GPS技术在水利工程测量中的应用

金林海

（中国水利水电第三工程局有限公司第二分局,陕西 安康 725300）

为满足更多的社会需求，水利工程数量也在逐渐增多，在为人们日常生活带来便利的同时还带来了诸多的经济与社会效益。建设水利工程，关键在于各项数据的科学测量，只有在这一基础上，才能选择合适的工程建设设计方案，从而更好地进行工艺比对以达到保证质量、降低施工成本的工程目标。在对水利工程进行放样测量的工程中，应严格控制测量环节以最大程度地提高数据测量的应用效果。一旦测量数据与实际情况出现较大偏差，很容易影响后续施工方案的施工效果，导致无效施工成本增加甚至返工处理，影响施工周期。因此，为保证施工质量应结合GPS技术对工程各区域数值进行准确测量，从而保证后续工程的实际应用效果。

1 GPS技术概述

GPS的全称是全球定位系统，通过导航卫星能够对目标进行实时测距，具有定时、全天候以及导航定位等多种系统应用优势。由于技术的应用特殊性使其保密性与抗干扰性均符合用户的三维坐标确定需求，同时也给各项工程的数据测量确定提供了极大的帮助[1]。而随着GPS接收机性能的逐渐提升，近年来其工作覆盖面也在逐渐拓宽，无论是军工生产还是日常生活应用，GPS技术均起到了十分重要的作用。内业数据处理与外业施工测量是GPS技术应用的重要部分，在二者的协同作用下可保证测绘数据的准确性，同时其也是充分发挥GPS技术应用优势的重要基础，为后续的实际应用过程提供了准确的数据支持。

2 GPS系统组成

GPS技术应用效果主要由两个部分提供，分别是空间卫星群与地面监控系统。此外，有GPS技术应用需求的部分用户也有对应的卫星信号接收设备。

（1）空间卫星群。这一部分由大约24颗高度约20万km的卫星组成，按照设计轨道分布于6个轨道平面，各轨道平面之间的角度约为60°，与其赤道之间倾角约为55°，并规定运行周期，从而保证随时能够接收到卫星共同定位发出的联合信号。

（2）GPS地面控制系统。其主要由监测站、注入站以及主控站组成。主控站是以监控站的卫星数据信息反馈为基础，计算卫星星历与卫星钟，随时调节参数，并将这些数据按照不同需求将其注入卫星以对卫星进行控制与发布指令[2]；监控站主要接收卫星在预定轨道上的反馈信号，并实时监测卫星的工作情况；注入站的作用是在主控站对数据进行计算分析后，将其按照用户需求注入卫星以完善其功能。

（3）GPS的用户。最终应用部分主要由接收机、数据处理软件及用户设备组成（例如智能手机、计算机以及专业的气象监测仪器等），其能够按照用户需求实时接收卫星发出的信号，并按照反馈而来的信息实现导航或数据测量的功能。

3 GPS工作原理

作为一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，GPS系统在有需要的位置点将GPS接收机架设完毕，并在既定时刻接收卫星所发出的导航信号，经由系统与设备共同处理最终得出准确的卫星距离。联合应用卫星星历不仅能够提高数据准确度，还能快速确定该时刻下卫星空间的三维坐标。一般来说，GPS在实际测量过程中包含两种类型的坐标系统，分别为空间固定与地球体固联，两种系统联合使用共同组成地固坐标系统，按照实际使用需求转变坐标间参数以快速定位坐标系统的准确坐标[3]。这样不仅能够达到预定的坐标处理与导航结果，还为工程施工过程中各区域的数据确认提供了极大的帮助。

4 GPS测量优势

GPS技术的应用优势体现在多个方面。（1）耗时短。GPS系统随着技术的更新也在不断完善，例如想要对20km以内的坐标进行静态定位仅仅需耗时15～20min，这个时间相较于传统数据确定过程有着极大的提升。若流动站与基准站距离非常近，二者距离在15km以内仅仅需耗时1～2min就能完成定位测量，并能对各个位置进行随时定位，后期在处理数据并进行应用时甚至仅仅需要几秒钟。（2）测站之间无须通视环节。各个测量站之间的相互通视一直以来都是工程数据确定以及保持数据准确度的关键。而利用GPS系统不仅方便了各个控制点位的选取，同时还提高了数据的准确性。GPS技术的应用特殊性使其上方需具有开阔特性，以避免干扰到卫星信号的接收过程。（3）三维坐标的提供。无论是平面还是高程均需要在经典大地测量的基础上，根据实际情况选择不同的测绘方式，从而快速定位各个站点的三维坐标。当前的GPS系统的应用水平基本能符合四等水准测量要求。（4）操作简单。相较于其他定位测量工具，GPS系统的集成度非常高，具有自动化的应用特征，信号接收环节甚至能够将智能手机作为临时接收设备，操作流程也极为方便。小型的信号接收机只需天线对中，并量取适当天线高度后就能够打开电源继而完成自动的信号观测，随后将观测数据导入数据处理软件便可自动生成三维坐标，无论是卫星信号捕获还是后续的跟踪加测均能在仪器的辅助下自动完成。（5）随时待命作业[4]。GPS系统在应用环节不受空间与时间的限制，受周围环境因素的影响几乎可以忽略不计，这使其具有全天候待命工作的应用特性。（6）功能多。GPS系统不仅可以用于工程数据测量与导航，还可以测量速度与时间，其获得的数据结果往往也能满足一定的精度要求。

