GPS在水利水电测量中的应用
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摘要：简述gps 控制网设计的基本原理，阐明在水利水电工程控制测量中选择合适的GPS 控制网对于提高观测质量和精度，减少外业观测工作量等方面具有重要意义。通过对水利水电工程施工中布设的GPS 控制网点连式、边连式、边点混连式控制网进行技术、经济、可靠性对比分析，得出合理的GPS 控制网布设方案。
关键词：GPS 控制网；控制测量；异步环；点连式网；水利工程
Abstract: The GPS control net design basic principle, articulated in water conservancy and hydropower engineering control measure in the selection of GPS control network for improve the quality and accuracy, reduce the workload of field observation and is important. Based on the construction of water conservancy and hydropower project layout of GPS control network connecting type, edge, edge points of continuous mixing type control network technology, economy, reliability analysis, obtains the reasonable GPS control network layout scheme.
Key words: GPS control network; control measure; asynchronous ring; point continued type network; water conservancy project
中图分类号：O514.2文献标识码：文章编号：
1 引言
在我国水利水电工程中，应用GPS 测量建立水利水电工程控制网已基本取代了传统的控制网建立方法。与传统方法相比，GPS 控制网不论是在布网方案，还是在平差的数学模型上，都有许多不同之处。因此，在水利水电工程测量中研究如何根据GPS 原理和作业特点制定GPS 控制网的布网方案，对减少外业观测劳动强度、降低建网费用、提高观测质量和成果的精度等具有重大的意义。
2 水利水电工程GPS 控制网设计
GPS 控制网与常规测量控制网不同，它不需要考虑点间通视、相邻边比值以及观测角大小等因素，布网的图形结构灵活性较强。在对GPS 控制网的设计中，水利水电工程中最常用的布网方式是点连式、边连式和边、点混合式。GPS 控制网设计，在严格遵守GPS 测量规范基础上，还应注意以下几个方面：
（1）为提高GPS 控制网的整体相对精度，异步环中相邻较近的点应进行同步观测。
（2）由于随着异步环边数的增加，异步环闭合差的检验能力将逐渐下降。所以，控制网中所有最小异步环的边数一般不要大于6 条。
（3）尽量保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连。通过对某中型水电水利工程建设进行施工控制测量，根据《水利水电工程施工测量规范》，该工程的首级控制网选定为三等。通过在施工范围外侧布设控制点，根据所布的控制点组成不同类型的GPS 控制网，对这些控制网分别进行数据采集，内业平差处理，最后得到在不同的GPS 控制网中控制点的坐标和点位精度，通过对这些数据进行分析，得出不同的GPS 控制网精度优劣。
由于GPS 测量分为静态定位模式和实时动态定位模式（RTK），静态定位模式数据处理滞后，无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果，降低了工作效率。而实时动态定位模式（RTK）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。
本次数据采集用的是华测X90 双频接收机三台套的RTK，静态标称精度为±(3+1×10- 6×D)mm，采用三角形形式进行观测，每站的观测时间为60 min，采样间隔为5 s，高度角10°，有效卫星数、PDOP 值均达到观测要求。数据处理时以G001 和G002 为已知点。平差计算使用仪器附带的平差软件。
3 水利水电工程GPS 控制网网形分析
3.1 点连式
点连式是相邻同步图形之间仅有公共点相连的布网方式。这种网形很少形成异步环，图形几何强度也较弱。点连式是水利工程控制网设计中常用的一种方法，其连接作业速度较快，但没有或很少有检核条件，可靠性指标也较低。点连式很少单独使用，
一般作为整个网形的组成部分，网中利用多个同步图形挑选独立边形成异步闭合条件，提高可靠性，同时发挥点连式速度快的特点。
对点连式控制网的平差结果进行统计分析见表1，控制网形见图1，闭合环节点数3；闭合环总数5；同步环总数5；异步环总数0。
表1 平差计算点位精度表A
图1 点连式网示意图
通过对平差成果的分析，这组观测数据质量合格，布设的基线长符合二级标准，平差后最弱边相对中误差勉强达到三等控制网标准，因此技术上可行。从经济上分析，这组控制网需要观测5 个测站，即接收机需要工作5h（不考虑搬站及架设仪器的时间）。完成这组控制测量所需时间短，花费的费用少，经济性高。
从可靠性分析，点连式控制网几何强度比较差，因为当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS 基线向量的计算合格，并不能说明GPS 边的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差，所以可靠性不高。
3.2 边连式
边连式是相邻同步图形间有一公共基线连接的布网方式。这种网形一般形成较多闭合条件与复测边，可靠性最高，由于多余观测量多，平差后成果的精度也有所提高。边连式GPS 控制网的精度、可靠性、图形几何强度均优于点连式。在大型水利工程控制网中应用最多。根据不同的地形条件或水利工程需求，边连式GPS 控制网又可分为不同的网形，如在带状地形布设控制网时，可布设成连续向前发展的三角锁或大地四边形锁；在面状地形布设控制网时可布设成中心多边形。
边连式网见图2，闭合环节点数3；闭合环总数25；同步环总数10；异步环总数15。平差成果见表2。
表2 平差计算点位精度表B
图2 边连式网示意图
通过对平差成果的分析，可以看出布设边连式网的精度比点连式高，各项精度指标都符合三等GPS 控制网要求，技术上可行。
从经济上分析，这组控制网需要观测10 个测站，即接收机需要工作10h（不考虑搬站及架设仪器的时间）。完成这组控制测量所需时间长，花费的费用多，经济性低。
从可靠性分析，边连式控制网由于增加了多余观测量，使得该控制网的几何强度和可靠性大大提高。
3.3 边点混合式
边点混连式是相邻同步图形间有一公共点或公共基线连接的布网方式[4]。这种图形兼顾点连式与边连式的优点，效率高，可靠性也较强，多余观测条件较多。边点混合式网是布设大面积水利工程GPS控制网的理想网形，兼顾效率与质量。
边点混连式网见图3，闭合环节点数3；闭合环总数10；同步环总数7；异步环总数3。平差成果见表3。
表2 平差计算点位精度表C
图3 边点混连式网示意图
通过对平差成果的分析，可以看出布设边、点混连式网的精度比点连式和边连式的精度都高，其各项精度指标符合三等GPS控制网要求，因此技术上可行。
从经济上分析，这组控制网需要观测7 个测站，即接收机需要工作7h（不考虑搬站及架设仪器的时间）。完成这组控制测量所需时间适中，花费的费用不多，经济性较好。
从可靠性分析，由于边点混连式网集中了前面两种网形的优点，因此具有更高的几何精度和更高的可靠性强度。
4 结论
通过对以上3 组不同网形数据从技术、经济和可靠性进行对比分析，可以看出点连式GPS 控制网的精度最低，经济性最高，可靠性不高；边连式GPS控制网的精度适中，经济性最低，可靠性适中；边点混连式GPS 控制网的精度最高，经济性适中，可靠性最高。因此这个中型水电水利工程的施工控制网应选择边、点混连式网形，其观测成果可靠，经济效益较高。
参考文献：
[1]李国波，方广杰．GPS 测量控制网网形的优化设计[J]．湘潭师范学院学报（自然科学版），2004，26（3）：12- 14.
[2]林玉祥.控制测量[M].北京：测绘出版社，2009.
[3]费应春.浅谈GPS 网形设计[J].中州煤炭，2006,（S1）： 27- 28.
[4]王东亮.GPS 工程设计网网型设计研究[J].煤炭技术， 2010，29（5）: 142- 143.