GPS高程測(cè)量在水利工程中的應(yīng)用

李吉華

(貴州省安順市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州安順561000)

GPS高程測(cè)量在水利工程中的應(yīng)用

李吉華

(貴州省安順市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州安順561000)

隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其工程測(cè)量問(wèn)題變得越來(lái)越重要。進(jìn)行有效的工程測(cè)量對(duì)于工程建設(shè)的質(zhì)量以及安全具有非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛的運(yùn)用在工程測(cè)量中，因而GPS技術(shù)在高程測(cè)量在水利工程中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。文章主要以安順市“引千入虹”水利工程為例，闡述了E級(jí)GPS高程測(cè)量技術(shù)在該水利工程中的運(yùn)用。

水利工程;GPS;高程;測(cè)量;觀測(cè)

1 工程概況

安順市“引千入虹”水利工程項(xiàng)目位于安順市西秀區(qū)，地處長(zhǎng)江流域?yàn)踅蹬c珠江流域北盤江水系寬緩分水嶺的南側(cè)，地理位置為E105°44'30″～106°21'31″，N25°56'32″～25°26'50″。

該工程地處長(zhǎng)江流域和珠江流域分水嶺地帶，地表高程1 400～1 500 m。測(cè)區(qū)為一向南傾斜的丘陵盆地地形，地勢(shì)總的較平坦，開(kāi)闊洼地和谷地彼此相連。地貌類型主要為溶蝕作用造成的峰林谷地和殘丘波地，為丘盆地區(qū)的巖溶溶蝕、侵蝕低山地貌。

安順市“引千入虹”水利工程主要任務(wù)為:通過(guò)采取工程措施將千峰河(本寨取水口以上)、木檔河(石古凼取水口以上)及棕樹(shù)、洋坪水庫(kù)的可利用水量引入虹山水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)后向城區(qū)貫城河補(bǔ)水，從而改善安順城區(qū)虹山山水庫(kù)及下游貫城河的水環(huán)境狀況，進(jìn)一步美化安順城區(qū)環(huán)境。本項(xiàng)目主要在測(cè)區(qū)布設(shè)E級(jí)GPS網(wǎng)。

2 E級(jí)GPS網(wǎng)的選點(diǎn)和埋石

點(diǎn)位原則上在設(shè)計(jì)圖位置附近布設(shè)，在現(xiàn)場(chǎng)需要和委托方商議確定具體點(diǎn)位。所占用土地應(yīng)征得土地使用者或管理者同意。

點(diǎn)位的選擇除應(yīng)遵循GPS點(diǎn)點(diǎn)位條件的基本要求外，還應(yīng)注意下列要求:

1)新布設(shè)的E級(jí)GPS點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在需建設(shè)的主要建筑物附近?？紤]到方便下一級(jí)導(dǎo)線發(fā)展的需要，各個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)宜有一個(gè)以上的E級(jí)GPS點(diǎn)與之通視。

2)點(diǎn)位應(yīng)選擇在交通方便，又有利于安全作業(yè)的地方。應(yīng)盡量避免在主要道路邊設(shè)點(diǎn)。

3)點(diǎn)位必須選在地基堅(jiān)實(shí)，適合GPS觀測(cè)并有利于長(zhǎng)期保存的穩(wěn)定區(qū)域。

4)點(diǎn)位應(yīng)該具有比較好的環(huán)境，方便進(jìn)行觀測(cè)。選擇的點(diǎn)位應(yīng)該遠(yuǎn)離功率比較大的無(wú)線電發(fā)射源，必須控制相互之間的距離≤200 m;離1萬(wàn)V以上的高壓電線≥50 m。

選擇的點(diǎn)位一定范圍內(nèi)不應(yīng)該存在水源或者其他一些能夠干擾信號(hào)的物體(如金屬?gòu)V告牌等)，點(diǎn)位要盡量布設(shè)在四周開(kāi)闊的區(qū)域，一般地區(qū)四周不得有高度角＞15°的障礙物，在個(gè)別困難地區(qū)，高度角可放寬至25°，但＞15°的障礙物其水平投影和應(yīng)≤60°。

