GPS技术在水利测量工程中的应用

2017-03-03徐立军

黑龙江水利科技 2017年3期

关键词：支线基线高程

徐立军

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006)

GPS技术在水利测量工程中的应用

徐立军

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006)

GPS技术可进行沿线总体控制测量，采用RTK方法在勘测阶段为带状地形图、路线平面、纵面测量的测绘提供基础数据；在施工阶段可建立施工控制网，为水利工程闸门、渠道、堤坝施工提供测量数据。随着RTK技术被广泛使用在水利工程建设及运营中，GPS测量技术会不断改进。文章对GPS测量技术的特点进行分析，实例分析了GPS技术在水利工程中的应用，对平面控制网测设、数据处理、高程控制测量的要点进行分析。

GPS;RTK；水利工程；测量

1 GPS全球定位系统

在水利工程建设过程中，GPS技术不仅能准确提供测量信息，且测量速度快，还可对运行中的水利建筑物及构筑物进行监测。GPS全球定位系统借助导航卫星进行测距、定位、测时，具有良好的抗干扰性、全天候性、实时性、全球性、连续性，可根据用户需要提供精密准确的三维坐标、时间和速度。GPS测量中包括二类坐标系统，第一类是和地球体相固联的，即地固坐标系统，第二类是空间固定的，在实际工作中通常要进行相关坐标类别及相关参数的转换，来求得三维坐标。

2 GPS测量技术的特点

2.1 定位精度较高

通常红外仪标称精度达5mm+5ppm，而双频GPS接收机的基线解精度达5mm+1ppm，可见二者测量精度相同，GPS的测量精度明显高于普通常规测量。实践表明，测量50km以内距离时，其基线上相对定位精度达10-6，而1000km以上时基线上其相对定位精度10-8，在300-1500m进行GPS精密定位，观测解算1h后，平面位置误差±1mm，基线边长越长，定位精度越高。

2.2 测量用时较短

采用GPS进行水利工程测量，小于20km相对静态定位需15-20min，进行快速静态相对定位时，运用动态相对定位时，先观测1-2min，之后可随时定位，且每站观测仅需几秒钟；基站和流动站距离小于15km时，在流动站仅需1-2min观测。可见，GPS在水利工程中应用，其测量速度快且监控无间隔，测量人员可及时对险情进行掌握，以便及时采取有效的应对措施。

2.3 测站间无需通视

在水利工程测量中，有些大型河流，测量站点通常很多，采用传统测量技术就会遇到通视的问题，因测量站点距离较远，不利于测量人员交流和沟通，采用GPD系统后，通过建立站点间信号发射装置，站点间可有效地进行数据交换，使得测站间实现相互通视，测量人员也可更加灵活方便的选择测量站点。为防止GPS卫星接收信号收到干扰，要尽量使测站处于上空开阔的位置[1]。

2.4 操作简单

GPS测量的自动化程度很高，卫星捕获、跟踪观测等都是GPS测量仪自动进行的，GPS测量受外界环境影响因素小，进行大地测量，目前GPS水准测量精度满足四等水准要求，可测量平面和高程，且看精准对测站点的三维坐标进行精确标识。当前GPS接收机趋于小型化，操作也趋于简单便捷化，测量人员仅需把天线整平、对中，测量天线高，开机即能进行自动观测，采用数据处理软件，即可得到观测站的三维坐标。

3 GPS在水利测量工程施工中的重点

3.1 外业测量

水利工程中外业测量是比较困难，但GPS技术应用在水利工程中，可进行控制网测量和部分碎部测量。所谓RTK，是指GPS静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术。在测量时，首先要准确选点，确定导航基站的架设位置，进行无线安置和开机观测，进行无线安置时，先进行正常点安置，在平台上将天线固定，使标志中心与天线在同一方向，同时还要确保天线基座内的气泡平整，注意及时对进行基座加固，并对设备做好防潮防雨。

3.2 布网及放样

采用GPS进行测量点的全过程监控测量，通常GPS布网包括边连式和点连式2种。边连式布网中，设立导航基站时，在三角形核心位置设置测控点。点连式布网中，建立测量控制系统时，在河道附近设立基站。在水利工程测量中放样方式有2种，包括RTK点放样与线路放样。运用RTK点放样时，把静态网中的坐标和放样点坐标的相关转换参数同时传入GPS流动站内，开进行实地放样时，要依据所放点标识进行，精度5cm内；进行线路放样时，需制定线路中心线文件，编制依据线路中心线的弯道元素，并将坐标转换相关参数和该测量文件传入GPS流动站中，在现场根据桩号及放样点和中心线的关系开展现场放样。

3.3 航空摄影测量外业像控点采集

水利工程测绘中，像控点通常呈分散布设，且各点间距较长，使用传统测量手段，测量进度缓慢，而且精度也不高，耗费很大的人力财力。但使用GPS测量技术，可以在很短时间内准确采集外业像控点。

