探究水利水电工程测量中GPS RTK技术的有效应用策略

2022-09-26胡浩明

科学与信息化 2022年18期

胡浩明

广东水电二局股份有限公司广东广州 511340

引言

为了进一步提高我国水利水电工程建设质量，必须要做好施工放样和地面测量等工作，从技术和管理等层面来提高水利水电工程测量精确度和可靠性。当前我国的实时定位应用较为普遍，但是在一些大型水利水电工程测量中仍然存在测量数据不够精确，检测过程存在漏洞等问题，而GPS RTK技术在水利水电工程测量中的应用可以有效解决测量数据不精确问题，进一步提高水利水电工程测量工作的精细化水平。

1 GPS RTK技术介绍

随着时代的发展，过去传统的测水准、测距和测角等的测量手段逐渐被GPS技术所取代，GPS定位技术由于具有较高的精确性和效率，其应用范围越来越广泛。GPS RTK技术高效稳定，操作简便，应用时功耗较小，同时也能保持良好的性能。GPS RTK技术原理是基于移动站和基准站的设定进行载波相位观测。基准站除了跟踪载波相对测量外，还能够借助数据链将观测值等数据信息进行对外传输发送。相关人员基于基准站点的基线向量进行实时计算，通过参数转换以及投影方式来计算和标注流动站坐标。

1.1 仪器配置

Trimble5700双频GPS两台套的动态平面定位精度是10mm±2ppm，高程定位精度为20mm±2ppm；一套25W数传电台；一台HD—17型数字测深仪，测深精度±2cm+1‰×H；一台笔记本电脑；一艘测船。

1.2 GPS系统组成

GPS利用卫星测时和测距，构成全球定位系统。工作卫星和备用卫星分别在六条与赤道平面构成55°角的轨道上运行，每个轨道平面配备有三颗卫星，卫星轨道呈圆形，轨道周期为12小时，有效保证卫星发射的频率。除了空间部分的工作卫星和备用卫星，GPS系统的地面支撑系统也起到重要作用。地面支撑系统包括主控站、全球监测站、地面控制站，从而有效跟踪卫星运行轨迹和测定时间等。

1.3 RTK技术优势

RTK技术操作简便，能够进行海量数据处理。在进行测量时，一般是一人观测一人记录，所以只需要一位工作人员便可以进行测量仪器的操作，同时测量过程需要做好限差的设定，从而进行更好进行数据的取舍和记录。单独一人在GPS RTK技术助力下便可以进行坐标值的计算，而且GPS RTK受到外部环境影响较小，比较适合全天候的作业。在应用过程中可以提高作业的自动化水平，扩大使用范围，提高定位的精确度和可靠性。

1.4 GPS RTK误差分析

GPS RTK技术应用中存在误差，误差的来源除了仪器设备等的干扰，还来自较远的距离干扰，如图1所示。对此，进行仪器设备干扰的排除可以通过矫正的方式进行，而因为较远距离所带来的较大误差可以通过多基站技术来减小误差，消除障碍。一般来说，天线机械中心和相位中心并不重合，而且随着相位中心的变化坐标点也会随之变化，出现坐标点一定范围内的误差。这种误差可以通过天线检验矫正的方式进行消除。GPS RTK应用中多路径误差较为严重，这种误差是因为天线周围复杂的环境导致，甚至会存在5～10cm的较大误差范围。对于该种误差的消除是通过选择较为开阔的点位进行有效规避。GPS RTK技术的应用较为容易受到信号干扰和天气变化干扰，需要保持基准站应与无线电发射台、高压线的适当距离，尽量避免在恶劣天气进行GPS RTK技术的应用[1]。

图1 GPS RTK误差来源

2 GPS RTK技术在水利水电工程中的应用价值

如表1所示，相比于传统测量技术，GPS RTK准确性更高，测量范围可以进行无限延长，测量的时间也大大缩短。

表1 传统测量技术与GPS RTK测量技术对比表

2.1 提高测量数据的精确性

GPS RTK技术的应用相比于传统测量技术可以大大提高测量数据的精确性，从而降低测量工作的难度，提高测量工作的质量。实际水利水电工程测量工作开展中，GPS RTK技术测量水平甚至可以达到96%。

2.2 扩大测量范围

GPS RTK技术应用可以有效拓宽测量范围，实现海陆空等全方位的测量工作高效开展，与传统测量技术相比具有无限延长的测量范围[2]。

2.3 测量时间短

传统测量方式进行水利水电工程测量一般需要耗时一个月，而应用GPS RTK技术则可以将测量时间控制在一周之内，合理控制测量的人工成本投入。应用GPS RTK技术，还能够对测量工作进行自动化处理，提高测量的准确性和可靠性，优化测量工作发展机制。应用GPS RTK技术可以有效避免外界环境因素的干扰，更容易实现预期测量工作目标。

