GPS技术在大型输水工程测量中的应用分析

徐彬

摘 要：随着全球定位系统技术（GPS）的快速发展以及在民用行业的推广，其逐渐以精度高、速度快等优势取代了传统的测量技术在水利工程中得到了广泛的应用。文章结合GPS技术在南水北调中线工程中的应用实例，通过工程测量中的实际应用及精度分析，对GPS技术在大型输水工程测量中的应用进行综合研究。

关键词：工程测量；GPS技术；输水工程；应用

前言

GPS技术自上个世纪九十年代初期开始在水利工程行业中得到应用，目前已经被广泛地用于大型水利工程测量的各个环节中。从控制到碎步、从整体到局部、从工程的可行性研究到最终的竣工测量，到处都有GPS工作的痕迹。相对于传统的工程测量模式，采用GPS技术进行水利工程测量，可以大大地节约人力物力财力，可以节约大量的外业观测时间，可以大幅度地提高工程测量精度。因此，无论是降低工程造价，或者是保证观测质量，或者是优化施工工艺，或者是对生态环境的保护，GPS技术在都具有无可比拟的优势。

1 GPS技术工作原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出接收机的具体位置。GPS-RTK技术是基于载波相位观测值的实时动态定位测量技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位的结果，并能达到厘米级精度。它是利用2台以上的GPS接收机同时接受卫星信号，其中的一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台是用来测定未知点的坐标（称为流动站），基准站根据该点的准确坐标求出其到卫星的距离改正数并将相关参数数据发给流动站，流动站通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度。

2 GPS技术特点

相对于传统测量技术，GPS技术主要有以下特点。

2.1 全天候作业，无时间限制

采用GPS技术进行外业测量，可在一天24小时内的任何时间进行观测，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响，应用非常广泛。

2.2 定位精度高，无误差累计

采用GPS-RTK测量时其精度可达到：lcm+1ppm（平面），2cm+lppm（高程），同时无误差累计。采用GPS进行控制测量时其相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m的工程测量中，通过1小时以上定位观测，其平面位置误差小于1mm。

2.3 作业距离远，操作较简单

在一般的地形地势下，RTK设站一次即可测完约15km半径的测区，大大减少了传统测量因观测距离限制只能通过反复设站的弊端，加上现有软件应用，的每个放样（测量）点只需要停留1-2s，即可以完成作业，工作效率得到大幅度提升。

2.4 无通视要求，限制因素少

测站之间无需通视，是相互独立的观测值，不存在误差积累传播。

2.5 自动化操作，作业效率高

RTK可胜任各种测绘外业。流动站配备高效手持操作手簿，内置专业软件可自动实现多种测绘功能，减少人为误差，保证了作业精度。

3 GPS技术在输水工程测量中的应用

3.1 GPS技术用于控制测量

3.1.1 通过 GPS静态观测求解加密控制点坐标。大型输水工程中的建筑物、构筑物、金属结构等重点项目对工程测量的精度要求非常严格。以南水北调中线工程为例，渠道的边坡和底板、各个倒虹吸、退水闸、渡槽、桥梁的位置结构、金属闸门安装等项目的测量精度决定着各个项目能否顺利实施。针对此类重点设施，为了确保施工质量，提高测量精度，减少测量误差，在加密控制测量中通常采用GPS静态观测的方法求解各个控制点的坐标。

GPS静态观测求解加密控制点坐标的方法如下：（1）根据各个加密控制点的相对位置关系绘制观测网型布置图。网型布置图通常有三角形网和四边形网两种。网型布置过程以各个主要建筑物为单位，以网中各个边长、角度近似相等为原则，尽量避免两条边长相差过大或相邻两边夹角过小等因布网不合理造成的系统误差。（2）外业观测。根据网型布置图分别在各个控制点上设置基站并同时开关机，做好外业施工记录。同步观测时间以1小时为宜。（3）内业处理。根据外业观测记录，采用专业的数据处理软件进行平差计算，利用已知点的坐标及已知点和未知点之间的相对位置关系求解出各个加密控制点的坐标。（4）形成控制测量报告并进行精度分析。利用数据专业软件，对平差后的加密控制点坐标进行精度分析并形成控制测量报告。

3.1.2 通过 GPS-RTK测量求解加密控制点坐标。大型输水工程中的土石方工程、弃土场规划及利用、弃土场的防护治理等项目对施工精度要求较低，其加密控制测量可采用GPS-RTK技术直接测量求得。

GPS RTK加密测量控制点很简单，只需在施工区内3个以上等级测量控制点分别设站并通过手簿软件计算，完成设站后直接测量即可，通常采用多次观测求平均值的方法计算得到，操作简单方便，平均每天可测量30～40个加密控制点，效率较高。