5 GPS技术在水利工程测量中的应用特点

在水利工程中，保证工程的建设效率十分重要，但由于所在区域不同而使施工难度较大，在对施工过程进行管理时也较为困难。而利用GPS系统不仅能为工程的建设提供更为精准的数据，也能为运行过程中水利工程建筑的数据变化实时监测提供可能。

5.1 平面控制测量

传统测量技术下的导线测量在GPS系统的应用下完全被摒弃，根据工程的实际情况可以选择合适的技术用于动态定位技术控制网测量，从而实现点位的快速确定。高精度是其应用的主要特征，GPS系统在50km范围内应用时得出的数据精度较高。

5.2 放样测量

采取RTK进行放样测量需要首先确定放样点坐标，并将所得参数进行转化后将其导入GPS流动站中，随后进行施工放样操作，偏差基本可以控制在5cm以下。放样需根据中心线弯道元素编制中心线文件，随后将其坐标统一输入GPS系统的流动站接收机，根据所得桩号与中心线的各项数据最终确定放样点。

5.3 航空摄影测量外业像控

围绕水利工程进行测试的测量区域通常具有条带狭长特性，测量区域的林木茂密使得通视条件极差，针对这一区域进行的像控点布设需要具备分散特征，这就使不同像控点之间的距离较远。而应用传统控制测量方式不仅需要耗费大量的精力与时间，其质量与数据准确度也无法保证。在这种情况下利用GPS技术则能较好地解决这一问题，短时间测量的应用优势使其能够快速完成外业像控点采集。

5.4 高程测量

将测量资料与水准测量资料相结合的方式，使得区域性大地水准面高程的确定变得十分简单，而想要应用这种方式进行测量则要求对应观测点应具有足够的水准测量资料，且需要各部分密度适当、分布均匀。具有高精度特性的GPS定位技术能够快速确定大地高程差，并根据已经建立的大地水准面的数学模型找出其中存在的异常差值。

6 水利水电工程在GPS技术下的测量应用分析

6.1 控制网设计

控制网设计是GPS技术的典型功能。在应用GPS技术设计控制网时，误差减少使得对应的图形精度提升。测图环节需遵循整体至局部的测绘原则，围绕控制网进行完善的设计极为重要，涵盖的基本图形包括三角形网与环形网。其中三角形网具有分布均匀的特性，结构条件良好且具有较高的稳定性。同时，自检能力的加入也使其在发现测量缺陷或是测量错误的情况下，能够及时发现其中的问题，从而保证控制网的建设可行性与应用可靠性。但需要注意的是，三角形网的不足之处也较为明显。由于施工量较大使其对于测量中接收机的数量有一定要求，以避免影响测量时间。而环形网机构虽然综合来看与三角形网有一定差距，但由于结构独立闭合环的构成特性使得其安全性较高，关键问题是这一结构相邻点位之间的基线无法保证其准确度，进而可能影响施工数据的最终确定。

6.2 控制网类型选择与高程控制

控制网的类型通常需要根据实际情况进行选择。例如地势开阔或是大型水利工程，所应用的控制网类型一般为三角网，这样可以确保工程数据的精度满足要求。但由于不同工程之间的地形地貌有所差距，若属于丘陵山区则在地形环境的条件限制下建议应用环形网，这样既能提高工作效率，相较于其他控制网类型来说其施工成本也较低。

高程控制是水位线确定与推算的前提条件，不仅影响数据计算量，还影响水利工程造价预算，决定整体工程的稳定性与安全性。处于高山河谷地带的水利工程的位置特征使得其地形条件极为复杂，不仅坡度较陡，恶劣的环境也给高程测量工作带来了较大难度。目前，高程测量普遍采用三角形高程测量方式，但耗时较长且需要定位的数据点较多，工作量较大。而在GPS技术的协助下，在提高平面精度的同时，还能显著提高数据测量的精度。部分水利工程建设在居民区上游，一旦出现质量问题将会给人民的生命财产带来极大的威胁，因此对其进行变形监测极为重要。利用GPS技术能够按照设计图纸要求将接收机固定在点位上，随后进行数据采集处理以降低变形现象的发生风险。

7 结束语

综上所述，在水利工程中GPS测量技术应用范围极广，其具有的耗时短以及精度高等优势使其随着技术的更新与实践被越来越多的工程数据测量人员所知晓。而在这一过程中，GPS技术也在不断成熟，先进GPS系统的国产化也为我国的水利水电工程测量带来了新的发展机遇。