GPS定位技术在塔岗水库工程测量中的应用

□张保亮（新乡市水利勘测设计院）

GPS定位技术在塔岗水库工程测量中的应用

□张保亮（新乡市水利勘测设计院）

随着现代化通讯技术的快速发展和GPS导航定位技术的日臻完善，GPS技术的应用范围也越来越广。GPS定位技术在测绘领域的应用，给整个测绘行业带来了革命性的变化。本文仅论述了应用静态GPS、GPS-RTK技术进行水库工程测量的平面控制和地形点的采集等工作的具体方法、步骤和工作体会。

静态GPS；控制测量；GPS-RTK；实时动态测量；数据采集

一、前言

全球定位系统(Global Positioning System-GPS)是美国从20世纪70年代开始研制的，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，被成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量资源勘查等多种领域，给测绘领域带来一场深刻的技术革命。特别是GPS-RTK技术的成熟与完善，为加密测图控制点，测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中施工放样等带来了质的飞跃。近两年来，随着中央对病险水库除险加固工程的投入加大，设计部门对水库工程测量的需求也是日渐加大，而且时间紧、任务重。GPS-RTK的应用为水库工程测量带来了强有力的技术支持和重要的仪器保障。

二、GPS卫星定位基本原理

GPS定位基本原理就是利用距离交会法来确定点位，GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接受三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点(接受机天线中心)P点至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的位置。用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X，Y，Z)的观测方程为：

在GPS定位过程中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站到卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有伪距法、载波相位测量定位及差分GPS定位等。实时动态测量技术(简称RTK)，是以载波相位观测值为依据的实时差分GPS技术，它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。载波相位差分技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上，它能实时提供观测点的三维坐标，在原理上与伪距差分原理相同。与基准站通过数据链实时将载波贯彻量与基准站坐标信息一同传达给移动站，移动站通过接受GPS卫星的载波相位信息与来自基准站的载波相位信息，进行相位差分与观测值的实时处理与改正，能实时给出准确的定位结果。载波相位测量的实际观测值～φ与卫地距ρ之间存在下列关系：

将上式代入伪距测量的观测方程得：

同样，由于δρi,(δρmul)i,εi的具体数值往往是不知道的，我们只能采取必要的措施来限制其取值的范围，使其可略而不计。所以实际计算时的观测方程为：

与测码伪距的观测方程相比，载波相位测量的观测方程中不但新增了一个未知参数——整周模糊度Ni，而且根据广播星历所求得的卫星钟改正数VtiS也不再被视为已知值了。因为它所引起的测距误差可超过1m，远大于载波相位测量的误差。

三、工程实例

（一）工程概况

塔岗水库位于河南省卫辉市西北部太行山区狮豹头与塔岗村东北200m，沧河的出山口，属海河流域卫河支流。其上游13km是狮豹头水库，20km是正面水库，下游8km是南水北调中线工程的总干渠，下游10km处是京广铁路和107国道以及京珠高速公路。塔岗水库承担着下游上乐村镇、安都乡等7个乡镇20万人及南水北调中线工程、京广铁路、京珠高速公路等国家重要设施的防洪保安任务，位置十分重要。2005年6月7日，该水库被国家防汛抗旱总指挥部公布为全国防洪重点中型水库，2007年经上级有关部门鉴定，该水库病险问题严重，为三类坝，须尽快除险加固。根据设计部门下达的测量任务书要求，需要对水库进行1：1000坝址地形图测绘、主坝、左右副坝断面测量、各个时间段洪水淹没线测量等。要完成这些测量任务，首先要进行控制测量，然后是地形点、碎部点的采集，最后是内业整理和精度评定等工作。

（二）控制测量

控制测量可以直接用南方S82建立GPS控制网。如果在坝址地形数字测图工作中选用既可以进行静态测量又可以进行RTK测量的GPS仪器，就可以完成整个数字测图的全部控制外业和大部分地形测量工作，只有少部分树木比较茂密等因素无法使用GPS进行测量的区域需要使用全站仪进行测量;而且使用GPS动态测量技术进行地形点和碎部点的测量工作，还可以大大减少图根控制点的数量，因为GPS动态测量的作业半径一般可以达到6km左右甚至更长，所以相邻图根控制点间的距离可以在10～12km左右，从而大大减少了控制测量的工作量。

