GPS技術(shù)在水利工作中的應(yīng)用

李建新

（廣西恒安建設(shè)工程有限公司，廣西 南寧 530001）

近幾年，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)（GPS）已在工程測(cè)量特別是在水利工作中得到了一定的應(yīng)用，但尚未大面積推廣。因此，有必要深入研究此項(xiàng)新技術(shù)，以便更好地應(yīng)用于水利工程測(cè)量中。

1 GPS技術(shù)發(fā)展、組成及定位原理、特點(diǎn)

1.1 GPS技術(shù)的發(fā)展

全球定位系統(tǒng)是美國從 20世紀(jì) 70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海陸空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

1.2 GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備 3個(gè)獨(dú)立的部分構(gòu)成，它們組成又分別為：①GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。②GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。③GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備等組成。

1.3 GPS系統(tǒng)定位原理

GPS基本定位原理是衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息，它充分利用全球24顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)來提供全天候長(zhǎng)期連續(xù)全免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。

1.4 特點(diǎn)

1.4.1 測(cè)量精度高

全天候作業(yè)，數(shù)據(jù)安全可靠，沒有誤差積累。GPS技術(shù)能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和精密時(shí)間，不受天氣的影響而全天候工作。

1.4.2 勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低

GPS測(cè)量技術(shù)不要求兩點(diǎn)間滿足光學(xué)通視，只要求滿足“電磁波通視”，受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小。

1.4.3 測(cè)量速度快

進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，每一測(cè)點(diǎn)定位一般僅需幾秒鐘，衛(wèi)星信號(hào)不好時(shí)，最多10 rain左右，速度很快，平均每天測(cè)量河道斷面1.5個(gè)左右，工作效率提高了約67。

1.4.4 能丈量不規(guī)則區(qū)域

GPS技術(shù)能對(duì)不規(guī)則的待測(cè)區(qū)域及較大區(qū)域的面積，通過航跡測(cè)量面積的方法來測(cè)量，可以計(jì)算出該軌跡所圍區(qū)域的面積。

1.4.5 提供三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)河道斷面測(cè)量成果可視化

GPS技術(shù)能夠精確測(cè)定測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)河道斷面資料在GPS地圖上數(shù)字化、可視化顯示、編輯，一次測(cè)量成果滿足規(guī)劃、防洪決策、工程管理等多項(xiàng)目標(biāo)需求。

2 GPS技術(shù)在水利工作中的應(yīng)用

2.1 GPS技術(shù)在水利工作中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器和方法不僅難以保證在困難地區(qū)獲得的數(shù)據(jù)的精度，而且效率低下，不能了解水利工程的實(shí)時(shí)變化情況。GPS的出現(xiàn)和應(yīng)用使這些問題迎刃而解。

2.1.1 截流施工

截流的工期一般都比較緊張，而水下地形資料的準(zhǔn)確性對(duì)水利工程建設(shè)十分重要。而GPS技術(shù)恰恰能在較短時(shí)間內(nèi)完成高精度、大范圍的工作，大大提高了生產(chǎn)的效率，保證了施工順利進(jìn)行。

2.1.2 滑坡監(jiān)測(cè)

GPS高程監(jiān)測(cè)需解決的問題：精確測(cè)定GPS測(cè)得的大地高與我國常用的正常高之間的差值（即高程異常值）。在滑坡監(jiān)測(cè)方面，只需求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移量，就能正確反映滑坡形變情況。

2.1.3 水工建筑物變形觀測(cè)

GPS在水利工程中最大的貢獻(xiàn)是將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到壩體的變形監(jiān)測(cè)中。GPS因?yàn)槠涓呔取⑷旌虻奶攸c(diǎn)，為建立大壩的實(shí)時(shí)連續(xù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和獲取長(zhǎng)時(shí)間大量的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以進(jìn)行變形分析提供了有力地保證。

2.1.4 水工隧洞的貫通

對(duì)于引水式電站而言，當(dāng)引水隧洞很長(zhǎng)時(shí)，施工控制網(wǎng)的作用就是保證正確貫通。用GPS建立施工控制網(wǎng)將大大簡(jiǎn)化測(cè)量工作，節(jié)省了大量的外業(yè)工作，使隧洞貫通，測(cè)量變得十分簡(jiǎn)單有效，且精度得到較大提高。

