GPS RTK技术在水利工程测量中的应用探究

摘要：全球定位系统GPS不仅具有良好的抗干扰性和保密性，而且具有全球性、全天候、连续性、实时性的精密三维导航与定位能力，能为水利工程测量提供精密的三维坐标。GPS系统已广泛用于水利工程测量，尤其是实时动态（RTK）定位技术在水利工程测量中蕴含着巨大的技术潜力。本文介绍了GPS测量技术，探讨了GPS RTK技术在水库大坝变形监测、水深测量、渠道管线纵断面测量中的应用。

关键词：GPS RTK 变形监测水深测量纵断面测量

GPS全球定位系统，是随着现代科学技术的迅速成长而成立起来的新一代卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量是研究操作GPS系统解决大地测量问题的一项空间手艺。随着全球定位系统（GPS）技术的快速成长，RTK测量技术也日益成熟，并在水利工程测量中获得应用，实时获得厘米级定位精度的测量体例。这是是GPS应用的重大里程碑，为水利工程测量带来了新曙光，极大地提高了测量效率。

一、GPS测量技术

（一）GPS定位原理

GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）：

（二）RTK技术

实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS ( RTDGPS)技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据。随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度，这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况。根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

二、GPS RTK技术在水利工程测量中的应用

(一) GPS水库大坝变形监测

变形监测主要是监测水库大坝的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。水电站的大坝，由于水负荷的重压，可能引起大坝的变形。因此为了避免大坝变形引发安全事故，必须对大坝进行连续而精密的监测。如果采用GPS精密定位技术，不仅可以实现大坝变形监测工作的精度达到（1.0ppm- 0.1ppm），而且还有助于实现监测工作的自动化。

1、方法步骤

GPS技术在大坝变形监测中的应用，分以下步骤：

（1）根据监测的目的，在图上选点，然后到野外踏勘，以保证所选点位满足布网的要求和野外观测所具备的条件，最后得到要施测的概略点位。

（2）按每个点发出3条独立基线且边长分布较为均匀，并根据接收机台数的多少布网，设计网的观测图形，并选定可能要追加施测的路线。

（3）给定所需的可区分度指标（或精度指标）进行计算，直到达到给定的要求为止，最后得到增加独立观测基线后的最终施测方案。

（4）观测时段和周期的设计；

（5）采用连续观测分历元数据处理，或间断观测，整段数据处理方法进行数据计算；

（6）利用观测值的统计，成因分析，一元或多元线性回归，逐步回归，图表等形式进行数据分析。

由以上方法可知，利用这一监测方式，可以解决大坝，由于受外界因素干扰，在某一时刻，它们之间最直接的相对关系（相对位移及扰度等）及它们相对于参考基准点的绝对位移。分析它们各项因子对变形体影响的显著性，为水利部门提供最可靠的最直观的数据及分析资料。

2、实例分析

湖北省的隔河岩大坝，坝顶弧线全长653m，最大坝151m，于1997年底至1998年初安装、调试并运行成功了GPS自动监测系统。经实验及运行实践结果表明系统自动化程度高、数据可靠、监测精度高。该系统由数据采集、数据传输、数据处理三大部分组成。

（1）数据采集。GPS数据采集分基准点和监测点两部分。隔河岩大坝外观变形GPS监测系统基准点为2个、监测点为5个。

（2）数据传输。根据现场条件，GPS数据传输采用有线（坝面监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合方法。

（3）GPS数据处理、分析和管理。整个系统七台GPS接收机，在一年365天中，连续观测，并实时将观测资料传输到控制中心，进行处理、分析、贮存。系统反应时间（即从每台GPS接收机传输数据开始，至处理、分析、变形显示为止）小于10分钟，为此，建立了一个局域网，一个完善的软件管理、监控系统。整个系统全自动，应用广播星历1～2小时，GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于1.5mm（相对于基准点，以下同），垂直精度优于1.5mm；6小时GPS观测资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm。

事实证明，GPS自动监测系统取得了监测点在水平方向和高程方向较为理想的精度。这一监测工程的成功范例，标志着我国大型建筑物、构筑物高精度变形监测，采用GPS自动监测系统时代的开始。

(二) 水深测量

以往的水深测量多采用交会定位，故测量工作受气象的影响较大，精度难以保证，测量工作难度大，外业测量人员也很艰苦，且成图时间长。使用GPS技术后，这些困扰水上测量工作的问题就迎刃而解了。水深测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业的主要内容包括以下三个方面：

1、求转换参数

将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标（该点的单点84坐标）后设置为基准站；同样的方法将GPS移动站架设在已知点B上，求得该点的固定解（84坐标）；通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。

2、外业的数据采集

架设基准站在求转换参数时架设的基准点上，且坐标不变；设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接受机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，进行测量工作。水深测量的原理为：水底高程H底=H-(h+Z)；水深Zm=Z+Z0。H底为水底高程，H为RTK测得的高程，h为测深仪探头到GPS天线的高度，Z为测得的水深，Z0为设定吃水，Zm为绘图水深。