根据测量任务书的要求，卫辉市塔岗水库测区布设E级GPS网，并利用动态GPS进行碎部测量及图根控制工作。GPS的外业实施包括GPS点的选埋、观测、数据传输和数据预处理等工作。

1.选点

选点根据工程要求，共埋设6个埋石点，编号从07～01到07～06，找到2个三角点，分别是郭帽山IJK001；方山IJK105。具体选点应遵守的原则如下：

（1）点位应设在易于安置接受装置，视野开阔的较高点上。

（2）点位目标要显著，视场周围15°以上不应有障碍物，以减少GPS信号遮挡或被障碍物吸收。

（3）点位应远离大功率无线电发射源，其距离≥200m；远离高压线和微波无线电信号传送通道，其距离≥50mm，以避免电磁场对GPS信号的干扰。

（4）点位应选在交通方便，有利于其他观测手段扩展与联测的地方。

（5）地面基础稳定，易于点的保存。

（6）网形应有利于同步观测边、点的联结。

（7）当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提供有关建议。

（8）利用旧点时，应对旧点的稳定性、可靠性和完好性进行检查，符合要求时方可利用。

（9）新旧点重合时，应沿用旧点号，一般不应更改。

（10）选点工作完成后，应绘制GPS网选点图。

2.标志埋设、观测

埋石点严格按照四等水准进行埋设，并且现场填写埋石情况的GPS的点之记，在埋设的四等水准标上进行GPS静态观测。埋石作业应遵守的原则如下：

（1）各级GPS点的标石一般应用混凝土浇灌。

（2）埋设标石时，各层标志中线应严格位于同一铅垂线上，其偏差不得＞2mm。

（3）利用旧点时应确认该标石完好，并符合同级GPS点埋石的要求，且能长期保存。

（4）方位点上应埋设普通标石，并加注记。

（5）现场浇灌混凝土标石时，应在标石上压印GPS点的类别，埋设年代等。

根据任务书的要求，观测网形采用混连式布设，观测时间根据规范要求和仪器情况以及基线长度，每条边采用1h进行观测，做好观测记录。天线高的量取应用专用量高设备或钢卷尺在互为120°的三处量取天线高，当互差≤3mm时取中数采用。数据采集结束后要再次量取天线高，并且数值与前一次的互差不得超过3mm，登记在观测记录上。

其观测精度，各级GPS测量作业的基本技术要求如表1：

表1 各级GPS测量作业的基本技术要求表

3.GPS数据处理

数据解算采用南方测绘GPS随机软件“GPS数据处理”4.4进行解算。把外业采集数据.sth文件传入电脑，在随机软件中输入测站信息，然后进行基线解算。解算平差样式设置采用95%置信界限。

(1)基线解算

基线解算的基本步骤如下图：

图1 基线解算基本步骤图

同步观测环检核，同步环坐标分量与环线全长相对闭合差的规定如表2。

表2 相对闭合差规定值

且环闭合差ω应满足下列公式：

异步环检核：各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式的规定：

基线解算合格，符合规定要求，然后进行无约束平差。

（2）无约束平差

基线向量的改正数绝对值满足下列公式：

其各项指标符合规范要求。

（3）约束平差

约束平差中基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应

改正数的较差（dV△x,dV△y，dV△z，）应符合下式要求：

带入两个已知点的北京54坐标(3°带)进行平差，网参考因子，1.0，x方检测(a=95%)，通过其精度如表 3。

表3 平差精度表

（三）地形测量和碎部点采集

在控制测量完成后，就可以进行地形点的采集和碎部点测量了。根据测区现状地形，决定采用GPS-RTK技术和全站仪相结合的方法进行地形测量和碎部点的测量，这里主要介绍南方S82测量地形点的方式。

