王永 白錫銀 趙東陽

【摘 要】在水利工程應用中，需要經(jīng)過科學的測量，然后再進行相應的工程選址和設計，進行工藝對比等一系列工作。在施工過程中，需要對水工建筑進行放樣測量，保證工程的質(zhì)量。要水利工程的高精度測量，就要用到GPS 技術進行高精度測量，這種技術目前比較成熟，在水利工程的應用上，發(fā)揮著很大作用。

【關鍵詞】GPS技術；水利工程；控制測量

引言

實施水利工程測量工作時，應使用更為先進的測量設備與方式，再加之社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，必須不斷提高生產(chǎn)力，以促進我國生產(chǎn)與生活工作的科學性發(fā)展。為不斷提高水利工程測量質(zhì)量，應充分利用好GPS技術，且該種技術具有高精度、高效率、低成本等多種優(yōu)勢，進而受到用戶的廣泛歡迎。借助GPS技術，定位更為精準，可獲取厘米級的定位點，特別是RTK能在短暫的幾秒中即可獲取高精度的定位數(shù)據(jù)信息，此種技術在整個水利工程測量之中的應用效果是很理想的。

一、GPS工作原理

GPS系統(tǒng)屬于全球定位技術，該技術已日趨成熟，逐漸運用于工業(yè)、軍事、礦產(chǎn)、建筑等各個領域，目前已獲得較為明顯的成果。該技術具有高精度與高效率的優(yōu)點，對于傳統(tǒng)工程測量，通常需布置控制網(wǎng)，實施樁位放樣，大多使用全站儀、測距儀等儀器。而GPS系統(tǒng)完全不考慮氣候因素，不受地形環(huán)境影響，確保工程測量能夠高精度與高效率。主要由六個方面表現(xiàn)：

首先，動態(tài)分析樁位放樣，樁位精確度誤差可控制于厘米級。

其次，構建放樣平臺。利用GPS技術，可構建放樣平臺，在施工平臺中設置鋼管樁放樣，有利于減少外業(yè)測量時間。

第三，偏心檢查。為確保精確度，可實現(xiàn)一物兩用，利用樁位偏心檢查技術，使工程測量效率顯著提升。使用GPS技術需注意，部分測量數(shù)據(jù)不能夠直接獲取，必須與其它測繪儀器相結(jié)合，方可順利完成工程測繪。

第四，GPS與傳統(tǒng)測繪技術可有效結(jié)合，實現(xiàn)測量定點與定時，現(xiàn)階段，通常采用靜態(tài)定位技術與快速的靜態(tài)定位技術。若采用靜態(tài)定位，需確保觀測時，不改變接收機的位置，因為計算過程，接收機位置與時間無關，主要在工程頂線、基礎測量等高精度測量中使用。另外，因靜態(tài)定位的觀測時間一般較長，若無特殊精度需求，在工程測量中不建議使用該技術。由于觀測時間長，進而研發(fā)了快速靜態(tài)定位技術，該技術利用載波香味，觀測值可控制于毫米級，通過幾個歷元觀測，可達到厘米級定位需求。

第五，GPS信號。GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，

第六，靜態(tài)定位。所謂靜態(tài)定位，就是在進行GPS定位時，認為接收機的天線在整個觀測過程中的位置是保持不變的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式多臺接收機在不同的測站上進行靜止同步觀測，時間由幾分鐘、幾小時甚至數(shù)十小時不等。

二、GPS誤差分析

在GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源，可分為四類：①與GPS衛(wèi)星有關的誤差：主要包括衛(wèi)星中的誤差和衛(wèi)星的軌道誤差。②與信號傳播有關的誤差：主要包括大氣折射誤差和多路徑效應。③與接收設備有關的誤差：主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線中心誤差和載相位觀測的整周不定性影響。④其它誤差：地球自轉(zhuǎn)的影響；地球潮汐的影響等。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因不同而采取不同的措施，其中包括：①引入相應的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并解算；②建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正；③將不同觀測站，對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱或消除系統(tǒng)誤差的影響；④簡單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。GPS測量主要誤差控制范圍見下表：

