楊玉平 楊玉華

（江西光興測(cè)繪有限公司江西上饒 334000）

淺談GPS在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

楊玉平 楊玉華

（江西光興測(cè)繪有限公司江西上饒 334000）

水利水電工程施工過程中，由于測(cè)量任務(wù)量大，測(cè)量工程又很復(fù)雜，加上工期的要求，測(cè)量工作必須及時(shí)跟進(jìn)，所以，水利水電施工過程中的測(cè)量工作往往消耗大量的人力物力財(cái)力。工作中使用了GPSRTK系統(tǒng)后，測(cè)量效率大幅度提升，在多個(gè)工程中，GPS-RTK均表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。

GPS；水利工程測(cè)量；應(yīng)用

0 引言

GPS-RTK技術(shù)支持下的徠卡GPS530動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x、中海數(shù)字單（雙）頻海洋測(cè)量?jī)x等設(shè)施，是目前各單位使用較為廣泛的基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。通過這兩種儀器，可以一天之內(nèi)只用4個(gè)人對(duì)約3平方公里的土地進(jìn)行精確的高密度的放樣測(cè)量，甚至可以對(duì)水底地形進(jìn)行全面摸底測(cè)量。GPS-RTK測(cè)量?jī)x主要是利用實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)，使用1+2的測(cè)量配置模式，對(duì)于整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行高精度高密度的放樣測(cè)量。

1 實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)原理

實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)的實(shí)際原理，是使用多個(gè)GPS接收機(jī)，聯(lián)合獲得相關(guān)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過邊角法和多個(gè)GPS定位得到的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算，從而使得GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)精度和測(cè)量速度大幅度增加。圖1展示了GPS-RTK1+1測(cè)量時(shí)的網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)原理

在一臺(tái)GPS和兩臺(tái)RTK組成的1+2的配置模式下，GPS-RTK系統(tǒng)具備了以下特點(diǎn)：

1）定位精度高。RTK的精度可以達(dá)到F10mm+ 1ppm，H20mm+1ppm。這種精度模式下，對(duì)于工程測(cè)量的要求已經(jīng)完全滿足。

2）測(cè)量速度快。RTK靜止2s后就可以得到測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前的雙模GPS-RTK系統(tǒng)可以直接得到北京坐標(biāo)系和西安坐標(biāo)系的點(diǎn)位和青島高程的精確坐標(biāo)值。

3）作業(yè)距離遠(yuǎn)。一次穩(wěn)站，兩臺(tái)RTK可以在半徑15km的區(qū)域內(nèi)自由活動(dòng)，只要保證上空開闊，RTK和GPS之間不需要直接互望。

4）內(nèi)業(yè)簡(jiǎn)單。因?yàn)閷I(yè)的GPS-RTK配合CASS7.0可以直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、自動(dòng)平差、批量導(dǎo)入和自動(dòng)成圖，節(jié)約了大量的內(nèi)業(yè)計(jì)算和繪圖時(shí)間。

表1 差分GPS對(duì)測(cè)量定位精度的改進(jìn)表

2 GPS-RTK在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 加密控制點(diǎn)

水利工程的控制測(cè)量中，因?yàn)榫纫筝^高，施工條件復(fù)雜，所以往往耗費(fèi)大量的人力財(cái)力物力。而如果使用了GPS-RTK輔助加密控制點(diǎn)測(cè)量，只需要使用全站儀使用邊角法在15km范圍內(nèi)布置大約3～5個(gè)控制點(diǎn)就可以完成基礎(chǔ)的控制點(diǎn)布置。使用控制點(diǎn)對(duì)GPS-RTK校準(zhǔn)后，采用1+2的模式進(jìn)行測(cè)量，2個(gè)走點(diǎn)人員每天可以測(cè)量40個(gè)以上的加密控制點(diǎn)。且其測(cè)量精度都可以達(dá)到厘米級(jí)別。GPS-RTK進(jìn)行加密控制點(diǎn)測(cè)量時(shí)，之前的控制點(diǎn)之間無需對(duì)望就可以實(shí)現(xiàn)最初的校準(zhǔn)。

