浅谈GPS测量在水利水电工程中的应用

【摘 要】GPS测量的广泛应用，给水利水电工程平面控制测量、GPS安全监测、水下地形测量等方面带来了很大的方便，为水利水电工程施工、动态监测方面提供了一个崭新的前景。本文重点介绍了GPS测量在水利水电工程中的应用。

【关键词】GPS测量；水利水电；拟合高程

一、水利水电工程中的GPS测量技术

目前水利工程勘测中虽已采用电子全站仪和电子水准仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量，为勘测阶段测绘带状地形图、路线平面、纵面测量提供依据；在水利工程施工阶段为闸门、渠道、堤坝建立施工控制网，这仅仅是GPS在水利工程测量中应用的初级阶段。其实，水利工程测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在水利工程中的应用，有着非常广阔的前景。

GPS技术在水利测量中的应用主要包括以下部分：GPS的外业测量、GPS的布网以及实时动态测量技术的应用等等。

（一）GPS外业测量

GPS外业测量中，选点是关键。点的定位对于保证测量结果的正确性具有非常重要的意义，因此要在选点前做好充分的准备工作，包括收集和了解有关测区的地理位置、标架以及标型的完好状况等等，这都是做好选点的关键。

GPS的观测工作主要体现在无线安置和开机观测，这与常规测量有很大的不同。无线安置工作中，要做到在正常点位，天线应架设在三脚架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡必须整平；在有风天气中，应将无线进行三方向固定。

（二）GPS布网工作

关于GPS布网工作如下：对于线路及带状工程测量，例如引水工程等，通常都采用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形。而对于工程枢纽地区的施工控制网和变形监测网，通常则采用边连式或网连式布设，以增强网形的几何强度，提高GPS控制网的可靠性和数据精度。

（三）实时动态测量方法

RTK工作基本方式可以表述为：在某一已知点上设立基准站并安置一台GPS接收机，对所有的可见卫星进行现场测量，采用无线电传送设备，将观测到的数据和测站信息通过数据链传送到流动站。流动站在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的数据，依据相对定位的基本原理，基准站及流动站将该数据与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到两观测站之间的相对位置，解算出流动站所在位置的三维坐标并实时存储和输出。

二、GPS测量在水利水电工程中的应用

（一）施工控制网

水电工程越来越多地采用GPS建立平面施工控制网，尤其是长隧洞引水式电站，各工程区必须利用GPS联测，确保测量基准的统一和隧洞的贯通。由于水电工程施工对高程有严格的要求，高程控制网采用精密水准测量方法建立，或辅以光电测距三角高程测量来实现。

某实验结果表明：对山区大型水电工程，GPS测量的拟合高程只能达到±0.10m的精度；对丘陵地区中型水电工程，GPS高程可达到±0.05m的精度。当然，GPS高程测量精度与测区条件、网型结构、观测方法等有关，但仍难以满足水电工程施工的高程要求。可见，水电工程的施工高程控制网目前仍需采用精密水准测量方法建立，而GPS高程拟合结果只能作为参考和实验。

（二）地形测绘

1、GPS-RTK地形测绘

随着GPS的发展，RTK技术已逐步应用于水电工程大比例尺（1：500～1：2000）地形测绘，包括测图控制和碎部测量，其平面、高程精度远满足规范要求。同时，RTK技术在水电工程的水下地形测绘、水库调查测量、河道断面测量、施工放样中有着广泛的应用。但很大程度上受地形、植被等条件的制约，在西部山区水电工程建设中，目前还难以全面推广，有待于进一步积累经验。

2、像片控制点联测

水电工程的中小比例尺（1：2000～1：10000）地形图，多数采用航空摄影测量方法成图，其中像片控制点的测量精度极为关键。像控点多数分布于河流两侧的成图范围以外，远离首级控制网，高差大，通视困难。随着GPS的普及，像控点的平面坐标一般采用GPS联测，精度完全能满足规范要求。

为确保像控点GPS高程拟合的精度，建议根据成图比例尺大小，对GPS联测基线的高差和边长进行一定的限制。同时，在像控点GPS高程联测时，必须要有检核条件；对可靠性不高的点，还需增测辅助点备用。对地形条件较好测区，还可采用GPS-RTK方法。

