GPS技术在水利控制测量中的应用

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　　【摘 要】在水利工程应用中，需要经过科学的测量，然后再进行相应的工程选址和设计，进行工艺对比等一系列工作。在施工过程中，需要对水工建筑进行放样测量，保证工程的质量。要水利工程的高精度测量，就要用到GPS 技术进行高精度测量，这种技术目前比较成熟，在水利工程的应用上，发挥着很大作用。
　　【关键词】GPS技术；水利工程；控制测量
　　引言
　　实施水利工程测量工作时，应使用更为先进的测量设备与方式，再加之社会生产力的不断发展，必须不断提高生产力，以促进我国生产与生活工作的科学性发展。为不断提高水利工程测量质量，应充分利用好GPS技术，且该种技术具有高精度、高效率、低成本等多种优势，进而受到用户的广泛欢迎。借助GPS技术，定位更为精准，可获取厘米级的定位点，特别是RTK能在短暂的几秒中即可获取高精度的定位数据信息，此种技术在整个水利工程测量之中的应用效果是很理想的。
　　一、GPS工作原理
　　GPS系统属于全球定位技术，该技术已日趋成熟，逐渐运用于工业、军事、矿产、建筑等各个领域，目前已获得较为明显的成果。该技术具有高精度与高效率的优点，对于传统工程测量，通常需布置控制网，实施桩位放样，大多使用全站仪、测距仪等仪器。而GPS系统完全不考虑气候因素，不受地形环境影响，确保工程测量能够高精度与高效率。主要由六个方面表现：
　　首先，动态分析桩位放样，桩位精确度误差可控制于厘米级。
　　其次，构建放样平台。利用GPS技术，可构建放样平台，在施工平台中设置钢管桩放样，有利于减少外业测量时间。
　　第三，偏心检查。为确保精确度，可实现一物两用，利用桩位偏心检查技术，使工程测量效率显著提升。使用GPS技术需注意，部分测量数据不能够直接获取，必须与其它测绘仪器相结合，方可顺利完成工程测绘。
　　第四，GPS与传统测绘技术可有效结合，实现测量定点与定时，现阶段，通常采用静态定位技术与快速的静态定位技术。若采用静态定位，需确保观测时，不改变接收机的位置，因为计算过程，接收机位置与时间无关，主要在工程顶线、基础测量等高精度测量中使用。另外，因静态定位的观测时间一般较长，若无特殊精度需求，在工程测量中不建议使用该技术。由于观测时间长，进而研发了快速静态定位技术，该技术利用载波香味，观测值可控制于毫米级，通过几个历元观测，可达到厘米级定位需求。
　　第五，GPS信号。GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，
　　第六，静态定位。所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。
　　二、GPS误差分析
　　在GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为四类：①与GPS卫星有关的误差：主要包括卫星中的误差和卫星的轨道误差。②与信号传播有关的误差：主要包括大气折射误差和多路径效应。③与接收设备有关的误差：主要包括观测误差、接收机钟差、天线中心误差和载相位观测的整周不定性影响。④其它误差：地球自转的影响；地球潮汐的影响等。根据误差产生的原因不同而采取不同的措施，其中包括：①引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算；②建立系统误差模型，对观测量加以修正；③将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响；④简单地忽略某些系统误差的影响。GPS测量主要误差控制范围见下表：
　　三、GPS 技术在水利应用特点
　　水利工程在GPS 技术应用上，借助于GPS 卫星定位，能够实现工程的精确定位。GPS 系统主要有三个部分构成，分别是空间和用户、地面设备方面，其中空间部分主要是距离地面2000 千米高度有二十四颗卫星在轨道上，实现全天候的控制和观测，随着大气摩擦的影响，导航精度上会有一定的偏差。对于地面控制系统中，有地面监测中心和主要控制站以及地面天线等，地面控制系统主要是接收卫星发布的信号，然后测量卫星轨道以及相距距离。还有用户设备，主要是GPS信号接收机，这种设备能够精确获取卫星信号，同时经过内部的处理和计算机分析后，能夠有效获取用户坐标。
　　GPS 技术的适应性非常好，且能够应用到许多行业中，和一般的测量技术比较而言，其自身具备更多的高科技优点。GPS 技术能够实现高度自动化，且操作上比较简单、方便，在测量的过程中，只需一点简单动作，例如操作连接电缆线工作，放置相关仪器等，这些工作都是非常简单，即可实现GPS 技术的自动化跟踪。同时，还可以不间断的全天候提供导航服务和各种测量工作，且观测需要的时间很短，能够获得较高精度的测量数据。
　　GPS技术应用的优势概括而言，主要表现在四个方面：
　　（1）测量效率非常高
