GPS技術在水利工程測量中的應用

金林海

（中國水利水電第三工程局有限公司第二分局,陜西 安康 725300）

為滿足更多的社會需求，水利工程數量也在逐漸增多，在為人們日常生活帶來便利的同時還帶來了諸多的經濟與社會效益。建設水利工程，關鍵在于各項數據的科學測量，只有在這一基礎上，才能選擇合適的工程建設設計方案，從而更好地進行工藝比對以達到保證質量、降低施工成本的工程目標。在對水利工程進行放樣測量的工程中，應嚴格控制測量環節以最大程度地提高數據測量的應用效果。一旦測量數據與實際情況出現較大偏差，很容易影響后續施工方案的施工效果，導致無效施工成本增加甚至返工處理，影響施工周期。因此，為保證施工質量應結合GPS技術對工程各區域數值進行準確測量，從而保證后續工程的實際應用效果。

1 GPS技術概述

GPS的全稱是全球定位系統，通過導航衛星能夠對目標進行實時測距，具有定時、全天候以及導航定位等多種系統應用優勢。由于技術的應用特殊性使其保密性與抗干擾性均符合用戶的三維坐標確定需求，同時也給各項工程的數據測量確定提供了極大的幫助[1]。而隨著GPS接收機性能的逐漸提升，近年來其工作覆蓋面也在逐漸拓寬，無論是軍工生產還是日常生活應用，GPS技術均起到了十分重要的作用。內業數據處理與外業施工測量是GPS技術應用的重要部分，在二者的協同作用下可保證測繪數據的準確性，同時其也是充分發揮GPS技術應用優勢的重要基礎，為后續的實際應用過程提供了準確的數據支持。

2 GPS系統組成

GPS技術應用效果主要由兩個部分提供，分別是空間衛星群與地面監控系統。此外，有GPS技術應用需求的部分用戶也有對應的衛星信號接收設備。

（1）空間衛星群。這一部分由大約24顆高度約20萬km的衛星組成，按照設計軌道分布于6個軌道平面，各軌道平面之間的角度約為60°，與其赤道之間傾角約為55°，并規定運行周期，從而保證隨時能夠接收到衛星共同定位發出的聯合信號。

（2）GPS地面控制系統。其主要由監測站、注入站以及主控站組成。主控站是以監控站的衛星數據信息反饋為基礎，計算衛星星歷與衛星鐘，隨時調節參數，并將這些數據按照不同需求將其注入衛星以對衛星進行控制與發布指令[2]；監控站主要接收衛星在預定軌道上的反饋信號，并實時監測衛星的工作情況；注入站的作用是在主控站對數據進行計算分析后，將其按照用戶需求注入衛星以完善其功能。

（3）GPS的用戶。最終應用部分主要由接收機、數據處理軟件及用戶設備組成（例如智能手機、計算機以及專業的氣象監測儀器等），其能夠按照用戶需求實時接收衛星發出的信號，并按照反饋而來的信息實現導航或數據測量的功能。

3 GPS工作原理

作為一種采用距離交會法的衛星導航定位系統，GPS系統在有需要的位置點將GPS接收機架設完畢，并在既定時刻接收衛星所發出的導航信號，經由系統與設備共同處理最終得出準確的衛星距離。聯合應用衛星星歷不僅能夠提高數據準確度，還能快速確定該時刻下衛星空間的三維坐標。一般來說，GPS在實際測量過程中包含兩種類型的坐標系統，分別為空間固定與地球體固聯，兩種系統聯合使用共同組成地固坐標系統，按照實際使用需求轉變坐標間參數以快速定位坐標系統的準確坐標[3]。這樣不僅能夠達到預定的坐標處理與導航結果，還為工程施工過程中各區域的數據確認提供了極大的幫助。

4 GPS測量優勢

GPS技術的應用優勢體現在多個方面。（1）耗時短。GPS系統隨著技術的更新也在不斷完善，例如想要對20km以內的坐標進行靜態定位僅僅需耗時15～20min，這個時間相較于傳統數據確定過程有著極大的提升。若流動站與基準站距離非常近，二者距離在15km以內僅僅需耗時1～2min就能完成定位測量，并能對各個位置進行隨時定位，后期在處理數據并進行應用時甚至僅僅需要幾秒鐘。（2）測站之間無須通視環節。各個測量站之間的相互通視一直以來都是工程數據確定以及保持數據準確度的關鍵。而利用GPS系統不僅方便了各個控制點位的選取，同時還提高了數據的準確性。GPS技術的應用特殊性使其上方需具有開闊特性，以避免干擾到衛星信號的接收過程。（3）三維坐標的提供。無論是平面還是高程均需要在經典大地測量的基礎上，根據實際情況選擇不同的測繪方式，從而快速定位各個站點的三維坐標。當前的GPS系統的應用水平基本能符合四等水準測量要求。（4）操作簡單。相較于其他定位測量工具，GPS系統的集成度非常高，具有自動化的應用特征，信號接收環節甚至能夠將智能手機作為臨時接收設備，操作流程也極為方便。小型的信號接收機只需天線對中，并量取適當天線高度后就能夠打開電源繼而完成自動的信號觀測，隨后將觀測數據導入數據處理軟件便可自動生成三維坐標，無論是衛星信號捕獲還是后續的跟蹤加測均能在儀器的輔助下自動完成。（5）隨時待命作業[4]。GPS系統在應用環節不受空間與時間的限制，受周圍環境因素的影響幾乎可以忽略不計，這使其具有全天候待命工作的應用特性。（6）功能多。GPS系統不僅可以用于工程數據測量與導航，還可以測量速度與時間，其獲得的數據結果往往也能滿足一定的精度要求。

