浅谈GPS高程测量在水电工程中的应用

2018-06-13谭莎莎

建材与装饰 2018年28期

谭莎莎

（阳江市水利水电勘测设计有限公司广东阳江 529500）

前言

高程测量是水电工程施工的重要环节，贯穿于整个施工过程，而且对工程有严格要求。传统测量方法包括几何水准法、光电测距三角高程法等，但由于水电工程地势复杂，在测量布置时具有较高难度。GPS技术在水电工程高程测绘中的应用很好的解决了这一问题，而且使测量精度得到明显提升，可以为水电工程的设计、施工以及安全管理等提供有力支持。

1 水电工程中的高程测量系统

在水电工程中常用的高程系统主要包括正常高系统、大地高系统和正高系统，几种高程测量系统的特点如表1所示。

表1 几种高程测量系统的特点

在上述几种高程测量系统中，大地水准面到参考椭球面之间的距离为大地水准面差，符号为hg，则大地高于正高之间关系可表示为H=Hg+hg。类似的有似大地水准面与参考椭球面距离为高程异常，符号为ξ，则大地高于正常高的关系可表示为H=Hr+ξ[1]。

2 GPS高程测量方法

首先介绍正常高系统的GPS测量方法，上述高程异常ξ是似大地水准面和椭球面间的高程差，利用ξ可以进行正常高和大地高的转换，高程异常ξ具体如图1所示。

图1 高程异常ξ示意图

高程异常的确定方法包括直接法、拟合法两种，ξ是地球重力场的重要参数，可利用地球重力场模型和点位信息直接确定ξ值，这种方法为直接法，适用于对高程精度要求不严格的测量情况。拟合法则是在GPS网的公共点上同时测定水准高程，并利用内插技术确定各点高程异常值。常用拟合方法包括等值线法、解析法等[2]。

其中，等值线法是根据已经确定的ξ值，绘制高程异常等值线图，再利用内插法对未知点高程异常进行测定。该方法的测量精度与公共点分布情况和密度有关，在测量时需要综合参考地形测绘资料和高程异常非线性变化情况等。解析法是利用某一规则数学面拟合似大地水准面，通过建立数学模型、根据网点位置参数计算高程异常。可表示为ξ=f（x，y），对于已经确定的高程异常点，有ξi=f（xi，yi）=Hi-Hri。

GPS高程测量方法在测定大地高差时可以获得较高的精确度，一般为（2～3）×10-6左右，其测量精度主要由高程异常差决定。经过上述分析，高程异常差精度主要与水准测量和拟合误差决定，其中，水准测量精度较高，但要对起算数据进行可靠性检验，避免出现粗差。在此基础上，通过控制拟合精度，确保GPS高程测量精度[3]。

3 水电工程中GPS高程测量方法的实践应用

3.1 工程概况

某大型水电工程库区为III等，工程所在区域具有山高谷深的特点，最大高差为2600m。在高程测量过程中布置GPS测量控制网，控制范围是沿河长230km、河宽1～2km的带状区域，共设置44个测量点，共计22组，每组测量点的平均距离为9.8km。其中组内的两个测量点相互通视，间距平均为1.2km。该测量控制网共包含114条GPS观测总基线，基线的平均长度为7.7km。全网联测III等水准高程点位16个，均匀分布，其余各点均施测三角高程，其测量值近似为真值，可以与经拟合的GPS高程对比，分析拟合模型、公共点分布情况对高程精度的影响。由于高工程GPS高程测量水准面的起伏较大，各点相对高程异常在45.98～48.26m之间，最大的互差达到2.28m。

3.2 河流及库区控制网规划

在水电工程河流规划和水电站库区规划中，一般都采用GPS布设平面控制网，且多数为沿河带状布置的控制网。在山高谷深的影响下，高程联测较为困难，而且会影响GPS高程测量精度。必须通过合理设计和施测，并对数据处理模型进行科学选择，才能保证GPS高程测量精度。相关研究表明，通过采用合理的测量和计算方法，可以使GPS高程拟合精度控制在±0.15m左右，进而能够满足工程施工要求。在GPS高程拟合过程中，一般可采用线状模型，包括分段折现模型、曲线拟合模型和线性拟合模型等。其中，分段折现模型拟合结果的精度度较高，一般可以将误差控制在±0.13m以内。采用该方法得到的测量结果与近似真值的最大差值仅为0.23m，相比于拟合前的最大互差2.28m，高程异常差降低了90%左右，拟合效果较好。

3.3 施工控制网的应用

在现代水利水电工程建设中，许多工程基于GPS测量结果建立平面施工控制网，特别是含有长隧洞的引水式电站工程，必须采用GPS联测方法，保证测量进准的统一性，从而实现隧道贯通。在水电工程施工过程中，对高程有严格要求，一般采用精密水准测量法法建立高程控制网，并由广电测距三角高程辅助测量。在类似于上述的III等大型水电工程中，通过布置GPS施工控制网，并对控制网GPS高程拟合精度进行控制，可以满足工程高程测量需求。通过总结以往的工程测量经验，对于山区建设的大型水电工程，采用GPS测量拟合高程的精度一般只能达到±0.10m左右。丘陵地区的中小型水电工程GPS高程测量精度可达到±0.05m左右。而且GPS高程测量的精度受测区条件、观测方法和控制网结构影响，再对高程测量精度有严格要求时，需要采用精密水准测量方法，并将GPS高程拟合结果作为参考，共同确保测量精度。

3.4 地形测绘方法

在GPS技术的快速发展下，GPS RTK地形测绘技术也在水电工程中得到广泛应用，可以绘制大比例尺地形测绘图，包括1：500和1：2000等，如图2所示。此外，还可以利用该技术进行测图控制、碎部测量，确保其高程精度和平面精度满足相关规范要求。RTK技术可以应用于水电工程水库调查、水下地形测绘、河道断面测量等，但也会受地形条件制约。一般小比例尺地形图，比如1：2000或1：10000等，需要采用航空摄影测量方法等，但在像控点平面坐标测量过程中，通常要采用GPS联测技术，确保精度能够满足要求。在像控点的GPS高程拟合过程中，应根据比例尺大小要求，对基线高差和边长进行控制，确保高程拟合精度。在地形条件较好的测试区，还是以GPS RTK测量方法为主。

图2 GPS RTK地形测绘图

3.5 安全监测应用

GPS高程测量在水电工程施工的安全监测中也有重要应用。由于水电工程规模较大，建设周期长，在施工过程中对结构安全性进行监测非常重要。通过采用GPS高程测量技术对大坝和滑坡体进行检测，可以有效防治坝体坍塌、滑坡事故的发生。对于坝体和滑坡体的安全监测而言，采用GPS高程测量方法，在一定图形结构下，利用观测设备和数据处理软件，对其变化情况进行测量和监控，可以及时发现风险问题。但在测量和监测过程中，GPS高程信息容易被忽略，需要提高对GPS高程信息的关注，并与精密水准测量方法等结合应用，提高工程安全储备。