徐立軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110006)

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GPS技術(shù)在水利測(cè)量工程中的應(yīng)用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110006)

GPS技術(shù)可進(jìn)行沿線總體控制測(cè)量，采用RTK方法在勘測(cè)階段為帶狀地形圖、路線平面、縱面測(cè)量的測(cè)繪提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；在施工階段可建立施工控制網(wǎng)，為水利工程閘門、渠道、堤壩施工提供測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著RTK技術(shù)被廣泛使用在水利工程建設(shè)及運(yùn)營中，GPS測(cè)量技術(shù)會(huì)不斷改進(jìn)。文章對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，實(shí)例分析了GPS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，對(duì)平面控制網(wǎng)測(cè)設(shè)、數(shù)據(jù)處理、高程控制測(cè)量的要點(diǎn)進(jìn)行分析。

GPS;RTK；水利工程；測(cè)量

1 GPS全球定位系統(tǒng)

在水利工程建設(shè)過程中，GPS技術(shù)不僅能準(zhǔn)確提供測(cè)量信息，且測(cè)量速度快，還可對(duì)運(yùn)行中的水利建筑物及構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GPS全球定位系統(tǒng)借助導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)距、定位、測(cè)時(shí)，具有良好的抗干擾性、全天候性、實(shí)時(shí)性、全球性、連續(xù)性，可根據(jù)用戶需要提供精密準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)、時(shí)間和速度。GPS測(cè)量中包括二類坐標(biāo)系統(tǒng)，第一類是和地球體相固聯(lián)的，即地固坐標(biāo)系統(tǒng)，第二類是空間固定的，在實(shí)際工作中通常要進(jìn)行相關(guān)坐標(biāo)類別及相關(guān)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，來求得三維坐標(biāo)。

2 GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 定位精度較高

通常紅外儀標(biāo)稱精度達(dá)5mm+5ppm，而雙頻GPS接收機(jī)的基線解精度達(dá)5mm+1ppm，可見二者測(cè)量精度相同，GPS的測(cè)量精度明顯高于普通常規(guī)測(cè)量。實(shí)踐表明，測(cè)量50km以內(nèi)距離時(shí)，其基線上相對(duì)定位精度達(dá)10-6，而1000km以上時(shí)基線上其相對(duì)定位精度10-8，在300-1500m進(jìn)行GPS精密定位，觀測(cè)解算1h后，平面位置誤差±1mm，基線邊長(zhǎng)越長(zhǎng)，定位精度越高。

2.2 測(cè)量用時(shí)較短

采用GPS進(jìn)行水利工程測(cè)量，小于20km相對(duì)靜態(tài)定位需15-20min，進(jìn)行快速靜態(tài)相對(duì)定位時(shí)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)相對(duì)定位時(shí)，先觀測(cè)1-2min，之后可隨時(shí)定位，且每站觀測(cè)僅需幾秒鐘；基站和流動(dòng)站距離小于15km時(shí)，在流動(dòng)站僅需1-2min觀測(cè)?？梢?，GPS在水利工程中應(yīng)用，其測(cè)量速度快且監(jiān)控?zé)o間隔，測(cè)量人員可及時(shí)對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行掌握，以便及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

2.3 測(cè)站間無需通視

在水利工程測(cè)量中，有些大型河流，測(cè)量站點(diǎn)通常很多，采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)就會(huì)遇到通視的問題，因測(cè)量站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，不利于測(cè)量人員交流和溝通，采用GPD系統(tǒng)后，通過建立站點(diǎn)間信號(hào)發(fā)射裝置，站點(diǎn)間可有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得測(cè)站間實(shí)現(xiàn)相互通視，測(cè)量人員也可更加靈活方便的選擇測(cè)量站點(diǎn)。為防止GPS衛(wèi)星接收信號(hào)收到干擾，要盡量使測(cè)站處于上空開闊的位置[1]。

2.4 操作簡(jiǎn)單

GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測(cè)等都是GPS測(cè)量?jī)x自動(dòng)進(jìn)行的，GPS測(cè)量受外界環(huán)境影響因素小，進(jìn)行大地測(cè)量，目前GPS水準(zhǔn)測(cè)量精度滿足四等水準(zhǔn)要求，可測(cè)量平面和高程，且看精準(zhǔn)對(duì)測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)識(shí)。當(dāng)前GPS接收機(jī)趨于小型化，操作也趨于簡(jiǎn)單便捷化，測(cè)量人員僅需把天線整平、對(duì)中，測(cè)量天線高，開機(jī)即能進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，采用數(shù)據(jù)處理軟件，即可得到觀測(cè)站的三維坐標(biāo)。