　　测量效率高是GPS 测量技术的一大优点，使用GPS 测量时，仅用几秒就可以获得准确的三维定位，在卫星信号不稳定的情况下，其也可以在几分钟内完成测量，可见速度之快，效率之高。使用了GPS 测量技术，每天可以提高70%以上的效率。
　　（2）测量精度非常高
　　GPS 测量技术能为用户提供高精度的三维定位，并且在不受任何天气状况的影响。利用GPS 静态定位技术测量时，测量误差仅仅3～4 毫克/ 升，而在不超过20 公里的距离测量时，测量误差也仅为几厘米。
　　（3）工作强度非常小 　　传统的测量设备在进行工作时，受外界的影响很大，特别是受地貌、地形、地物的影响，这都增加了测量人员的劳动强度。然而GPS 测量技术就没有这个缺陷，它不受天气、地形的影响，可以在短时间内对大面积不规则的复杂区域进行测量。
　　（4）无需通视
　　GPS 测量技术不需要互相通视，弥补了传统测量的缺陷。只要测量地点地形平坦开阔，卫星信号不受干扰，就能灵活方便地进行测量。
　　四、GPS技术在水利控制测量中的应用
　　1、建立工程控制网
　　工程控制网作为工程管理和建设的基础，其类型及精度与工程项目的规模和性质均有密切的联系。通常情况下，工程控制网的覆盖面越小，点位密度越大，对于精确度得要求也就越高。边角网是最为常用的方法之一。采用 GPS 定位的方法构建控制网，对于点位选择的限制较少，测量精度较高，且具有时间短和费用低等诸多优点。在工程首级控制网中应用广泛。应用GPS 技术进行控制网建立，一般多采取载波相位静态差分技术，以保持毫米级得测量精度。采用GPS 技术建立施工控制网以及工程控制网均拥有十分明显的优势。道路施工和勘探控制网，具有横窄、纵长的特点。通常采取三角锁、导线的方式，并常常需要进行分段实施，以防止误差积累。采取GPS 技术，因为点与点之间没有通视的需要，能够敷设较长的三角锁，实现长距离线路坐标控制的一致性。
　　2、选点与立标
　　GPS水利测量时应该遵循四大原则：
　　1）测量点选择交通便利、周围无障碍物的地方，视野开阔保证有足够的视场；另外测量点地面基础牢固，而且易于下次找到，保存测量点的位置。
　　2）测量点选择在至少200米内没有大功率无线电发射源；离高压线的距离不得小于50m，以避免高压线产生的电磁场对GPS信号的干扰。
　　3）测量点选择在无强烈干扰卫星信号接收的物体，如大面积水域是强烈的干扰物，因此要避免大面积水域。如此选择的目的是为了避免多路径效应。
　　4）测量点选择时，有就测量点不选新的测量点。使用旧的测量点前对旧点的稳定性和完整性进行检查，符合要求继续使用。另外GPS网点要铺设标志性的标石。为准确标定点位，另外选择标石也有要求，选择的标石要稳定、坚固以便长久使用。预埋标石后及时标记和更新选点网图。
　　3、平面控制测量
　　GPS与EDM导线结合的方法对于高水头的水利工程，输水隧洞的控制是整个工程的核心。由于水利工程处位于山地狭谷这种特殊的位置，采用GPS测量往往受到地形条件的限制，不能直接在坝址、进出洞口（支洞）、厂房等关键位置上施测，而只能在附近山脊等開阔处选取合适的点位，再用EDM导线延伸至需要的位置上。在各施工区如坝址、洞口、厂房等处布点时，每处至少布设2～3个点，并使各相邻点互相通视，最好能组成一个三角形，以便检验测量成果的精度。常用的方法有：用全站仪测量两点间的平距与GPS二维约束边长进行比较，用全站仪测量单角与GPS坐标反算角度值进行比较等。
　　测距导线作为水利工程的地表控制是非常合适的，一方面全站仪在生产单位已得到全面的普及，同时它又有良好的测角、测距精度；另一方面，测距导线选点的自由度大，能在所需的地方布点，并能一次性完成平面和高程控制测量。为提高隧洞的贯通精度，减少坝址与厂房间控制点的数量，导线宜布设成直伸型。通常采用的有闭合导线：双支导线和单支导线，需要强调的是，当长度在2000m以内时，可用单支导线（一级导线的观测要求）控制；当长度大于2000m时，应用闭合或双支导线作控制。
　　4、拟合高程测量
　　水利工程中采用GPS高程测量与几何水准相比较，具有许多优越性，主要表现在电间无须通视、观测操作简单、网型连接要求不严、减轻外业作业人员的劳动强度、提高工作效率，具有良好的经济效益和社会效益。在平原或丘陵地区的一般工程测量中，完全可以用GPS高程拟合的方法代替四等水准或普通几何水准测量。在带状测区，高程拟合采用线性拟合更合适，而在面状地区，则不太合适。在山区GPS网中，只要联测适量的几何水准，利用数值拟合法求解GPS正常高，可以达到山区四等水准的要求。
　　GPS高程控制网的设计应根据高程异常的变化情况，对水准联测进行设计，应做到精心设计、精心观测和精心解算。联测的几何水准应分布于线型网的两端和中部。如果是区域网应均匀分布于周边和网的内部。这样布设拟合的精度最好、最合理。网型传递应采用网连式，高程的传递应采用符合方式进行高程推算。控制点的选点应尽量选择适合GPS观测的环境，以保证观测质量。减少外业的返工率和作业时间。同时作好星历预报，计划好观测时间，确保卫星数量和接收数据的质量。