3.4 高程测量

进行区域性大地水准面高程测量时，通常结合水准测量资料和GPS测量资料，且在进行GPS观测点测量前，需要具有水准测量资料，测量时要保证测量点密度合理，且分布均匀。水利工程高程测量中，采用GPS系统可准确进行高程测量，即便在恶劣环境地区，也可及时准确测得水准测量信息，借助大地水准数学模型，内插法可得出高程异常或异常差，从而确定待测点的正常高程。

4 实例应用

4.1 工程概况

某引水工程辽中支线输水路线长度8.9km；大石桥支线输水路线长度12.9km；鞍山支线输水路线长度27.9km，海城支线输水路线长度4.4km；大洼支线输水路线长度55.6km。根据下达的《专业提资要求表》中的要求，为满足输水管线施工放样的需要，须进行JLN供水二期工程施工控制网测量，同时完成某引水工程鞍山支线改线测量任务。

4.2 软硬件资源

LeicaDNA03水准仪2台及配套的条码水准铟瓦尺2副，标称精度：0.3mm/km；LeicaGS15双频GPS卫星接收机4台，标称精度：平面±(3+0.5ppm×D)mm、高程 ±(6+0.5ppm×D)mm；南方S86T双频GPS卫星接收机9台，标称精度：平面±(2.5+1ppm×D)mm、高程 ±(5+1ppm×D)mm；LeicaGPS后处理软件LEICAGeoOfficeCombined；GPS工程测量网通用平差软件包CosaGPSV6.0；现代测量控制网测量数据处理通用软件包COSACODAPSVersion6.0。

4.3 平面控制网测设

根据工程建筑总体布局和地形情况，从便于管线施工放样的角度出发，并根据业主的要求：沿管线沿线间隔约3km，选择一对测量控制点，这对点的间隔距离处在300-800m范围内，布设为D级GPS全面网，运用边连式的布网方式，每个网点最少设置三条基线相互连接。进行平面控制测量：为满足鞍山海城支线、大洼盘山支线后续施工的需要，建立首级控制网，按C级GPS网精度施测。辽中、大石桥、鞍山海城、大洼盘山支线施工控制网按精度D级进行测量，保证约束点间的边长相对中误差≤1/15万，全网最弱相邻点边长相对中误差≤1/8万。

进行选点及埋石，GPS网点图形结构比较灵活，但若选点不当，可能会造成卫星信号被遮挡或受到干扰，多路径效应发生“共振”，相位观测中“周跳”频繁发生等现象。对于本平面控制网，除联测国家三角点外，还要做好埋石，供水线路沿线多年最大冻土深度在1.3m左右，故选用标石规格为15cm×15cm×150cm，使埋石深度处于冻土层下0.1m，且地面高出0.1m，这样方便现场查找埋石点，标石底部浇筑水泥。

4.4GPS网观测及数据处理

首级控制网及施工控制网施测时，采用LeicaGS15双频GPS卫星接收机与南方灵锐S86T双频GPS卫星接收机同时进行平行观测，进行外业观测时，采用GPS静态相对定位的方式。在全面检查外业获取的数据，数据全部正常后再进行基线解算。基线解算采用LeicaGPS处理软件LEICAGeoOfficeCombinedV7.0进行，GPS网的基线结果必须采用双差固定解，在进行基线初步检验过程中，剔除了精度不好的基线，将剩余基线形成*.asc文件调入CosaGPSV6.0进行数据检核及平差计算，基线校核数据检核在CosaGPSV6.0中进行，进行重复基线及异步环闭合差的检核，进行GPS网精度评定，平差计算软件采用GPS网平差处理软件CosaGPSV6.0。

4.5 高程控制测量

高程系统采用1985国家高程基准。各支线高程控制按三等精度施测，辽中、大石桥、海城、大洼支线均布设附合水准路线，鞍山海城支线、大洼盘山支线布设水准网，联测所有施工控制点。运用单程双转点法进行三等水准测量，进行外业测量时，使用LeicaDNA03水准仪。测量前，根据相关规范的要求对仪器进行i角检验，检验结果均满足《国家三、四等水准测量规范》中对仪器i角限差的要求。布设三等水准附合路线及水准网，利用COSACODAPSVersion6.0进行高程控制水准测量精度评定计算，对得到的成果与Excel2007中设计的平差计算表格进行平差计算结果比较。

4.6 测量结果验收

控制点点位选择合理，标石埋设稳定；测量所使用的仪器通过了质检部门的检定；采用的控制网起算数据正确；工程坐标采用SurveyTools401软件和CosaGPSV6.0软件分别计算进行比对，计算结果正确。采用Excel2007软件对水准网进行平差计算，取得的结果与本工程采用现代测量控制网测量数据处理通用软件包COSACODAPSVersion6.0进行水准网平差计算结果进行比对，计算结果正确。通过对施工控制网2000国家大地坐标系与1954年北京坐标系的转换参数计算，转换残差满足规范要求。内业对测量成果进行了100%检查。采用简单随机抽样法，通过对文件名及数据格式、数学精度、附件等检查，未发现不合格项，成果质量符合相关规定。