浅谈GPS测量技术在水利工程中的应用

杨良生

摘  要：随着社会经济的发展，GPS测量技术在水利工程建设中的应用不断地广泛。该文结合水利工程建设中地形测绘的一些实例，针对GPS在水利工程建设中地形测绘、放样的技术作业标准和水下测量工序顺序进行了重点阐述，也深入探讨了水利工程地形测量中平面控制测量实施过程等，有一定的理论价值和现实意义，供同行借鉴。

关键词：GPS  水利工程  测绘  波束

中图分类号：TV221.1    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0041-03

测绘工作是水利工程建设中的姣姣者，在大多数水利建设项目中占据着不可或缺的地位，在防洪建设、水质改善、生态修复、大坝的设计与建设、河道间清除淤泥与河道更改重造等区域建设中应用尤为广泛，同时在拟定开发的江河流域或地区，对调查和分析所在水利环境下的状况、优化水利水电工程建设初期的计划、设计、部署和调试领域提供基本资料和可靠的分析数据。该文根据GPS测量技术在水利工程建设的实施过程，对常用的几种测绘作业方法进行简单的介绍和分析，为水利工程建设的中测绘工作提供理论参考和支持。

1  GPS应用于水利工程控制测量

为了限制误差的累积和传播，保证测图和施工的精度及速度，测量工作必须遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则[1]。首先，在测区范围内设置控制点，得出其控制网数据后方可测量该测区的具体地形地貌。基本控制、测量点控制、图根控制都包括在在平面控制量中，而基本平面控制分别具备二等到五等的4个等级分布，这些等级都可以作为测量区域的首级控制。

在平面控制测量中，常用到的方法有三角测量、导线测量和边角测量。三角测量是在所测绘区域布设若干个控制点，然后将每3个点用线段连接起来构成不重复的三角形，通过测量三角形内的各个角度计算顶点水平坐标的方法。对三角形顶角的测量工作称为水平角观测，除了要测量各三角形的顶角之外，还要选择有已知点的三角形的边来采集它们角与角的距离和方位角。通过三角测量的方法得到的坐标有结构性强，几何条件清晰，易于检验所测量的结果;但是该方法要求测站点与各个测站互相通视，在地形较为复杂的测区通常要设立很高的标志来测量，距离起算基线的距离越远误差就越大，推算结果的精度也会不均匀。导线网法是通过采集点与点中间的距离数据，然后将各个点相连构成几何折线，通过经纬仪或者全站仪测量出两直线之间水平角度从而推算出下一个点的坐标。导线测量的方法被广泛应用于水利工程测量之中，特别是部分重要测区，因为导线测量的各点方向数较少，收两点之间通视的要求也较少，方便测量工作视的选点，不用設置较高的测量标志。在遇到不易通视的环境可以自主选择视野通视的前进路线，设点受约束程度低，因为观测两点之间的距离是可以采集到的，所以两点之间的距离误差不会参差不齐。但是和三角网法相比，其采集的数据量要少，因此该方法检验数据没有布设三角网的检验数据严谨，不容易检验在观测中的粗差;另外一方面，导线网是单方向推进，所以控制的面积没有三角网的大，由于单方向推进，方位传算的误差也会较大，可靠性没有三角网的大。边角测量就是通过三角测量和三边测量的方法，对三角形内的内角和边长进行测量，利用三角形定理来推算三角的坐标。同时观测角度和边长可以提高控制网精度，在实际测量中，只要符合精度要求，边角测量不一定要把所有内角和边长都观测，可以在测量三角网的基础上加测部分边长，或者在测量三边时加测部分角度。

任何工程项目都以控制测量网为基础，按等级布网，逐级加密控制。目前使用GPS进行控制网的布设已经广泛应用于水利水电工程建设中。GPS控制网的各控制点之间无需通视，具有精度高、效率高、速度快、费用低、劳动量少、全天候、操作简便、不易发生错误等特点。只需将GPS接收机经过精平，安装于控制点上，打开电源、设置静态工作模式，接收机按所需设置的时间就会自动观测、记录、储存历元数。然后通过计算机导出记录数据，进行内业处理，只需要输入已知的高级控制点坐标和高程，剔除部分无效历元数据，电脑就会全自动计算，进行自动平差和高程拟合，得到未知控制点平差后的坐标、高程和点位精度。

2  GPS应用于水利工程数字化地形测量

地形测量（topographic survey）指的是测绘地形图的作业。即对地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小，用符号和注记绘制成地形图的工作[2]。

在水利地形地貌的数据采集过程中，在平面控制布设与求解工作已经完成的基础上，项目范围内的图根点密度要进一步提高，然后使用相关的数据采集仪器对项目范围内的地形起伏、实际地物进行数据的采集。该项碎部测绘工作是决定测绘工作区平面基本轮廓的关键。传统的图解法工序繁多，每一测站测量的范围较小，共租用强度较大，效率较低，加上在绘制图纸时受刺点、图纸移动、变形等因素影响精度也会因此降低。