三、GPS 技術在水利應用特點

水利工程在GPS 技術應用上，借助于GPS 衛(wèi)星定位，能夠?qū)崿F(xiàn)工程的精確定位。GPS 系統(tǒng)主要有三個部分構成，分別是空間和用戶、地面設備方面，其中空間部分主要是距離地面2000 千米高度有二十四顆衛(wèi)星在軌道上，實現(xiàn)全天候的控制和觀測，隨著大氣摩擦的影響，導航精度上會有一定的偏差。對于地面控制系統(tǒng)中，有地面監(jiān)測中心和主要控制站以及地面天線等，地面控制系統(tǒng)主要是接收衛(wèi)星發(fā)布的信號，然后測量衛(wèi)星軌道以及相距距離。還有用戶設備，主要是GPS信號接收機，這種設備能夠精確獲取衛(wèi)星信號，同時經(jīng)過內(nèi)部的處理和計算機分析后，能夠有效獲取用戶坐標。

GPS 技術的適應性非常好，且能夠應用到許多行業(yè)中，和一般的測量技術比較而言，其自身具備更多的高科技優(yōu)點。GPS 技術能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化，且操作上比較簡單、方便，在測量的過程中，只需一點簡單動作，例如操作連接電纜線工作，放置相關儀器等，這些工作都是非常簡單，即可實現(xiàn)GPS 技術的自動化跟蹤。同時，還可以不間斷的全天候提供導航服務和各種測量工作，且觀測需要的時間很短，能夠獲得較高精度的測量數(shù)據(jù)。

GPS技術應用的優(yōu)勢概括而言，主要表現(xiàn)在四個方面：

（1）測量效率非常高

測量效率高是GPS 測量技術的一大優(yōu)點，使用GPS 測量時，僅用幾秒就可以獲得準確的三維定位，在衛(wèi)星信號不穩(wěn)定的情況下，其也可以在幾分鐘內(nèi)完成測量，可見速度之快，效率之高。使用了GPS 測量技術，每天可以提高70%以上的效率。

（2）測量精度非常高

GPS 測量技術能為用戶提供高精度的三維定位，并且在不受任何天氣狀況的影響。利用GPS 靜態(tài)定位技術測量時，測量誤差僅僅3～4 毫克/ 升，而在不超過20 公里的距離測量時，測量誤差也僅為幾厘米。

（3）工作強度非常小

傳統(tǒng)的測量設備在進行工作時，受外界的影響很大，特別是受地貌、地形、地物的影響，這都增加了測量人員的勞動強度。然而GPS 測量技術就沒有這個缺陷，它不受天氣、地形的影響，可以在短時間內(nèi)對大面積不規(guī)則的復雜區(qū)域進行測量。

（4）無需通視

GPS 測量技術不需要互相通視，彌補了傳統(tǒng)測量的缺陷。只要測量地點地形平坦開闊，衛(wèi)星信號不受干擾，就能靈活方便地進行測量。

四、GPS技術在水利控制測量中的應用

1、建立工程控制網(wǎng)

工程控制網(wǎng)作為工程管理和建設的基礎，其類型及精度與工程項目的規(guī)模和性質(zhì)均有密切的聯(lián)系。通常情況下，工程控制網(wǎng)的覆蓋面越小，點位密度越大，對于精確度得要求也就越高。邊角網(wǎng)是最為常用的方法之一。采用 GPS 定位的方法構建控制網(wǎng)，對于點位選擇的限制較少，測量精度較高，且具有時間短和費用低等諸多優(yōu)點。在工程首級控制網(wǎng)中應用廣泛。應用GPS 技術進行控制網(wǎng)建立，一般多采取載波相位靜態(tài)差分技術，以保持毫米級得測量精度。采用GPS 技術建立施工控制網(wǎng)以及工程控制網(wǎng)均擁有十分明顯的優(yōu)勢。道路施工和勘探控制網(wǎng)，具有橫窄、縱長的特點。通常采取三角鎖、導線的方式，并常常需要進行分段實施，以防止誤差積累。采取GPS 技術，因為點與點之間沒有通視的需要，能夠敷設較長的三角鎖，實現(xiàn)長距離線路坐標控制的一致性。

2、選點與立標

GPS水利測量時應該遵循四大原則：

1）測量點選擇交通便利、周圍無障礙物的地方，視野開闊保證有足夠的視場；另外測量點地面基礎牢固，而且易于下次找到，保存測量點的位置。

2）測量點選擇在至少200米內(nèi)沒有大功率無線電發(fā)射源；離高壓線的距離不得小于50m，以避免高壓線產(chǎn)生的電磁場對GPS信號的干擾。

3）測量點選擇在無強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，如大面積水域是強烈的干擾物，因此要避免大面積水域。如此選擇的目的是為了避免多路徑效應。