3、数据的后处理

利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果――水深图及其统计分析报告等。

由此可以看出，通过利用GPS RTK技术结合水深测量设备，很好的解决了传统水深测量方法工作量大、效率低下、精度差、成图周期长等缺点，极大的提高了水深测量的工作效率和测量精度，为水下地形测绘提供了一个高效快捷的作业方法。

（三）GPS 高程测量

水利水电工程建设的各个阶段，对高程均有严格的要求。而其鲜明的行业特性，使得高程的施测不仅困难，而且费时、费力。由GPS相对定位得到的三维基线向量，通过GPS网平差，可以得到高精度的大地高差。

1、确定正常高的GPS高程法

在实际应用中，地面点高程采用正常高系统。这种系统为我国通用的高程系统，其高程是通过水准测量来确定的。大地高与正常高之间的关系式：Hr= H84-ξ，其中地面点的正常高Hr是地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。ξ表示似大地水准面至椭球面间的高差，叫做高程异常，它是由地下物质及其密度分布不均匀产生的重力异常导致的。因此，按GPS所测定的大地高，当已知正常高或正高时，可以确定高程异常或大地水准面高；反之，当已知高程异常或大地水准面高时，可以确定正常高或正高。

2、GPS水准高程

利用GPS和水准测量成果确定似大地水准面的方法为GPS水准。在实际运用中主要采用GPS水准高程方法来确定似大地水准面。所谓GPS水准就是在小区域的GPS网中，用水准测量的方法联测网中若干GPS点的正常高（这些联测点称为公共点），那么根据各GPS点的大地高就可求得各公共点上的高程异常。然后由公共点的平面坐标和高程异常采用数值拟合计算方法，拟合出区域的似大地水准面，即可求出各点高程异常值，并由此求出各GPS点的正常高。

以上GPS水准高程，这个内容建议不要，因为GPS水准高程，目前这个技术并不成熟，没有一个很好的高精度的高程解决方案，在低精度的高程测量中有所应用（如RTK），在高精度的高程控制中还无法满足规范要求，目前还停留在一些科研院所，院校实验论证的阶段。加之目前现有测量规范都没有GPS水准高程的内容。所以GPS代替水准高程在生产实践当中应用极少。（RTK属于一般常规测量，RTK的使用必须要有至少三个以上的较高等级的控制点，才能保证高程的精度）

（四）渠道管线纵断面测量

渠道管线是水利水电工程中重要的组成部分，其特点是分散，呈线状放射性分布，传统的渠道管线测量，早先普遍采用绳尺量距，配合经纬仪，水准仪进行纵断面的测量，需要大量的人员，作业效率低下，精度差。发展到前些年开始采用半站仪或者全站仪进行渠道管线纵断面的测量，作业效率和精度均有所提高，但仍然存在着作业人员较多，受地形地貌、天气等因素影响较大，特别是受到通视条件的制约，工作速度很难有所提高。

随着GPS RTK技术的成熟和普及，在水利水电工程渠道管线测量中GPS RTK技术也将得到广泛的应用，采用GPS RTK技术进行渠道管线测量具有以下几方面的优势：

a) 具有全天候作业的优势

RTK不受时间，天气等因素的影响，无论白天夜晚，刮风下雨都可以进行作业。

b) 受地形地貌影响较小

除了悬崖绝壁，茂密的植被等因素的影响外，野外作业中几乎不受其他地形地貌的的影响，极大的提高了工作效率。

c) 不受通视条件的影响

传统的渠道管线测量，通视条件是影响工作进度的一个重要原因，而RTK技术弥补了这一缺陷，只要人能到的地方，没有茂密的植被的遮挡，均可进行测量，不受通视条件的限制。

d) 简单直观

只要有了渠道管线的一些技术参数，如设计高程、转角等参数，输到RTK测量手簿中，很快很直观的就可以在实地找到待测点。

e) 快捷高效

RTK作业人员配置比传统的作业方法减少一半以上，节约了大量的人力、物力和财力，对作业单位提高生产效率，降低生产成本有着重要的意义。

三、结束语

随着GPS技术的不断发展，特别是RTK技术的出现，大大减少了水利部门测量人员的劳动强度，自动化程度高，省工省时，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程测量变得更经济。

参考文献：

1. 李明峰、冯宝红、刘三枝：《GPS定位技术及其应用》，北京：国防工业出版社，2006版。

2. 周忠谟、易杰军：《GPS卫星测量原理与应用》，北京：测绘出版社，1992版。

3. 尹景伟：《浅谈GPS RTK技术在水利工程测量中的应用》，《江苏水利》，2007年第11期。

4. 高连胜：《GPS技术在水利工程测量中的应用》，《测绘与空间地理信息》，2010年第3期。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。