5 GPS技術在水利工程測量中的應用特點

在水利工程中，保證工程的建設效率十分重要，但由于所在區域不同而使施工難度較大，在對施工過程進行管理時也較為困難。而利用GPS系統不僅能為工程的建設提供更為精準的數據，也能為運行過程中水利工程建筑的數據變化實時監測提供可能。

5.1 平面控制測量

傳統測量技術下的導線測量在GPS系統的應用下完全被摒棄，根據工程的實際情況可以選擇合適的技術用于動態定位技術控制網測量，從而實現點位的快速確定。高精度是其應用的主要特征，GPS系統在50km范圍內應用時得出的數據精度較高。

5.2 放樣測量

采取RTK進行放樣測量需要首先確定放樣點坐標，并將所得參數進行轉化后將其導入GPS流動站中，隨后進行施工放樣操作，偏差基本可以控制在5cm以下。放樣需根據中心線彎道元素編制中心線文件，隨后將其坐標統一輸入GPS系統的流動站接收機，根據所得樁號與中心線的各項數據最終確定放樣點。

5.3 航空攝影測量外業像控

圍繞水利工程進行測試的測量區域通常具有條帶狹長特性，測量區域的林木茂密使得通視條件極差，針對這一區域進行的像控點布設需要具備分散特征，這就使不同像控點之間的距離較遠。而應用傳統控制測量方式不僅需要耗費大量的精力與時間，其質量與數據準確度也無法保證。在這種情況下利用GPS技術則能較好地解決這一問題，短時間測量的應用優勢使其能夠快速完成外業像控點采集。

5.4 高程測量

將測量資料與水準測量資料相結合的方式，使得區域性大地水準面高程的確定變得十分簡單，而想要應用這種方式進行測量則要求對應觀測點應具有足夠的水準測量資料，且需要各部分密度適當、分布均勻。具有高精度特性的GPS定位技術能夠快速確定大地高程差，并根據已經建立的大地水準面的數學模型找出其中存在的異常差值。

6 水利水電工程在GPS技術下的測量應用分析

6.1 控制網設計

控制網設計是GPS技術的典型功能。在應用GPS技術設計控制網時，誤差減少使得對應的圖形精度提升。測圖環節需遵循整體至局部的測繪原則，圍繞控制網進行完善的設計極為重要，涵蓋的基本圖形包括三角形網與環形網。其中三角形網具有分布均勻的特性，結構條件良好且具有較高的穩定性。同時，自檢能力的加入也使其在發現測量缺陷或是測量錯誤的情況下，能夠及時發現其中的問題，從而保證控制網的建設可行性與應用可靠性。但需要注意的是，三角形網的不足之處也較為明顯。由于施工量較大使其對于測量中接收機的數量有一定要求，以避免影響測量時間。而環形網機構雖然綜合來看與三角形網有一定差距，但由于結構獨立閉合環的構成特性使得其安全性較高，關鍵問題是這一結構相鄰點位之間的基線無法保證其準確度，進而可能影響施工數據的最終確定。

6.2 控制網類型選擇與高程控制

控制網的類型通常需要根據實際情況進行選擇。例如地勢開闊或是大型水利工程，所應用的控制網類型一般為三角網，這樣可以確保工程數據的精度滿足要求。但由于不同工程之間的地形地貌有所差距，若屬于丘陵山區則在地形環境的條件限制下建議應用環形網，這樣既能提高工作效率，相較于其他控制網類型來說其施工成本也較低。

高程控制是水位線確定與推算的前提條件，不僅影響數據計算量，還影響水利工程造價預算，決定整體工程的穩定性與安全性。處于高山河谷地帶的水利工程的位置特征使得其地形條件極為復雜，不僅坡度較陡，惡劣的環境也給高程測量工作帶來了較大難度。目前，高程測量普遍采用三角形高程測量方式，但耗時較長且需要定位的數據點較多，工作量較大。而在GPS技術的協助下，在提高平面精度的同時，還能顯著提高數據測量的精度。部分水利工程建設在居民區上游，一旦出現質量問題將會給人民的生命財產帶來極大的威脅，因此對其進行變形監測極為重要。利用GPS技術能夠按照設計圖紙要求將接收機固定在點位上，隨后進行數據采集處理以降低變形現象的發生風險。

7 結束語

綜上所述，在水利工程中GPS測量技術應用范圍極廣，其具有的耗時短以及精度高等優勢使其隨著技術的更新與實踐被越來越多的工程數據測量人員所知曉。而在這一過程中，GPS技術也在不斷成熟，先進GPS系統的國產化也為我國的水利水電工程測量帶來了新的發展機遇。