2.2 水下測(cè)量

采用傳統(tǒng)的六分儀測(cè)量法以及三桿分度儀測(cè)量法，往往精度只能達(dá)到分米級(jí)別，無法實(shí)現(xiàn)精確的工程測(cè)量。且傳統(tǒng)測(cè)量方法人員配置多、工作量大，工作條件需要涉水較為惡劣。而采用GPS-RTK測(cè)量法的逐漸普及，采用GPS配合測(cè)深儀進(jìn)行的水下測(cè)量就實(shí)現(xiàn)了極大的便利。采用徠卡GPS530動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量?jī)x和中海達(dá)單（雙）頻測(cè)深儀，聯(lián)合手提電腦上安裝的專業(yè)海洋測(cè)量軟件，則可以在船上直接讀出河床的GPS數(shù)據(jù)，特別是對(duì)于河床高程進(jìn)行較為詳細(xì)的記錄。而且，自動(dòng)化的海洋測(cè)量軟件，可以在測(cè)量的同時(shí)自動(dòng)成圖，還可以勾畫出高接解析度的河床基礎(chǔ)模型。海洋測(cè)繪軟件導(dǎo)出的*.dat文件，可以直接被CASS7.0讀取，與地籍管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。以往在地籍管理系統(tǒng)中僅對(duì)區(qū)域內(nèi)的水體邊緣進(jìn)行了測(cè)量，沒有對(duì)于水底河床進(jìn)行測(cè)量，在本次地理信息調(diào)查中，我們采用的新測(cè)量方法，可以更加精確的對(duì)于水下地形進(jìn)行全面詳細(xì)的管理。

2.3 施工放樣

GPS-RTK模式下，最大的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)在于施工放樣的測(cè)量上，使用GPS穩(wěn)站后，可以快速的對(duì)于整個(gè)區(qū)域進(jìn)行高密度的放樣測(cè)量，因?yàn)镽TK每2秒就可以取得一個(gè)點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，所以，施工放樣測(cè)量的速度僅取決于走點(diǎn)人員的走動(dòng)速度。在這種模式下，配合山地自行車或者沙灘車等輔助工具，放樣走點(diǎn)人員可以快速的對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行走點(diǎn)放樣，實(shí)現(xiàn)高速的放樣測(cè)量。甚至4個(gè)測(cè)量人員采用1+2模式，可以用短短幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，對(duì)整個(gè)水庫工地進(jìn)行放樣測(cè)量，這種放樣測(cè)量對(duì)于水庫水位管理等具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

2.4 數(shù)字化地形圖測(cè)量

在蓄水工程開始前，需要對(duì)周邊很大面積的地形進(jìn)行控制，這種控制對(duì)于蓄水面積和村莊及其他設(shè)施的搬遷規(guī)劃有著重要的意義。對(duì)于因?yàn)樗畮煨钏貐^(qū)往往是在山區(qū)，其地形起伏較大，地形控制點(diǎn)取點(diǎn)較密。而采用全站儀的邊角法測(cè)量，因?yàn)橐曇安婚_闊需要頻繁移站，可能對(duì)一個(gè)水庫的地形控制點(diǎn)測(cè)量需要數(shù)個(gè)月的時(shí)間，消耗大量的人力物力財(cái)力。而如今，采用GPS加密控制點(diǎn)測(cè)量法，只需要用全站儀在區(qū)域內(nèi)防止幾個(gè)控制點(diǎn)，然后采用GPSRTK，可以在短短數(shù)周內(nèi)完成對(duì)整個(gè)區(qū)域的數(shù)字化地形圖測(cè)量。