2.1 點(diǎn)名及編號(hào)

點(diǎn)名及編號(hào)有下列4點(diǎn)原則:

1)點(diǎn)名一般取居民地名稱或地名，必要時(shí)可加上相關(guān)方位名稱(如東、南、西、北等)形式，點(diǎn)名一般≤5個(gè)字。當(dāng)利用國(guó)家控制點(diǎn)，點(diǎn)名利用原點(diǎn)名，新增GPS E級(jí)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，并在備注注明原控制點(diǎn)的屬性、等級(jí)。

2)當(dāng)點(diǎn)名中涉及生僻字時(shí)，取字義(音)較接近的字代替，并在點(diǎn)之記備注欄內(nèi)用筆填寫。

3)E級(jí)GPS點(diǎn)的編號(hào)按“N×××”表示，按自然數(shù)編號(hào)，從N001開(kāi)始往后編，編號(hào)原則為自西向東、自北向南編排。

4)測(cè)區(qū)內(nèi)所有控制點(diǎn)不得重名、重號(hào)，但允許跳號(hào)［1］。

2.2 上交資料要求

上交資料的要求主要有:

1)選點(diǎn)結(jié)束后應(yīng)繪制測(cè)區(qū)E級(jí)GPS網(wǎng)選點(diǎn)圖。

2)拍攝標(biāo)石建造過(guò)程的照片。在標(biāo)石建造的關(guān)鍵工序，應(yīng)進(jìn)行拍照反映標(biāo)石埋設(shè)過(guò)程及反映其形狀和尺寸及整飾是否規(guī)范。像片中的標(biāo)尺應(yīng)該規(guī)范、清晰，拍攝基礎(chǔ)照片的相機(jī)與標(biāo)石的角度以45°為宜。拍照要求如下:

1)標(biāo)石坑照片:挖好基坑后拍照，反映出標(biāo)石坑大小。

2)標(biāo)石埋設(shè)后或標(biāo)石澆灌后照片:反映標(biāo)石形狀和尺寸是否規(guī)范;

3)標(biāo)石埋設(shè)位置照片:標(biāo)石埋設(shè)完成后，應(yīng)拍照反映標(biāo)石埋設(shè)位置的全景地貌。

4)利用原有控制點(diǎn)時(shí)，照片只需拍攝標(biāo)石埋設(shè)位置照片。

在埋石工作完成后用Word軟件對(duì)對(duì)每個(gè)GPS點(diǎn)的點(diǎn)之記進(jìn)行圖形的繪制以及相關(guān)數(shù)據(jù)的整理，然后利用A4紙將圖片打印出來(lái)，必須保證內(nèi)容完整與美觀。

3 儀器及檢驗(yàn)

主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容:

3.1 GSP接收機(jī)

本項(xiàng)目的GSP接收機(jī)將采用 SOUTH9600型和SANDINGT20型，共投入8臺(tái)套。

3.2 檢定和維護(hù)

項(xiàng)目中所用的GPS接收機(jī)及天線都必須按照按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行測(cè)前、測(cè)后檢驗(yàn)，檢驗(yàn)符合相關(guān)要求之后并且在有效期內(nèi)才能夠進(jìn)行使用。在對(duì)其進(jìn)行使用的過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)存在異常情況，那么應(yīng)立即進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 E級(jí)GPS網(wǎng)的觀測(cè)

E級(jí)GPS網(wǎng)的觀測(cè)包括5個(gè)方面的內(nèi)容:

4.1 觀測(cè)方案

本測(cè)區(qū)采用同步環(huán)邊連接GPS靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)模式，時(shí)段長(zhǎng)度1 h，采樣間隔10～30 s，衛(wèi)星高度截止角 15°，PDOP≤6。

4.2 觀測(cè)的技術(shù)要求

觀測(cè)的技術(shù)要求有主要以下3點(diǎn):

1)觀測(cè)時(shí)間段可在1 d(UTC時(shí)間)中任意選取。

2)觀測(cè)過(guò)程中，若出現(xiàn)天氣突變等情況應(yīng)放棄觀測(cè)，在合適的天氣條件下，重新觀測(cè)一個(gè)完整時(shí)段。如果在雷雨季節(jié)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，使用相關(guān)儀器設(shè)備時(shí)一定要注意雷電，防止雷擊事件的產(chǎn)生。

