基准站，同时需要安装一台GNSS接收机，这样可以现场全面观测所有可见卫星的运行状况，而且可以全面搜集到观测到的相关信息以及数据。在收集到相关数据后，可以通过无线电传输设备传送这些数据，并且借助数据链将其分别输送到相对应的流动站。在接收到GNSS卫星信号的过程中，流动站也可以利用相对定位原理通过无线电接收设备来接受基准站的所有数据，并且差分解算。流动站也会对比分析本身观测到的数据和这些接收到的数据是否存在差异，结合两个观测站之间的位置进行解算，最后将这些数据储存，并且输出流动站位置准确的三维坐标。当前，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）已成为城市GNSS应用的发展热点之一。

4 GPS技术在现代水利工程测绘工作中的应用前景

当前的社会正在快速发展，科学技术水平也在不断提高，国家政府对于水利工程建设的重视程度越来越高，同时对于水利工程的投入也越来越多。现阶段，水利工程的软件技术、硬件设施、测绘设计等诸多方面都已经有一定发展，在很大程度上也推动了我国水利工程建设的发展，但是与此同时，水利工程建设对于测绘工作的要求也越来越高。目前，RTK和多星解算技术是GNSS技术应用的主流，可以构建沿线总体控制测绘，为纵面测绘、路线平面、带状地形图等勘测提供科学、可靠的依据，在堤坝、渠道、闸门等地方都有应用。未来随着技术的不断发展，相信GNSS技术在水利工程测绘中的应用会越来越广。

综上所述，GNSS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。具有全天候、效率高、无需通视、精度高、自动化程度高等特点，目前已经被广泛应用于工程实践中。GNSS技术为水利工程测绘提供了一条新的途径，将其应用于现代水利工程测绘中可有效提高工程测绘精度以及效率，为水利工程建设提供更加可靠的支持。

参考文献

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[2] 王国庆.新时期水利工程中GPS测绘新技术的发展及作用研究[J].水利工程，2013，（10）.

[3] 谢温祥，罗瑞明.水利工程中测绘新技术的应用分析与探讨[J].科技创新导报，2012，（34）.

作者简介：李森华（1983-），男，云南永胜人，云南省丽江市水利水电勘测设计研究院工程师，研究方向：测绘工程。

（责任编辑：陈 倩）endprint