试论GPS在水利水电工程勘测中应用技术
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摘要:本文主要论述了水利水电工程勘测中gps 技术的应用,分析了GPS的特点及在水利水电勘测中相关技术，并提出相关经验，进行以下探讨。
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
0引言
随着社会的快速发展, 各地方政府对水利工程建设投资的加大,许多水利工程不断崛起。 而大多数水利工程都位于偏远地区,高等级测量控制点极少,给水利工程施工测量带来很大困难。同时, 随着数字化技术的发展, 全球定位系统 ( GPS ) 已在车辆导航、 地球物理资源勘探、 变形监测、 海洋平台定位、 水文地质测量及航空航天等方面得到了广泛应用。
1.( Glo bal Positio ning Sy stem)GPS在水利工程地质勘测中的特点
（1）测量精度高, 全天候作业, 数据安全可靠,没有误差积累。GPS 技术能为用户提供连续, 实时的三维位置、 三维速度和精密时间,不受天气的影响而全天候工作。只要满足GPS 技术的基本工作条件, 在一定的作业半径范围内(一般为10km) , GPS测量可同时精确测定测点的三维坐标, 并且高程精度能达到厘米级,达到四等水准测量精度,且没有积累误差。 而普通水准测量存在误差积累,搬站越多误差越大,这在测量河道大断面时尤其突出。
（2）劳动强度大大降低。GPS 测量技术不要求两点间满足光学通视,只要求满足“ 电磁波通视” , 因此和传统测量相比, 受通视条件、 能见度、 气候、 季节等因素的影响和限制较小, 在传统测量看来由于地形复杂、 地物障碍而造成的难通视地区, 只要满足GPS 技术的基本工作条件, 也能轻松地进行快速的高精度定位作业,减轻了测量艰苦程度。全天候作业, GPS 卫星数目多, 且分布均匀,可保证在任何时间、 任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响。而普通水准测量受地形、 地物影响的因素较多,影响也较大。
（3）测量速度快。进行GPS 测量时,先将测量基站架设在四等水准精度点上, 测量人员背负流动站,每一测点定位一般仅需几秒钟,卫星信号不好时, 最多10min 左右, 速度很快,平均每天测量河道断面1. 5个左右,工作效率提高了约67%。
（4）能丈量不规则区域。GPS 技术能对不规则的待测区域及较大区域的面积,通过航迹测量面积的方法来测量, 沿着运行线路画出一条轨迹, 从而计算出该轨迹所围区域的面积。
（5）提供三维坐标, 实现河道断面测量成果可视化。GPS 技术能够精确测定测点的三维坐标, 实现河道断面资料在GIS 地图上数字化可视化显示、编辑,一次测量成果满足规划、 防洪决策、 工程管理等多项目标需求。
2( Glo bal Positio ning Sy stem) ( GPS )在水利工程地质勘测中的应用
GPS在工程地质勘察领域内主要用来确定观测点位的三维坐标。相对于普通测量手段而言，它不要求观测站之间通视，具有定位精度高、观测时间短、操作简便、可全天候观测等优点，可将其采集和储存的观测数据导入计算机进行分析与处理。GPS 越来越广泛地应用于水利水电工程地质勘察测量及定位控制工作中，它在高程控制方面能较好地解决跨河、 跨沟水准难以传递的问题。在勘察区控制点较少，或在山区 林区等通视条件较差、观测条件受限的区域进行工程地质勘察时，运用 GPS 可大大减少作业时间，提高测量精度。
2.1水准高程和精度
（1）水准高程
地面上的点相对于高程基准面(大地水准面)的高度,通常称为绝对高程或正常高高程。水准高程误差主要来源于仪器误差、水准标尺长度误差、大气垂直折光、仪器和水准标尺垂直位移、电磁场对水准测量的影响和磁场对补偿式自动安平水准仪的影响,但这些误差通过操作规程可以消除或减轻。
（2）精度
由n个测段往返测的高程不符q值计算每km 高差的偶然中误差:
每km 高差中数的全中误差:
规范规定对于四等水准测量和 。式中q为测段往返测(左右路线)高程不符值,mm;R为测段长度,km;n为测段数;W为经过各项改正后的水准环闭合差,mm;F 为水准环线周长,km;N 为水准环数。
2.2GPS高程测量和精度
（1）高程系统