4）測量點選擇時，有就測量點不選新的測量點。使用舊的測量點前對舊點的穩(wěn)定性和完整性進行檢查，符合要求繼續(xù)使用。另外GPS網(wǎng)點要鋪設標志性的標石。為準確標定點位，另外選擇標石也有要求，選擇的標石要穩(wěn)定、堅固以便長久使用。預埋標石后及時標記和更新選點網(wǎng)圖。

3、平面控制測量

GPS與EDM導線結(jié)合的方法對于高水頭的水利工程，輸水隧洞的控制是整個工程的核心。由于水利工程處位于山地狹谷這種特殊的位置，采用GPS測量往往受到地形條件的限制，不能直接在壩址、進出洞口（支洞）、廠房等關鍵位置上施測，而只能在附近山脊等開闊處選取合適的點位，再用EDM導線延伸至需要的位置上。在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點時，每處至少布設2～3個點，并使各相鄰點互相通視，最好能組成一個三角形，以便檢驗測量成果的精度。常用的方法有：用全站儀測量兩點間的平距與GPS二維約束邊長進行比較，用全站儀測量單角與GPS坐標反算角度值進行比較等。

測距導線作為水利工程的地表控制是非常合適的，一方面全站儀在生產(chǎn)單位已得到全面的普及，同時它又有良好的測角、測距精度；另一方面，測距導線選點的自由度大，能在所需的地方布點，并能一次性完成平面和高程控制測量。為提高隧洞的貫通精度，減少壩址與廠房間控制點的數(shù)量，導線宜布設成直伸型。通常采用的有閉合導線：雙支導線和單支導線，需要強調(diào)的是，當長度在2000m以內(nèi)時，可用單支導線（一級導線的觀測要求）控制；當長度大于2000m時，應用閉合或雙支導線作控制。

4、擬合高程測量

水利工程中采用GPS高程測量與幾何水準相比較，具有許多優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在電間無須通視、觀測操作簡單、網(wǎng)型連接要求不嚴、減輕外業(yè)作業(yè)人員的勞動強度、提高工作效率，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。在平原或丘陵地區(qū)的一般工程測量中，完全可以用GPS高程擬合的方法代替四等水準或普通幾何水準測量。在帶狀測區(qū)，高程擬合采用線性擬合更合適，而在面狀地區(qū)，則不太合適。在山區(qū)GPS網(wǎng)中，只要聯(lián)測適量的幾何水準，利用數(shù)值擬合法求解GPS正常高，可以達到山區(qū)四等水準的要求。

GPS高程控制網(wǎng)的設計應根據(jù)高程異常的變化情況，對水準聯(lián)測進行設計，應做到精心設計、精心觀測和精心解算。聯(lián)測的幾何水準應分布于線型網(wǎng)的兩端和中部。如果是區(qū)域網(wǎng)應均勻分布于周邊和網(wǎng)的內(nèi)部。這樣布設擬合的精度最好、最合理。網(wǎng)型傳遞應采用網(wǎng)連式，高程的傳遞應采用符合方式進行高程推算。控制點的選點應盡量選擇適合GPS觀測的環(huán)境，以保證觀測質(zhì)量。減少外業(yè)的返工率和作業(yè)時間。同時作好星歷預報，計劃好觀測時間，確保衛(wèi)星數(shù)量和接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

基線數(shù)據(jù)處理必須細心，保證參加高程控制擬合計算的基線全部同過QA和Tau測試，對于未通過的基線應根據(jù)是否影響高程傳遞進行補測。

采用的已知水準點越多，擬合精度就越高。在實際應用中，對于線狀測區(qū)，平均每4～8Km應該有一個幾何水準點參與擬合；對于面狀測區(qū)，平均每10Km2應該有一個幾何水準點參與計算，這些點應盡可能包圍所有的擬合點。在地形復雜的測區(qū)，應適當增加水準重合點觀測。

5、測量水下地形

測量水下地形基本步驟為，連接電腦、測探儀、GPS等設備，導航軟件定位測量船，指導測量設備運行在指定航線上，通過測深儀和GPS在筆記本電腦中導入實時測量數(shù)據(jù)，然后利用海洋測量軟件來導出文件或者形成地形圖，最后利用南方促會cass7.0 地形地籍成圖軟件進行繪制。從實際情況來說，測量水下地形中應用GPS技術，能夠適當增加測量精度，降低施工周期和工作量，數(shù)字化地形圖為以后管理和建立地理信息系統(tǒng)奠定基礎。