对于南方S82而言，野外采集到的数据被保存在一个叫做PSION机的工业手簿上，采集地形点主要分：基准站安装、仪器设置、数据采集、数据传输四部分。

1.基准站安装

（1）在基准站架设点安置角架，安装上基座对电器，再将基准站主机装上连接器置于基座之上，队中整平。

（2）安置发射天线和电台，将连接好的天线尽量升高，在合适的地方放置电台，用多用途电缆和电源电缆连接主机、电台和蓄电池。

（3）启动基准站。

2.仪器设置

（1）按照说明书上的操作说明，把基准站和移动站都设置成动态模式。

（2）手簿连接移动站，在手簿上打开“工程之星”软件，新建文件，选择相应的坐标系再输入正确的中央子午线。

（3）在“工具”菜单下选择“参数计算”，再选择“计算四参数”。在计算之前需要把已知控制点先采集下来，再在相应的窗口下按照提示输入已知坐标，来完成参数的转换，转换完成后点击应用，就可以进行数据采集了。需要注意的是四参数的转换需要至少两个或两个以上的点。

3.数据采集

在“目标点测量”状态下，按“A”键进行数据保存，初次保存系统会弹出“点号”、“代码”、“天线高”输入的对话框，依次输入后按“回车”即可。再次保存，如果上述条件不变，直接按“回车”保存。

4.数据传输

测量完成后，要把测量结果以不同的格式输出(不同的成图软件要求的数据格式不一样，例如南方测绘的成图软件CASS的数据格式为：点名，属性，Y，X，H)。

（1）打开“文件输出”后，在数据格式里面选择需要输出的格式。

（2）选择数据格式后，单击“源文件”，选择需要转换的原始数据文件，然后单击确定。

（3）单击“目标文件”，输入转换后保存文件的名称，然后单击“确定”。

（4）最后单击“转换”，则文件已经转换为所需要的格式。

（四）测量情况与精度

采用连续地形点测量和非连续地形点测量两种方法一般就可以完成大多数地形点的测量工作。测量点精度统计表3、4和RTK点与已知点坐标较差统计表3中的数据是经南方数据处理软件处理后得出的数据。在这次数据采集过程中，总共观测地形点3000个左右，因为连续地形点具有相同的图形属性，所以要素代码、GPS天线高可以在开始测量时一次设定，测量时就没有必要再重复设置。

在测量精度方面，通常地形图的平面精度由数控绘图仪的数字地形图的精度和图内明显地物点的平面位置误差来表示，它是由野外测量误差M测和自动绘图误差M绘两部分组成的，即：

按照1999年颁布的城市测量规范，取m绘=±0.15mm，m测按1：1000取 0.02mm，

则：

传统模拟法测图一般要求图上明显地物点的平面位置误差为图上±0.5mm，由表3、4、5可见，采用GPS-RTK技术进行数字测图可以大幅度提高地形图平面位置方面的精度。

表4 测量点精度统计表

表5 RTK测量点与已知点点坐标较差统计表

四、结论

本次塔岗水库工程测量，控制采用GPS静态相对定位技术，布设了精密的工程测量控制网。碎部测量绝大多数点采用了GPS-RTK技术完成，只有极少部分林区、高大建筑物和高压电设施等区域采用了全站仪进行补测。本次测量尽量采用先进的测量方法和测量仪器，使测量成果达到设计要求。与采用常规仪器测图方法相比，笔者认为采用GPS技术进行数字测图有以下优点：

（1）综合测绘能力强，作业集成度高，易实现自动化。

（2）定位精度高，省工时，节省经费，完全优越于传统的三角测量、导线测量、大地测量。

（3）受地域、气候、季节、通视条件等因素的影响较小。

（4）操作简便，易使用，对作业条件要求相对较低。

（5）数据输入、处理、存储能力强，与计算机及其它测量仪器通讯方便。

（6）GPS-RTK技术受误差累积小，数据安全可靠。

但是它也有它的不足和局限性：

（1）易受障碍物如大树、高大建筑物和各种高频信号源的干扰。

（2）在山区、一般林区、闹市区等作业时，GPS卫星信号被阻挡的机会较多，容易造成失锁。

（3）购买、租用设备投入的费用较高。

（4）有时采集到的数据会出现“飞点”的现象，这种现象目前还没有办法解决，只有重测。

（5）RTK作业模式要求操作人员的素质较高。

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