3.2 GPS技术用于地形（圖）测量

3.2.1 工程勘测阶段地形图的测绘。在大型水利工程开展前的勘测阶段，通常要绘制地形图，在地形图的测绘过程中，GPS技术发挥重要作用。

在设置好基准站后，采用GPS-RTK技术，可以迅速开展工程施工区域内及周边的地形测绘。通常采用1+1或者1+n（n=2.3.4…）的操作模式，即设置一台基准站，采用1台或多台流动站根据地形走向分区域同时开展测量作业，将测区内各个地势变化点位以三维坐标（X、Y、H）的形式表示出来，并存储于对用的手簿中。

3.2.2 工程施工阶段用于地籍测量。大型水利工程开展过程中往往涉及到地类、地籍、各项设施的迁建和规划、居民的安置等内容，采用GPS进行相应的地籍测绘和调查并绘制平面图，不仅可以大大节约时间和人力物力财力，还可以为工程建设提供良好的决策依据。

3.3 GPS技术用于纵横断面测量

大型调水工程施工过程的各个阶段都离不开纵横断面的测绘，由于GPS技术的智能化和自动化，通过相应的手簿可以清楚的显示出纵横断面的里程、距轴线及高程等信息，有针对性地对需要的纵横断面数据进行测绘，避免多余观测数据和繁冗的数据删选、处理过程，大大地减少了外业观测的难度，同时降低了作业的成本和时间，这对工程建设者来说是非常难得的财富。

3.4 GPS技术用于水下地形测量

在大型调水工程的跨河施工及后期的运营管理阶段，涉及到保通、排水、清淤、河道治理等辅助项目的施工情况时常发生，采用GPS技术可以实时地对决策者的判断提供有效的帮助，可以有效地避免病急乱投医现象的发生，采用GPS技术可以为各项对用工作的开展提供强有力的保证。

4 GPS技术在输水工程测量中的精度分析

4.1 加密控制点的精度分析

以南水北调中线工程某个大型分水口门加密控制测量为例，对加密控制点的测量精度进行分析（见表1、表2、表3）。

通过表1、2、3测量数据可知，采用GPS技术进行加密控制点测量，其点位平面中误差可以达到0.0008m，高程中误差可以达到0.0117m，最弱基线边相对中误差可以达到1：63283。其测量的精度远大于传统的测量手段。

4.2 测量放样点的精度分析

以南水北调中线工程某地形测量数据为例，对测量放样点的精度进行分析（表4）。

以上为南水北调工程某位置地形测量数据，通过表4可以看出，采用RTK模式进行测量，其点位平面中误差可以达到0.0137m，高程中误差可以达到0.0217m。相对于传统测量手段，在快捷操作方式下均能满足工程的需要。

5 GPS技术的缺陷与不足

5.1 受卫星状况限制

GPS系统在设计时受当时的技术限制，总体设计方案自身存在很多不足。随着时间的推移和用户要求的日益提高，GPS卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前的需要，当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖。例如在中、低纬度地区每天总有两次盲区，每次20～30min，盲区时卫星几何图形结构强度低，RTK测量很难得到固定解。同时由于信号强度较弱，在对空遮挡比较严重的地方GPS无法正常应用。

5.2 受电离层影响

白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。根据实际经验，每天中午12～13点，RTK测量很难得到固定解。

5.3 受数据链电台传输距离影响

数据链电台信号在传输过程中易受外界环境影响：如高大山体、建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。另外，当RTK作业半径超过一定距离时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其理论半径要小，工程实践和专门研究都证明了这一点。

5.4 受对空通视环境影响

在山区、林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，信号强度低，卫星空间结构差，容易造成失锁，重新初始化困难甚至无法完成初始化，影响正常作业。

6 结束语

（1）GPS技术在大型输水工程测量中应用将会越来越广泛，与其他传统测量手段相比，GPS技术具有无可比拟的优势。（2）GPS技术的测量精度可以满足大型输水工程测量的需要，尤其是在加密控制测量中精度非常高，完全可以代替传统的测量方法。（3）采用RTK技术进行测量放样时，尽可能采用多次观测求平均值的方法来提高观测点位的精度。（4）采用GPS技術进行操作时，尽量避开各种电磁波干扰区域，必要时可以采取GPS+全站仪测量模式。（5）GPS技术具有全天候、区域广、精度高、自动化程度高等优势，其测量速度、精度远大于传统的测量模式，可以节约大量的人力物力财力。（6）随着中国北斗系统的研发，未来采用GPS技术将会创造更大的社会效益。

参考文献

[1]陈剑浪.GPS定位技术在水库工程测量中的应用[J].技术与市场，2015，3.

[2]向垂规.GPS-RTK技术在水利工程测量中的应用[J].贵州水力发电，2010，6.