通过对大量水电工程航空摄影测量的实践证明：采用适当的GPS方法联测像控点，完全能够满足规范和内业定向的高程精度要求。

（三）拟合高程测量

水利水电工程中采用GPS高程测量与几何水准相比较，具有许多优越性，主要表现在电间无须通视、观测操作简单、网型连接要求不严、减轻外业作业人员的劳动强度、提高工作效率，具有良好的经济效益和社会效益。在平原或丘陵地区的一般工程测量中，完全可以用GPS高程拟合的方法代替四等水准或普通几何水准测量。在带状测区，高程拟合采用线性拟合更合适，而在面状地区，则不太合适。在山区GPS网中，只要联测适量的几何水准，利用数值拟合法求解GPS正常高，可以达到山区四等水准的要求。

GPS高程控制网的设计应根据高程异常的变化情况，对水准联测进行设计，应做到精心设计、精心观测和精心解算。联测的几何水准应分布于线型网的两端和中部。如果是区域网应均匀分布于周边和网的内部。这样布设拟合的精度最好、最合理。网型传递应采用网连式，高程的传递应采用符合方式进行高程推算。控制点的选点应尽量选择适合GPS观测的环境，以保证观测质量。减少外业的返工率和作业时间。同时作好星历预报，计划好观测时间，确保卫星数量和接收数据的质量。

基线数据处理必须细心，保证参加高程控制拟合计算的基线全部同过QA和Tau测试，对于未通过的基线应根据是否影响高程传递进行补测。

采用的已知水准点越多，拟合精度就越高。在实际应用中，对于线状测区，平均每4～8Km应该有一个几何水准点参与拟合；对于面状测区，平均每10Km2应该有一个几何水准点参与计算，这些点应尽可能包围所有的拟合点。在地形复杂的测区，应适当增加水准重合点观测。

下面以实际工程为例介绍其应用。

某提水工程为某市西部供水规划确定的四个骨干工程之一，是有效解决渝西地区水供需矛盾、优化资源配置、推动城市化进程的重要水利基础设施。为满足该项目初步勘察、设计需要，需测设供水线路1：1000带状地形图及构筑物1：500地形图。由于该项目为带状测图， 线路长， 而且又分散， 尤其给常规高程测量带来很大的工作量和极大的不便。由于GPS网的总体布设是一个网状，所以我们利用GPS拟合高程的方法来代替高程控制测量。

方案实施：

（1） 外业观测。外业观测使用仪器： 索佳（ SOKKALOCUS）单频接收机；观测方法： 静态测量方法，采用四边形边连接式；观测时间：每时段60min。

（2） 数据处理。利用GPS仪器随机软件进行数据下载至计算机内，再将原始观测数据转换为星历及数据的RINEX标准格式文件。基线解算采用武汉大学研制的Lip4.0进行， 平差计算和高程拟合采用武汉天任勘测科技有限责任公司研制宝威Power ADJ4. 0平差软件进行。在进行高程拟合时， 由于该测区为丘陵地区， 所以高程拟合模型选择附加地形改正的曲面拟合模型。以测区已知高程点GPS8、GPS6、D030、D042和D041作为高程起算点，GPS6为检验点进行高程拟合。计算出内附和精度、协方差阵， 并对所确立的模型进行T检验。通过检验点计算出外符合精度（见图1）。

图1 图2

（3） 拟合精度及复核检验。高程拟合的结果及精度见图2。

从布网图形上看已知高程点的分布虽然较均匀， 但E011、E012和E023、E024等4点位于已知高程点所联多边形区域之外， 高程拟合有外推趋势。为了检核其拟合精度， 利用电磁波测距三角高程代替五等水准测量测设了两条附和高程导线， 检查了这4点高程，其检验结果最大相差0.058m。

参考文献：

[1]何新权.经验谈GPS测量在水利水电工程测量中的应用[J].世界家苑， 2013年1期.

[2]李永义.关于GPS技术在水利水电工程地质中应用的研究[J]. 中国科技博览，2011年5期.