李吉華

(貴州省安順市水利水電勘測設(shè)計院，貴州安順561000)

GPS高程測量在水利工程中的應(yīng)用

李吉華

(貴州省安順市水利水電勘測設(shè)計院，貴州安順561000)

隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，其工程測量問題變得越來越重要。進(jìn)行有效的工程測量對于工程建設(shè)的質(zhì)量以及安全具有非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)因其具有獨特的優(yōu)勢被廣泛的運用在工程測量中，因而GPS技術(shù)在高程測量在水利工程中的運用越來越廣泛。文章主要以安順市“引千入虹”水利工程為例，闡述了E級GPS高程測量技術(shù)在該水利工程中的運用。

水利工程;GPS;高程;測量;觀測

1 工程概況

安順市“引千入虹”水利工程項目位于安順市西秀區(qū)，地處長江流域烏江水系與珠江流域北盤江水系寬緩分水嶺的南側(cè)，地理位置為E105°44'30″～106°21'31″，N25°56'32″～25°26'50″。

該工程地處長江流域和珠江流域分水嶺地帶，地表高程1 400～1 500 m。測區(qū)為一向南傾斜的丘陵盆地地形，地勢總的較平坦，開闊洼地和谷地彼此相連。地貌類型主要為溶蝕作用造成的峰林谷地和殘丘波地，為丘盆地區(qū)的巖溶溶蝕、侵蝕低山地貌。

安順市“引千入虹”水利工程主要任務(wù)為:通過采取工程措施將千峰河(本寨取水口以上)、木檔河(石古凼取水口以上)及棕樹、洋坪水庫的可利用水量引入虹山水庫進(jìn)行調(diào)節(jié)后向城區(qū)貫城河補水，從而改善安順城區(qū)虹山山水庫及下游貫城河的水環(huán)境狀況，進(jìn)一步美化安順城區(qū)環(huán)境。本項目主要在測區(qū)布設(shè)E級GPS網(wǎng)。

2 E級GPS網(wǎng)的選點和埋石

點位原則上在設(shè)計圖位置附近布設(shè)，在現(xiàn)場需要和委托方商議確定具體點位。所占用土地應(yīng)征得土地使用者或管理者同意。

點位的選擇除應(yīng)遵循GPS點點位條件的基本要求外，還應(yīng)注意下列要求:

1)新布設(shè)的E級GPS點應(yīng)優(yōu)先選擇在需建設(shè)的主要建筑物附近?？紤]到方便下一級導(dǎo)線發(fā)展的需要，各個E級GPS點宜有一個以上的E級GPS點與之通視。

2)點位應(yīng)選擇在交通方便，又有利于安全作業(yè)的地方。應(yīng)盡量避免在主要道路邊設(shè)點。

3)點位必須選在地基堅實，適合GPS觀測并有利于長期保存的穩(wěn)定區(qū)域。

4)點位應(yīng)該具有比較好的環(huán)境，方便進(jìn)行觀測。選擇的點位應(yīng)該遠(yuǎn)離功率比較大的無線電發(fā)射源，必須控制相互之間的距離≤200 m;離1萬V以上的高壓電線≥50 m。

選擇的點位一定范圍內(nèi)不應(yīng)該存在水源或者其他一些能夠干擾信號的物體(如金屬廣告牌等)，點位要盡量布設(shè)在四周開闊的區(qū)域，一般地區(qū)四周不得有高度角＞15°的障礙物，在個別困難地區(qū)，高度角可放寬至25°，但＞15°的障礙物其水平投影和應(yīng)≤60°。

2.1 點名及編號

點名及編號有下列4點原則:

1)點名一般取居民地名稱或地名，必要時可加上相關(guān)方位名稱(如東、南、西、北等)形式，點名一般≤5個字。當(dāng)利用國家控制點，點名利用原點名，新增GPS E級點點號，并在備注注明原控制點的屬性、等級。

2)當(dāng)點名中涉及生僻字時，取字義(音)較接近的字代替，并在點之記備注欄內(nèi)用筆填寫。

3)E級GPS點的編號按“N×××”表示，按自然數(shù)編號，從N001開始往后編，編號原則為自西向東、自北向南編排。

4)測區(qū)內(nèi)所有控制點不得重名、重號，但允許跳號［1］。

2.2 上交資料要求

上交資料的要求主要有:

1)選點結(jié)束后應(yīng)繪制測區(qū)E級GPS網(wǎng)選點圖。

2)拍攝標(biāo)石建造過程的照片。在標(biāo)石建造的關(guān)鍵工序，應(yīng)進(jìn)行拍照反映標(biāo)石埋設(shè)過程及反映其形狀和尺寸及整飾是否規(guī)范。像片中的標(biāo)尺應(yīng)該規(guī)范、清晰，拍攝基礎(chǔ)照片的相機與標(biāo)石的角度以45°為宜。拍照要求如下:

1)標(biāo)石坑照片:挖好基坑后拍照，反映出標(biāo)石坑大小。

2)標(biāo)石埋設(shè)后或標(biāo)石澆灌后照片:反映標(biāo)石形狀和尺寸是否規(guī)范;

3)標(biāo)石埋設(shè)位置照片:標(biāo)石埋設(shè)完成后，應(yīng)拍照反映標(biāo)石埋設(shè)位置的全景地貌。

4)利用原有控制點時，照片只需拍攝標(biāo)石埋設(shè)位置照片。

在埋石工作完成后用Word軟件對對每個GPS點的點之記進(jìn)行圖形的繪制以及相關(guān)數(shù)據(jù)的整理，然后利用A4紙將圖片打印出來，必須保證內(nèi)容完整與美觀。

3 儀器及檢驗

主要包括2個方面的內(nèi)容:

3.1 GSP接收機

本項目的GSP接收機將采用 SOUTH9600型和SANDINGT20型，共投入8臺套。

3.2 檢定和維護(hù)

項目中所用的GPS接收機及天線都必須按照按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行測前、測后檢驗，檢驗符合相關(guān)要求之后并且在有效期內(nèi)才能夠進(jìn)行使用。在對其進(jìn)行使用的過程中一旦發(fā)現(xiàn)存在異常情況，那么應(yīng)立即進(jìn)行檢驗。

4 E級GPS網(wǎng)的觀測

E級GPS網(wǎng)的觀測包括5個方面的內(nèi)容:

4.1 觀測方案

本測區(qū)采用同步環(huán)邊連接GPS靜態(tài)相對定位觀測模式，時段長度1 h，采樣間隔10～30 s，衛(wèi)星高度截止角 15°，PDOP≤6。

4.2 觀測的技術(shù)要求

觀測的技術(shù)要求有主要以下3點:

1)觀測時間段可在1 d(UTC時間)中任意選取。

2)觀測過程中，若出現(xiàn)天氣突變等情況應(yīng)放棄觀測，在合適的天氣條件下，重新觀測一個完整時段。如果在雷雨季節(jié)進(jìn)行觀測時，使用相關(guān)儀器設(shè)備時一定要注意雷電，防止雷擊事件的產(chǎn)生。

3)觀測前，要求進(jìn)行嚴(yán)格整平和對中，相關(guān)設(shè)備和儀器的操作和規(guī)定的要求。采用光學(xué)對點器對中并使用垂球進(jìn)行檢核，對中誤差應(yīng)＜2 mm。天線定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北［2］。

4.3 數(shù)據(jù)下載與存儲

1)每一個觀測時段的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)及時下載，下載之后應(yīng)及時將觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為RINEX格式文件，以此對下載的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性的檢查。

2)每天的原始數(shù)據(jù)使用1個子目錄。

3)所有原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式數(shù)據(jù)應(yīng)在現(xiàn)場復(fù)制兩套，一套存貯在移動硬盤中，一套保存在計算機中。

4.4 外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查采用TEQC軟件進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括:

1)觀測數(shù)據(jù)總量是否達(dá)到規(guī)定要求;數(shù)據(jù)可利用率;GPS接收機鐘漂移率;L1，L2頻率的多路經(jīng)效應(yīng)影響。

2)在檢查過程中如發(fā)現(xiàn)雙頻GPS接收機鐘漂移率＞0.001秒或者單頻GPS接收機鐘漂＞0.02 s，則需要重新設(shè)置GPS接收機參數(shù);當(dāng)數(shù)據(jù)可利用率＜80%，要找出原因，以確定是否重測。

4.5 觀測的記錄

E級GPS點野外觀測手簿及填寫格式按照規(guī)范中的格式統(tǒng)一制印和填寫。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 解算基線向量