3 关于GPS RTK技术在水利水电工程测量中的应用要点探讨

3.1 断面的测量

水利渠道工程运算工作的开展需要借助纵横断面图来计算土石方量。应用GPS RTK技术将设计线形进行传输，RTK手簿中得到传输的设计线形后再进行渠道桩号提供，渠道的纵向放线、横向放线以及中线距离等的提供，极大方便了断面高程点施工测量[3]。

3.2 施工放样

一般来说，全站仪放样不能仅靠一位工作人员便可以顺利完成，一般需要三个左右的工作人员进行距离放样与方向放样，而且对于全站仪的通视情况有着较高的要求。采取PTK放样不仅可以直接进行坐标对接，还能够实现复杂曲线和直线放样，将放样对象摆放在同一直线上，避免了坐标位置问题，该功能再拆迁放样中发挥着积极作用。水利水电工程施工中可能会面临同时测量与障碍等问题，需要根据实际情况来增加放样点，而RTK直线放样在一定程度上避免了测量中的障碍问题[4]。

3.3 控制测量

我国幅员辽阔，不少水利水电工程的建设位于较为偏远的地区，而且在实际建设中存在高等级控制点数量的限制，进而影响到测量工作的顺利开展。GPS RTK技术的应用可以高效处理渠道和河道等特殊地形，进行横断面和纵断面的测量。采用GPS RTK技术在提高工作效率的同时也有效控制成本投入，实现了各项资源的充分利用。

3.4 地形的测量

不少水利水电工程需要进行现场选址，在进行位置确定之前需要经过长时间的参考探讨，合理分析高程坐标数据，进而才能做好工程现场选址。GPS RTK技术能够快速定位和坐标确定，在小片地形勘察中发挥着较大的价值，获得较为理想的现场选址效果。GPS RTK技术进行场地测量能够获得较为精确的数据资料，有效解决连续站积累误差问题。应用GPS RTK技术进行地形测量可以节约人力资源的投入，确保定位的精确性[5]。

3.5 对水利水电的岩体进行测量

大坝坝体挖方施工后，坝基的岩体会出现移动，松弛度也会发生变化，尤其是在坝基的地应力部分。为了确保坝体基础岩层的应用，需要全面考虑坝基岩体所具有的较强卸荷度，保护基础岩层的应用价值。掌握并遵循基岩体的声速波率和坝体推移时间的递减变化规律，合理分析大坝坝基岩体预应力变化所带来的重力荷载变化以及松弛度变化。进行水利水电工程岩体测量还可以在大坝的基面设置安装监测站，分析水利大坝的基面情况，规范测量分析路径。同时，还要明白大坝岩体基层的测量结果也是随时发生变化的，跟随测量实践发展而变化，岩层也会受到影响[6]。

4 关于提高GPS RTK测量精确度的有效措施探讨

4.1 提高精度的要求

为了进一步提高GPS RTK测量精确度，需要选择较高的位置进行基准站建设。与此同时，还要不断提高基准线对天线进行发射的高度。联合测量的控制点选择上最好应用已经建设完成的国家高等级三角点、GPS点。进行测设时需要仔细查阅卫星星历预报，择优选择卫星数量多，有着较好分布状态的时间段进行。适当延长测设点时间，稳定测量数据结果，尽可能保持流动站天线的垂直状态。采用定向天线方式来提高作业距离，控制流动站的作业半径在合理范围内，一般不超过10km，使得信号能够在某一方面进行集中。如果确定好合适的方向，那么会有效提高作业距离。此外，为了显著提高作业距离，还可以设置电台中继站，在一定距离上增加中继站电台，在接收数据的同时也能够发射数据。电量方面，要确保供电电瓶数量足够，转换参数求取时，认真检查各个控制点坐标，做好坐标转换栏值的检查，确保数据值在合理范围内[7]。

4.2 明确GPS RTK技术局限性

GPS RTK虽然具有较大的优势，但是仍有其局限性，主要来自于GPS系统。GPS全球定位系统依赖于高空中的卫星信号，由于距离较远所以信号弱且频率高，很容易因为长距离中存在的障碍物而影响数据的输送和接收。如果卫星和GPS接收机的路径中存在障碍物，那么系统的操作则会受到影响。举例来说，房屋会屏蔽卫星信号，所以GPS的使用一般在户外进行，从而避免房屋建筑的信号屏蔽。此外，在水下作业以及隧道作业中也不能使用GPS，因为会出现信号反射、折射等问题。在一些较为偏僻的深山老林中也很难接收GPS信号，而对于位置的计算必须要基于较强的信号，否则很容易出现定位的偏差[8]。