3 GPS在水利測(cè)量工程施工中的重點(diǎn)

3.1 外業(yè)測(cè)量

水利工程中外業(yè)測(cè)量是比較困難，但GPS技術(shù)應(yīng)用在水利工程中，可進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量和部分碎部測(cè)量。所謂RTK，是指GPS靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。在測(cè)量時(shí)，首先要準(zhǔn)確選點(diǎn)，確定導(dǎo)航基站的架設(shè)位置，進(jìn)行無線安置和開機(jī)觀測(cè)，進(jìn)行無線安置時(shí)，先進(jìn)行正常點(diǎn)安置，在平臺(tái)上將天線固定，使標(biāo)志中心與天線在同一方向，同時(shí)還要確保天線基座內(nèi)的氣泡平整，注意及時(shí)對(duì)進(jìn)行基座加固，并對(duì)設(shè)備做好防潮防雨。

3.2 布網(wǎng)及放樣

采用GPS進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)的全過程監(jiān)控測(cè)量，通常GPS布網(wǎng)包括邊連式和點(diǎn)連式2種。邊連式布網(wǎng)中，設(shè)立導(dǎo)航基站時(shí)，在三角形核心位置設(shè)置測(cè)控點(diǎn)。點(diǎn)連式布網(wǎng)中，建立測(cè)量控制系統(tǒng)時(shí)，在河道附近設(shè)立基站。在水利工程測(cè)量中放樣方式有2種，包括RTK點(diǎn)放樣與線路放樣。運(yùn)用RTK點(diǎn)放樣時(shí)，把靜態(tài)網(wǎng)中的坐標(biāo)和放樣點(diǎn)坐標(biāo)的相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)同時(shí)傳入GPS流動(dòng)站內(nèi)，開進(jìn)行實(shí)地放樣時(shí)，要依據(jù)所放點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行，精度5cm內(nèi)；進(jìn)行線路放樣時(shí)，需制定線路中心線文件，編制依據(jù)線路中心線的彎道元素，并將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)和該測(cè)量文件傳入GPS流動(dòng)站中，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)樁號(hào)及放樣點(diǎn)和中心線的關(guān)系開展現(xiàn)場(chǎng)放樣。

3.3 航空攝影測(cè)量外業(yè)像控點(diǎn)采集

水利工程測(cè)繪中，像控點(diǎn)通常呈分散布設(shè)，且各點(diǎn)間距較長(zhǎng)，使用傳統(tǒng)測(cè)量手段，測(cè)量進(jìn)度緩慢，而且精度也不高，耗費(fèi)很大的人力財(cái)力。但使用GPS測(cè)量技術(shù)，可以在很短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確采集外業(yè)像控點(diǎn)。

3.4 高程測(cè)量

進(jìn)行區(qū)域性大地水準(zhǔn)面高程測(cè)量時(shí)，通常結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量資料和GPS測(cè)量資料，且在進(jìn)行GPS觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量前，需要具有水準(zhǔn)測(cè)量資料，測(cè)量時(shí)要保證測(cè)量點(diǎn)密度合理，且分布均勻。水利工程高程測(cè)量中，采用GPS系統(tǒng)可準(zhǔn)確進(jìn)行高程測(cè)量，即便在惡劣環(huán)境地區(qū)，也可及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得水準(zhǔn)測(cè)量信息，借助大地水準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，內(nèi)插法可得出高程異?；虍惓２?，從而確定待測(cè)點(diǎn)的正常高程。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程概況

某引水工程遼中支線輸水路線長(zhǎng)度8.9km；大石橋支線輸水路線長(zhǎng)度12.9km；鞍山支線輸水路線長(zhǎng)度27.9km，海城支線輸水路線長(zhǎng)度4.4km；大洼支線輸水路線長(zhǎng)度55.6km。根據(jù)下達(dá)的《專業(yè)提資要求表》中的要求，為滿足輸水管線施工放樣的需要，須進(jìn)行JLN供水二期工程施工控制網(wǎng)測(cè)量，同時(shí)完成某引水工程鞍山支線改線測(cè)量任務(wù)。

4.2 軟硬件資源

LeicaDNA03水準(zhǔn)儀2臺(tái)及配套的條碼水準(zhǔn)銦瓦尺2副，標(biāo)稱精度：0.3mm/km；LeicaGS15雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)4臺(tái)，標(biāo)稱精度：平面±(3+0.5ppm×D)mm、高程 ±(6+0.5ppm×D)mm；南方S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)9臺(tái)，標(biāo)稱精度：平面±(2.5+1ppm×D)mm、高程 ±(5+1ppm×D)mm；LeicaGPS后處理軟件LEICAGeoOfficeCombined；GPS工程測(cè)量網(wǎng)通用平差軟件包CosaGPSV6.0；現(xiàn)代測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSACODAPSVersion6.0。

4.3 平面控制網(wǎng)測(cè)設(shè)

根據(jù)工程建筑總體布局和地形情況，從便于管線施工放樣的角度出發(fā)，并根據(jù)業(yè)主的要求：沿管線沿線間隔約3km，選擇一對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)，這對(duì)點(diǎn)的間隔距離處在300-800m范圍內(nèi)，布設(shè)為D級(jí)GPS全面網(wǎng)，運(yùn)用邊連式的布網(wǎng)方式，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)最少設(shè)置三條基線相互連接。進(jìn)行平面控制測(cè)量：為滿足鞍山海城支線、大洼盤山支線后續(xù)施工的需要，建立首級(jí)控制網(wǎng)，按C級(jí)GPS網(wǎng)精度施測(cè)。遼中、大石橋、鞍山海城、大洼盤山支線施工控制網(wǎng)按精度D級(jí)進(jìn)行測(cè)量，保證約束點(diǎn)間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差≤1/15萬，全網(wǎng)最弱相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差≤1/8萬。