我们通常使用的高程都是相对于大地水准面的高程,即正常高系统,而GPS,测定的是大地高差,求出的是大地高而不是正常高,这是我们使用GPS高程或GPS高程控制的主要问题。地面上一点沿参考椭球面的法线到参考椭球的距离称为大地高,地面一点沿铅垂线方向到似大地水准面的距离称为正常高,高程异常是参考椭球面与似大地水准面之间的高程差。它们之间的关系如下:
大地高转换成正常高主要误差来源有:GPS观测误差 ,高程异常误差 ,陆地上
升误差 =0.02mm(km/a)(国际地球参考框架的数据)
一般情况下,利用GPS控制网中重合水准点高程,计算出重合水准点高程的高程异常值ζ,同时考虑地球重力场误差,可以消除水准点分布不均匀或点数不够多的情况下产生的系统偏差。
（2）GPS大地高的精度
GPS测量平面控制精度是很高的,达到国家高等级精度。而GPS测量所获得的两点间高差是WGS-1984坐标系下的大地高高差,它的精度是平面控制精度的2倍左右,如果在控制网中,用几何水准测量方法较均匀地测定约1/3GPS点的水准高程,求出这些点的高程异常,计算出测区高程异常的精确关系式,采用回归分析的方法,拟合出测区的似大地水准面,GPS高程精度可达到国家四等水准高程规范的指标。
2.3 GPS高程转换
目前,国内外用于GPS高程计算的方法主要有:绘等值线图法、解析内插法(如曲线拟合法)、曲面拟合法(如多项式曲面拟合法)等。GPS测量获得高程是大地高,必须将其转换成通用的正常高高程,采用GPS大地高和水准高多次曲面拟合并加地形改正求出测区高程异常,再平差出GPS点的正常高高程。常用的方法有曲线拟合法和多项式曲面拟合法。高程模型视已知水准点个数,确定四参数至七参数模型,求出内附合精度和协方差阵,并对确定的模型进行 T 检验。
（1）绘等值线图法
其原理是:设在某一测区中,有m个GPS点,其中n个GPS点有正常高(联测几何水准),根据GPS观测获得的点的大地高,按式(1)求出n个已知点的高程异常,从而求出待定点的正常高。该法适用于地势平坦、GPS水准点的差值变化不大的情况,且要求GPS水准点个数大于或等于3。
（2）曲线拟合法
其原理是:根据测线上已知点的平面坐标和高程异常,用数值拟合的方法,拟合出测线方向有似大地水准面曲线,再内插待定点的高程异常,从而求出待定点的正常高。适用于线型测量。水利水电枢纽工程GPS控制网多为带状,带状GPS高程拟合的方法通常采用曲线拟合法。该法要求GPS水准点个数≥4。公式如下:
（3）多项式曲面拟合法(附加地形改正曲面拟合法)
其原理是:根据测区中已知点的平面坐标(或大地坐标B,L)和高程异常,用数值拟合的方法,拟合出测区似大地水准面,再内插待定点的高程异常,从而求出待定点的正常高。公式如下:
3工程实践经验探讨
3.1GPS网的布设原则
测区中联测几何水准的点数,视测区大小和似大地水准面变化情况而定。一般来说GPS网联测几何水准的点数至少为总点数的1/5,山区应多一些。一个局部GPS、网中最少联测几何水准的点数,不能少于选用计算模型中未知参数的个数。联测几何水准的点位,应均匀布设测区周围,如测区有明显地形变化,应布设几何水准点,由这些联测几何水准点连成多边形包围个测区。
3.2提高GPS高程拟合精度方法
(1)提高大地高测定的精度:如提高GPS网基线解算的起算点坐标的精度、选用双频GPS接收机、观测最佳时段、减弱多路径误差和对流层延迟误差。
(2)尽量采用三等几何水准来联测GPS点,因为用几何水准来联测的误差约占GPS 拟合高程误差的1/3。对于特殊GPS控制网,尽量采用更高等级的几何水准来联测,以利于有效地提高 GPS 拟合高程的精度。
(3)利用我国已有的地心坐标转换参数或利用国家 A,B 级GPS 网点来推算转换参数来提高转换参数的精度。
4 结束语
水利水电工程大多建设在山高坡陡、河切割较深、交通不便、国家水准点稀少,这些条件的限制使得高程测设极为困难,而该类工程对高程的要求有非常严格。目前、高程测量主要采用常规的几何水准和光电测距三角高程测量方法来解决,而常规方法费工、费时、费力。近年来,国内外许多试验和实测成果已表明,GPS测量方法可以替代传统的地面平面控制测量,但用来替代常规几何水准测量尚有待进一步研究解决。
参考文献
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