6、外業(yè)觀測

外業(yè)觀測是指采集來自GPS接收機的數(shù)據(jù)信號，其作業(yè)過程大致可分為天線安置、接收機操作隔閡觀測記錄。外業(yè)觀測按照擬定的觀測計劃嚴格進行實施。為了觀測任務順利地完成，在觀測外業(yè)之前，還要對所選定的接收設備進行嚴格的檢驗。實現(xiàn)精密定位的重要條件之一是天線的妥善安置，其具體內(nèi)容包括：整平、對中、量取天線高和定向。目前GPS接收機自動化程度相當高，能順利地自動完成高程測量工作，一般僅需按動若干功能鍵；并且顯示屏上均有提示，做到實時記錄。

7、外業(yè)測量的誤差分析

1）系統(tǒng)誤差

儀器的精密度和外界條件變好是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的兩個主要原因。例如，量距時所用的鋼尺存在尺長誤差，則每量一整尺距離就產(chǎn)生一個相應的誤差；同樣當溫度變化時會引起鋼尺的長度變化，其引起量距誤差為濕皮變化值的函數(shù)，這些都是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差具有象積性質(zhì)，而且一般總是可以預期出現(xiàn)，并按其出現(xiàn)的規(guī)律采取相應的措施以消除和減弱它的影響。例如，鋼尺量距時，先檢定鋼尺，求出尺長改正數(shù)，在觀測時測定溫度，然后在測量結(jié)果中將尺長修正，即可消除尺長誤差和溫度變化對距離的影響。

2）偶然誤差

偶然誤差是由于人、儀器和外界條件等多方面因素引起的，但不能確知其產(chǎn)生的具體原因，具有隨機性。例如，無論是水準測量，還是角度側(cè)量，用望遠鏡的十字絲照準目標時，由于望遠鏡的分辨能力、放大倍率的限制以及空氣透明度、目標折射率等影響，使照準目標或偏左或偏右產(chǎn)生照準誤差，也使估讀數(shù)值變化不定產(chǎn)生讀數(shù)誤差。這些誤差都屬于偶然誤差。

偶然誤差的大小和符號隨著各種偶然因索的綜合影響在不斷地變化，不同于系統(tǒng)誤差，它不能夠用有效的方法來消除，但可以進行總體控制，因為這種誤差總體而言，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，可利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法來分析。

四、GPS技術在水利工程測量中的應用前景

隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長的西部大開發(fā)的實施，我省的水利工程建設迎來前所末有的發(fā)展機遇，這就對勘測設計提出了更高的要求。隨著水利工程勘測設計行業(yè)軟件技術和硬件設備的發(fā)展，水利工程勘測設計已實現(xiàn)CAD化，有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測繪產(chǎn)品的支持；建立勘測、設計、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸入等中間環(huán)節(jié)，是水利工程勘測設計內(nèi)外業(yè)一體化的要求，也是影響水利勘測設計技術發(fā)展的瓶頸所在。目前水利工程勘測中雖已采用電子全站儀和電子水準儀等先進儀器設備，但常規(guī)測量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強度大，且效率低，大大延長了設計周期?？睖y技術的進步在于設備引進和技術改造，在目前的技術條件下引入GPS技術應當是首選。

當前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測量，為勘測階段測繪帶狀地形圖，路線平面、縱面測量提供依據(jù)；在水利工程施工階段為閘門、渠道、堤壩建立施工控制網(wǎng)，這僅僅是GPS在水利工程測量中應用的初級階段，其實，水利工程測量的技術潛力蘊于RTK（實時動態(tài)定位）技術的應用之中，RTK技術在水利工程中的應用，有著非常廣闊的前景。下面就RTK技術在水利勘測中的應用作簡單的介紹。

結(jié)語

GPS 測量技術在水利工程中發(fā)揮著重要的作用，由于其具有高精度、高準度、全天候、時間短、多功能、操作簡單、自動化程度高等優(yōu)點，為水利工程的測量帶來了極大的便利，提高了水利工程的測量效率。隨著科技的發(fā)展，GPS 測量技術也會不斷得到提高和改進，使其會越來越多、越來越廣地運用到水利工程建設中去，從而促進我國水利工程建設的發(fā)展和完善。

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（作者單位：西北水利水電工程有限責任公司）