進(jìn)行選點(diǎn)及埋石，GPS網(wǎng)點(diǎn)圖形結(jié)構(gòu)比較靈活，但若選點(diǎn)不當(dāng)，可能會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)被遮擋或受到干擾，多路徑效應(yīng)發(fā)生“共振”，相位觀測(cè)中“周跳”頻繁發(fā)生等現(xiàn)象。對(duì)于本平面控制網(wǎng)，除聯(lián)測(cè)國家三角點(diǎn)外，還要做好埋石，供水線路沿線多年最大凍土深度在1.3m左右，故選用標(biāo)石規(guī)格為15cm×15cm×150cm，使埋石深度處于凍土層下0.1m，且地面高出0.1m，這樣方便現(xiàn)場(chǎng)查找埋石點(diǎn)，標(biāo)石底部澆筑水泥。

4.4GPS網(wǎng)觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

首級(jí)控制網(wǎng)及施工控制網(wǎng)施測(cè)時(shí)，采用LeicaGS15雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)與南方靈銳S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行平行觀測(cè)，進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)時(shí)，采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位的方式。在全面檢查外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)全部正常后再進(jìn)行基線解算?；€解算采用LeicaGPS處理軟件LEICAGeoOfficeCombinedV7.0進(jìn)行，GPS網(wǎng)的基線結(jié)果必須采用雙差固定解，在進(jìn)行基線初步檢驗(yàn)過程中，剔除了精度不好的基線，將剩余基線形成*.asc文件調(diào)入CosaGPSV6.0進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核及平差計(jì)算，基線校核數(shù)據(jù)檢核在CosaGPSV6.0中進(jìn)行，進(jìn)行重復(fù)基線及異步環(huán)閉合差的檢核，進(jìn)行GPS網(wǎng)精度評(píng)定，平差計(jì)算軟件采用GPS網(wǎng)平差處理軟件CosaGPSV6.0。

4.5 高程控制測(cè)量

高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。各支線高程控制按三等精度施測(cè)，遼中、大石橋、海城、大洼支線均布設(shè)附合水準(zhǔn)路線，鞍山海城支線、大洼盤山支線布設(shè)水準(zhǔn)網(wǎng)，聯(lián)測(cè)所有施工控制點(diǎn)。運(yùn)用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行三等水準(zhǔn)測(cè)量，進(jìn)行外業(yè)測(cè)量時(shí)，使用LeicaDNA03水準(zhǔn)儀。測(cè)量前，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求對(duì)儀器進(jìn)行i角檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足《國家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中對(duì)儀器i角限差的要求。布設(shè)三等水準(zhǔn)附合路線及水準(zhǔn)網(wǎng)，利用COSACODAPSVersion6.0進(jìn)行高程控制水準(zhǔn)測(cè)量精度評(píng)定計(jì)算，對(duì)得到的成果與Excel2007中設(shè)計(jì)的平差計(jì)算表格進(jìn)行平差計(jì)算結(jié)果比較。

4.6 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)收

控制點(diǎn)點(diǎn)位選擇合理，標(biāo)石埋設(shè)穩(wěn)定；測(cè)量所使用的儀器通過了質(zhì)檢部門的檢定；采用的控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)正確；工程坐標(biāo)采用SurveyTools401軟件和CosaGPSV6.0軟件分別計(jì)算進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算結(jié)果正確。采用Excel2007軟件對(duì)水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算，取得的結(jié)果與本工程采用現(xiàn)代測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSACODAPSVersion6.0進(jìn)行水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算結(jié)果正確。通過對(duì)施工控制網(wǎng)2000國家大地坐標(biāo)系與1954年北京坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，轉(zhuǎn)換殘差滿足規(guī)范要求。內(nèi)業(yè)對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行了100%檢查。采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣法，通過對(duì)文件名及數(shù)據(jù)格式、數(shù)學(xué)精度、附件等檢查，未發(fā)現(xiàn)不合格項(xiàng)，成果質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié) 語

GPS技術(shù)可進(jìn)行沿線總體控制測(cè)量，采用RTK方法在勘測(cè)階段為帶狀地形圖、路線平面、縱面測(cè)量的測(cè)繪提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；在施工階段可建立施工控制網(wǎng)，為水利工程閘門、渠道、堤壩施工提供測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著RTK技術(shù)被廣泛使用在水利工程建設(shè)及運(yùn)營中，GPS測(cè)量技術(shù)會(huì)不斷改進(jìn)。

[1]張萍.試論水利測(cè)量工程中GPS的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2014(04):168-169

1007-7596(2017)03-0135-03

2017-02-20

徐立軍(1983-)，男，工程師，從事水利工程測(cè)量工作。

P228.4；TV

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