2.5 地物GIS數(shù)據(jù)采集

在水利施工過程中，需要對(duì)某些地物進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)采集，比如需要沉入水底的就地保護(hù)的文物，以及區(qū)域內(nèi)新建或者改建的信號(hào)塔及其他公共基礎(chǔ)設(shè)施。這些地物的采集，因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)數(shù)少，如果單獨(dú)使用全站儀從附近的控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，可能會(huì)帶來很低的控制效率。而如果采用GPS進(jìn)行穩(wěn)站測(cè)量，可以在很短的時(shí)間內(nèi)使用很少的人力對(duì)這些地物點(diǎn)進(jìn)行精確控制。

3 GPS-RTK的局限性及彌補(bǔ)方法

3.1 天氣原因

在陰雨天氣，因?yàn)樵茖臃瓷淞诵l(wèi)星信號(hào)，GPS的測(cè)量受到很大的影響，甚至出現(xiàn)無法初始化的情況。對(duì)于需要較緊急測(cè)量的任務(wù)，在天氣不好的情況下就無法使用GPS-RTK來完成。同時(shí)，夏季的正午時(shí)分，雖然天氣晴朗沒有云層覆蓋，但是因?yàn)殡婋x層活動(dòng)劇烈，會(huì)反射大量的衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)致GPS出現(xiàn)無法初始化的情況，以致測(cè)量精度無法控制在工程要求的范圍內(nèi)。另外，大風(fēng)天也可能因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)的擾動(dòng)增加，也會(huì)引起測(cè)量精度的下降。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路障礙

因?yàn)樗姽こ坛３Ｔ谏絽^(qū)施工，在比較陡峻的山崖下，可能會(huì)較嚴(yán)重的影響到衛(wèi)星信號(hào)的GPS-RTK的互傳信號(hào)。另外，高達(dá)樹木、巖洞附近等區(qū)域，也可能會(huì)因?yàn)榭沼虿婚_闊導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)。如果附近存在高壓線等高壓工頻干擾源時(shí)，也可能會(huì)造成電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)干擾，使得RTK的響應(yīng)速度下降，或者測(cè)量精度降低。

3.3 測(cè)量成果質(zhì)量控制方法

因?yàn)镚PS-RTK的優(yōu)缺點(diǎn)并存，具有測(cè)量方便，效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還存在精準(zhǔn)度變化多，測(cè)量容易被干擾的缺點(diǎn)。所以，我們采用了一系列的質(zhì)量控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。

（1）已知點(diǎn)檢核比較。通過對(duì)已知點(diǎn)位控制點(diǎn)的反復(fù)測(cè)量，可以對(duì)于GPS-RTK系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)估和校準(zhǔn)。也可以使用全站儀與GPS-RTK共同測(cè)量幾個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行比較。因?yàn)槿緝x的測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，所以，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于GPS-RTK的準(zhǔn)確率進(jìn)行一些提升。

（2）測(cè)重比較法。每次初始化后對(duì)多個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，對(duì)于上次測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)其他測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這樣可以基本確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（3）變頻檢測(cè)法。采用多個(gè)GPS基準(zhǔn)站進(jìn)行穩(wěn)站，使用不同的頻率發(fā)射測(cè)量信號(hào)，而在RTK一端通過變換頻率，得到不同基準(zhǔn)站信號(hào)模式下的不同測(cè)量結(jié)果，對(duì)于這些測(cè)量結(jié)果在后期平差時(shí)取幾何平均數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以大幅度提升測(cè)量的精準(zhǔn)度。

4 結(jié)束語

通過多次工程實(shí)踐，GPS-RTK系統(tǒng)在水利水電工程施工中發(fā)揮了重要的作用，通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)較為精確、迅速的工程施工測(cè)量，為水利水電工程的施工提供了強(qiáng)有力的地形數(shù)據(jù)支持。

［1］王耀華，尚學(xué)勇．GPS在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用探討［J］．河南建材，2011（10）：103-106.

［2］張衛(wèi)東．淺析GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用［J］．河南水利與南水北調(diào)，2012（12）：88-89.