2.1.5 大型電站的道路施工測(cè)量

GPS技術(shù)具有精度高，不要求相鄰點(diǎn)通視，不受氣候條件限制，同時(shí)其布網(wǎng)靈活、對(duì)網(wǎng)形要求低等特點(diǎn)，使得道路測(cè)量工作速度快、費(fèi)用省，外業(yè)工作勞動(dòng)強(qiáng)度低，極大的提高了工作效率。

2.1.6 在輸送電線路選、定線中的應(yīng)用

很多水利工程在送電線路工程中，采用航測(cè)結(jié)合GPS進(jìn)行選線、定線工作。GPS以其快速高精度、不受條件的限制等特點(diǎn)，克服傳統(tǒng)線路航測(cè)外業(yè)中的種種問題，極大的提高了工作效率。

2.1.7 水力發(fā)電機(jī)組安裝測(cè)量

對(duì)水力發(fā)電機(jī)組來說，需要建立高精度的施工控制網(wǎng)，GPS建立施工控制網(wǎng)自動(dòng)化程度高、可連續(xù)觀測(cè)、無需通視、布點(diǎn)靈活、全天候觀測(cè)、可進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量。

2.1.8 地形測(cè)繪

在水利工程中，相關(guān)的地形勘測(cè)是進(jìn)一步設(shè)計(jì)論證的重要前提，但常因地勢(shì)、地形因素，給實(shí)際工作帶來一定的麻煩。而GPS測(cè)繪技術(shù)的引入，使山區(qū)測(cè)繪任務(wù)大大減少，整項(xiàng)工程的測(cè)繪成本大大節(jié)約。GPS技術(shù)必將發(fā)揮巨大的作用和產(chǎn)生可觀的效益。

2.1.9 流速流量測(cè)定

流速流量的測(cè)定是水利監(jiān)控部門關(guān)心的一個(gè)重要問題，涉及到水資源的觀測(cè)調(diào)控和合理使用。GPS技術(shù)使測(cè)量精度大大提高；而且避免了流量計(jì)、流速計(jì)使用壽命減短的問題。

2.1.10 工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)

運(yùn)用GPS技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)任何微小的物理變化都會(huì)促使芯片將問題反映出來。若將該套GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與相關(guān)工程監(jiān)測(cè)體系軟件、報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)密而完善的工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

2.2 GPS技術(shù)的優(yōu)越性

2.2.1 可操作性強(qiáng)

新型的通道接收機(jī)，它采用了內(nèi)置的螺旋天線。位于前面板上的九個(gè)按鍵，能更加快捷的調(diào)用機(jī)器的各項(xiàng)功能。其超大屏幕，可以更加清晰、方便的看到顯示的內(nèi)容。操作起來得心應(yīng)手、方便易懂。

2.2.2 測(cè)量精度高

全天候工作GPS技術(shù)能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和精密時(shí)間，不受天氣的影響而全天候工作。該機(jī)采用差分定位，測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)。

2.2.3 能對(duì)不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行丈量

GPS技術(shù)能對(duì)不規(guī)則的待測(cè)區(qū)域及較大區(qū)域的面積，通過航跡測(cè)面積的方法來測(cè)量，沿著運(yùn)行線路畫出一條軌跡，從而計(jì)算出該軌跡所圍區(qū)域的面積。

3 GPS快速測(cè)量技術(shù)的效益及局限性分析

3.1 效益

在待測(cè)面積相同的情況下，GPS技術(shù)測(cè)量與人工丈量相比，可提高工效50倍，可減少50%的體力勞動(dòng)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。它提高了工作效率、測(cè)量精度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)水利工作具有較好的推廣、使用前景。

3.2 局限性

使用GPS測(cè)量河道斷面也有局限性，也受外部環(huán)境因素的影響。測(cè)量時(shí)要避開高壓電路等有強(qiáng)電磁波干擾的地方。在建筑物或高大樹木等對(duì)天空有遮擋的目標(biāo)下，GPS接收衛(wèi)星效果欠佳，影響GPS測(cè)量工作的進(jìn)行。此時(shí)可以采用全站儀或水準(zhǔn)儀進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，以完成全斷面測(cè)量工作。

GPS技術(shù)用自身特有的優(yōu)勢(shì)，成為水利工作的便捷工具。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，GPS技術(shù)將在水利信息化建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，并將使常規(guī)的測(cè)量方法發(fā)生根本性的變革。

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3 張慶勇、李藝軍.GPS測(cè)高與普通水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用比較［J］.測(cè)量與地質(zhì)，2004（2）：36～38