　　基线数据处理必须细心，保证参加高程控制拟合计算的基线全部同过QA和Tau测试，对于未通过的基线应根据是否影响高程传递进行补测。
　　采用的已知水准点越多，拟合精度就越高。在实际应用中，对于线状测区，平均每4～8Km应该有一个几何水准点参与拟合；对于面状测区，平均每10Km2应该有一个几何水准点参与计算，这些点应尽可能包围所有的拟合点。在地形复杂的测区，应适当增加水准重合点观测。
　　5、测量水下地形
　　测量水下地形基本步骤为，连接电脑、测探仪、GPS等设备，导航软件定位测量船，指导测量设备运行在指定航线上，通过测深仪和GPS在笔记本电脑中导入实时测量数据，然后利用海洋测量软件来导出文件或者形成地形图，最后利用南方促会cass7.0 地形地籍成图软件进行绘制。从实际情况来说，测量水下地形中应用GPS技术，能够适当增加测量精度，降低施工周期和工作量，数字化地形图为以后管理和建立地理信息系统奠定基础。
　　6、外业观测
　　外业观测是指采集来自GPS接收机的数据信号，其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作隔阂观测记录。外业观测按照拟定的观测计划严格进行实施。为了观测任务顺利地完成，在观测外业之前，还要对所选定的接收设备进行严格的检验。实现精密定位的重要条件之一是天线的妥善安置，其具体内容包括：整平、对中、量取天线高和定向。目前GPS接收机自动化程度相当高，能顺利地自动完成高程测量工作，一般仅需按动若干功能键；并且显示屏上均有提示，做到实时记录。 　　7、外业测量的误差分析
　　1）系统误差
　　仪器的精密度和外界条件变好是系统误差产生的两个主要原因。例如，量距时所用的钢尺存在尺长误差，则每量一整尺距离就产生一个相应的误差；同样当温度变化时会引起钢尺的长度变化，其引起量距误差为湿皮变化值的函数，这些都是系统误差。系统误差具有象积性质，而且一般总是可以预期出现，并按其出现的规律采取相应的措施以消除和减弱它的影响。例如，钢尺量距时，先检定钢尺，求出尺长改正数，在观测时测定温度，然后在测量结果中将尺长修正，即可消除尺长误差和温度变化对距离的影响。
　　2）偶然误差
　　偶然误差是由于人、仪器和外界条件等多方面因素引起的，但不能确知其产生的具体原因，具有随机性。例如，无论是水准测量，还是角度侧量，用望远镜的十字丝照准目标时，由于望远镜的分辨能力、放大倍率的限制以及空气透明度、目标折射率等影响，使照准目标或偏左或偏右产生照准误差，也使估读数值变化不定产生读数误差。这些误差都属于偶然误差。
　　偶然误差的大小和符号随着各种偶然因索的综合影响在不断地变化，不同于系统误差，它不能够用有效的方法来消除，但可以进行总体控制，因为这种误差总体而言，服从一定的统计规律，可利用概率论和数理统计方法来分析。
　　四、GPS技术在水利工程测量中的应用前景
　　随着我国国民经济的快速增长的西部大开发的实施，我省的水利工程建设迎来前所末有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求。随着水利工程勘测设计行业软件技术和硬件设备的发展，水利工程勘测设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是水利工程勘测设计内外业一体化的要求，也是影响水利勘测设计技术发展的瓶颈所在。目前水利工程勘测中虽已采用电子全站仪和电子水准仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。
　　当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量，为勘测阶段测绘带状地形图，路线平面、纵面测量提供依据；在水利工程施工阶段为闸门、渠道、堤壩建立施工控制网，这仅仅是GPS在水利工程测量中应用的初级阶段，其实，水利工程测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在水利工程中的应用，有着非常广阔的前景。下面就RTK技术在水利勘测中的应用作简单的介绍。
　　结语
　　GPS 测量技术在水利工程中发挥着重要的作用，由于其具有高精度、高准度、全天候、时间短、多功能、操作简单、自动化程度高等优点，为水利工程的测量带来了极大的便利，提高了水利工程的测量效率。随着科技的发展，GPS 测量技术也会不断得到提高和改进，使其会越来越多、越来越广地运用到水利工程建设中去，从而促进我国水利工程建设的发展和完善。
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　　（作者单位：西北水利水电工程有限责任公司）
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