数字化地形测量是水利工程测绘中最常见的一种形式，大坝建设、河堤修筑、水闸兴建、河道改造、地质勘探等都需要测绘地形图。使用GPS RTK进行数字化测绘时，首项工作就是用GPS静态模式进行平面控制网的测量与解算，求出平面坐标。其次采用RTK（Real-Time Kinematic，实时动态）测量方法开展测区的地形地貌测绘工作。施测时，基准站与移动机头不用互相通视，只需要在开阔的地方摆设好基站和电台，选择好工作模式，可让多个移动站同时工作。多个移动站可在一个基准站半径约10km范围内采集数据，对采集点，在手簿中输入特征码，然后通过计算机进行内业编缉、输出成图。使用GPS RTK进行测绘与传统的测绘方法相比较，可以减少作业人员、操作简单、无需频繁搬站、节省测绘工作时间、提高测绘数据的精确度，测绘工作的效率得到进一步的提升。

GPS RTK测量方法施测的技术要求如下。

（1）RTK测量采用单基站RTK。

（2）RTK卫星状态应符合表1的规定。

3  GPS应用于水利工程施工放样

在已经求出七参数的前提下，事先上传需要放样的坐标数据文件，或现场编辑放样数据。使用南方S86仪器作为移动站，在工程之星3.0的测量界面上选择点位放样功能，然后在工具栏上点击目标选项，接着选择需要放样的坐标，工程之星3.0会计算出流动作业的接收机所在位置坐标和放样坐标的差值（△X、△Y）。按提示方向前进，即将达到目标点处时，手簿会发出3声蜂鸣声，并且屏幕会出现明显的圆圈标志。然后小幅度地变化移动站的位置，当手簿上的△X和△Y的绝对值符合放样要求时，即可确定放样点。在水利工程测量中用到RTK作业前都需要对已知点控制进行反测，利用周边两个已知点进行检核，各坐标分量较差均小于3cm后实施流动观测。测量点的平面精度因子范围在0.02m之内，高程精度因子范围在0.03m之内。每次记录坐标应该恢复测量初始状态，手簿显示“固定”，观测历元数不少于20个，采样间隔1s，每个点观测次数3次，支杆高度均小于2.5m，对中误差小于5mm，每次测量坐标较差精度Mp<4cm，Mv<4cm。用两个及以上移动站同时作业时，每个移动站进行互检，确认系统正常后，才进行作业。

九洲江测区较为开阔地带，地形起伏不大，适宜GPS RTK测量。对于测区施工放样的相邻界址点，我们利用全站仪对RTK测量距离抽查对比，其结果如表2所示。

4  GPS应用于水下地形测绘

该次九洲江下游水深测量以多波束测量为主，采用单波束测量进行检查。首先采用声速仪测量测区水域的平均声速，再通过信标GPS差分技术，使用广州中海达测绘仪器公司开发的导航软件NAV6.0进行导航、记录，配合测深仪、波浪补偿仪同步定位、测深。

放置多波束定位儀Veripos于九洲江边某村控制点GPS-C上进行定位测试，记录该点实测坐标与已知坐标进行比对，比对情况见表3。

在多波束扫描测量过程中，单波束水深也在同时进行，利用单波束数据对多波束数据进行同步检查对比。选取平面较差1mm内的单波束水深点与多波束水深点进行抽样比对，0～10cm区间置信度达到90%以上，10～20cm区间置信度为9%，未检测到较差超过30cm的水深点。

该次多波束扫描重复覆盖率达30%，重复点互相检查完全吻合。精度检查可靠，数据吻合，各项技术指标符合《规范》要求，成果可靠。

5  结语

GPS定位实用网自1993年底建成，经过二十多年的发展，硬件、软件不断完善，给测量界带来了深刻的变革。以其性能好、数据误差小、全天候、无需通视、操作简便、效率高，不受天气、地形等条件限制，越来越受广大的测绘单位欢迎。在水利工程规划、水利建设可行性研究、水下地形测绘、河道整改、水环境改造、水环境评估及水利工程施工建设等水利工程测绘中得到广泛的应用，具有很不错的发展前景，很大程度地提高水利水电工程的设计、施工与管理水平。但是在茂密的树底下、河流峡谷、楼距较小的小巷里，GPS的卫星信号比较弱，获取不了双差固定解。另外一方面，在使用对中杆对中校正时，可能出现人为因素，影响测绘成果精度。但是随着科学的发展，GPS测量技术将不断创新、完善，更好地用于提高生产力、科学水平、人们的生活质量等方方面面。

参考文献

[1] 孟凡超.GPS-RTK与全站仪联合作业在数字测图中的应用[J].北京测绘，2010（2）：57-60.

[2] 赵文亮.地形测量[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

[3] 秦长才，郭辉.基于CORS系统的网络RTK技术在土地勘测定界测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2015（3）：102-103.

[4] 吴仍武，邹时林，张威.GPS RTK技术在水下地形测量中的应用[J].科技信息，2013（35）：113.

[5] 胡浩明.GPS在桥梁工程控制测量中的应用[J].城市建筑，2017（5）：125.