基線解算采用隨接收機配備的商用軟件TGO1.6，所需要的起算點坐標(biāo)采用GPS單點定位觀測的平差值提供的WGS-84坐標(biāo)，采用廣播星歷，單基線處理模式。

5.2 檢核基線質(zhì)量

1)基線平差計算驗后均方差 rms值宜 ＜0.010 m。固定雙差解質(zhì)量因子ratio值宜＞3。計算同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)＜10%。

2)E級網(wǎng)采用單基線處理模式時，對于采用同一種數(shù)學(xué)模型的基線解，其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量相對閉合差不超過6×10-6，環(huán)線全長相對閉合差不超過10×10-6。

3)對于采用不同數(shù)學(xué)模型的基線解，其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量相對閉合差和全長相對閉合差按獨立環(huán)閉合差要求檢核。

4)無論采用單基線模式或多基線模式解算基線，都應(yīng)在整個GPS網(wǎng)中選取一組完全的獨立基線構(gòu)成獨立環(huán)，各獨立環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合下式規(guī)定:

式中:n為獨立環(huán)中的邊數(shù);σ為相鄰點間弦長精度，根據(jù)相應(yīng)等級精度要求(a、b)計算;W為環(huán)閉合差。

5.3 GPS網(wǎng)平差

1)GPS網(wǎng)平差軟件采用隨接收機配備的商用軟件TGO1.6。

2)GPS網(wǎng)無約束平差。

整網(wǎng)觀測基線解算工作結(jié)束后，選取合格的獨立基線組GPS基線向量網(wǎng)，以其中一個點的WGS—84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行無約束平差，以檢驗空間向量網(wǎng)的內(nèi)符合精度、再次檢驗組網(wǎng)基線是否存在粗差基線。

平差結(jié)束后，應(yīng)有無約束平差的結(jié)果綜述文件，弦長相對中誤差文件形成并保存作為精度統(tǒng)計依據(jù)文件。

在無約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對值應(yīng)滿足下式要求:

3)GPS網(wǎng)約束平差。

在三維無約束平差結(jié)束后，將質(zhì)量可靠的GPS空間向量網(wǎng)分別投影變換至本次測量采用的參心坐標(biāo)系。

在平差前檢核起算點的兼容性，固定聯(lián)測的三角點的平面坐標(biāo)進(jìn)行平面網(wǎng)的整體二維約束平差，留部分三角點作外部檢核。若外部檢核通過，則固定所有聯(lián)測點成果再進(jìn)行約束平差，獲得GPS網(wǎng)的參心坐標(biāo)系成果。

在約束平差中，基線向量的改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差應(yīng)符合下式要求:

dVΔx≤2σ，dVΔy≤2σ，dVΔz≤2σ (4)

平差結(jié)束后，應(yīng)對平差后點位中誤差、方位角中誤差、邊長相對中誤差進(jìn)行分析統(tǒng)計，并在最后技術(shù)小結(jié)中予以總結(jié)。

4)GPS高程擬合。

利用GPS網(wǎng)中經(jīng)四等水準(zhǔn)聯(lián)測的若干個點的正常高和在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行GPS網(wǎng)三維無約束平差所獲得的對應(yīng)各點的大地高平差值，確定這些水準(zhǔn)點的高程異常，據(jù)此擬合測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。

根據(jù)擬合所得的似大地水準(zhǔn)面，利用在WGS-84下進(jìn)行GPS網(wǎng)三維無約束平差所獲得的各點的大地高平差值計算其余各點的正常高。

若某些GPS控制點不便于聯(lián)測四等三角高程則采用GPS高程擬合的方法求得該點的高程。

6 結(jié)語

隨著水利工程勘察技術(shù)的不斷提高，GPS在水利工程測量中的運用將會越來越多，越來越廣泛，使用GPS測量技術(shù)，不僅提高了測量效益，還進(jìn)一步提高了測量的精度，今后GPS在水利工程中還會有更加廣泛的運用。

［1］嚴(yán)秀夫，譚文輝.淺論GPS在工程測量中的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟，2006(05):34-35.

［2］施昆.GPS網(wǎng)中網(wǎng)點正常高的一種求解方法［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報，1994(01):78-79.

TV221.1

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1007-7596(2014)05-0177-03

2013-09-11

李吉華(1977-)，男，貴州遵義人，工程師，從事水利測繪方面工作。