3)觀測(cè)前，要求進(jìn)行嚴(yán)格整平和對(duì)中，相關(guān)設(shè)備和儀器的操作和規(guī)定的要求。采用光學(xué)對(duì)點(diǎn)器對(duì)中并使用垂球進(jìn)行檢核，對(duì)中誤差應(yīng)＜2 mm。天線定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北［2］。

4.3 數(shù)據(jù)下載與存儲(chǔ)

1)每一個(gè)觀測(cè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)下載，下載之后應(yīng)及時(shí)將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為RINEX格式文件，以此對(duì)下載的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性的檢查。

2)每天的原始數(shù)據(jù)使用1個(gè)子目錄。

3)所有原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式數(shù)據(jù)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)制兩套，一套存貯在移動(dòng)硬盤中，一套保存在計(jì)算機(jī)中。

4.4 外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查采用TEQC軟件進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括:

1)觀測(cè)數(shù)據(jù)總量是否達(dá)到規(guī)定要求;數(shù)據(jù)可利用率;GPS接收機(jī)鐘漂移率;L1，L2頻率的多路經(jīng)效應(yīng)影響。

2)在檢查過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)雙頻GPS接收機(jī)鐘漂移率＞0.001秒或者單頻GPS接收機(jī)鐘漂＞0.02 s，則需要重新設(shè)置GPS接收機(jī)參數(shù);當(dāng)數(shù)據(jù)可利用率＜80%，要找出原因，以確定是否重測(cè)。

4.5 觀測(cè)的記錄

E級(jí)GPS點(diǎn)野外觀測(cè)手簿及填寫格式按照規(guī)范中的格式統(tǒng)一制印和填寫。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 解算基線向量

基線解算采用隨接收機(jī)配備的商用軟件TGO1.6，所需要的起算點(diǎn)坐標(biāo)采用GPS單點(diǎn)定位觀測(cè)的平差值提供的WGS-84坐標(biāo)，采用廣播星歷，單基線處理模式。

5.2 檢核基線質(zhì)量

1)基線平差計(jì)算驗(yàn)后均方差 rms值宜 ＜0.010 m。固定雙差解質(zhì)量因子ratio值宜＞3。計(jì)算同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)＜10%。

2)E級(jí)網(wǎng)采用單基線處理模式時(shí)，對(duì)于采用同一種數(shù)學(xué)模型的基線解，其同步時(shí)段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量相對(duì)閉合差不超過(guò)6×10-6，環(huán)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差不超過(guò)10×10-6。

3)對(duì)于采用不同數(shù)學(xué)模型的基線解，其同步時(shí)段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量相對(duì)閉合差和全長(zhǎng)相對(duì)閉合差按獨(dú)立環(huán)閉合差要求檢核。

4)無(wú)論采用單基線模式或多基線模式解算基線，都應(yīng)在整個(gè)GPS網(wǎng)中選取一組完全的獨(dú)立基線構(gòu)成獨(dú)立環(huán)，各獨(dú)立環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差應(yīng)符合下式規(guī)定:

式中:n為獨(dú)立環(huán)中的邊數(shù);σ為相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度，根據(jù)相應(yīng)等級(jí)精度要求(a、b)計(jì)算;W為環(huán)閉合差。

5.3 GPS網(wǎng)平差

1)GPS網(wǎng)平差軟件采用隨接收機(jī)配備的商用軟件TGO1.6。

2)GPS網(wǎng)無(wú)約束平差。

整網(wǎng)觀測(cè)基線解算工作結(jié)束后，選取合格的獨(dú)立基線組GPS基線向量網(wǎng)，以其中一個(gè)點(diǎn)的WGS—84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行無(wú)約束平差，以檢驗(yàn)空間向量網(wǎng)的內(nèi)符合精度、再次檢驗(yàn)組網(wǎng)基線是否存在粗差基線。

平差結(jié)束后，應(yīng)有無(wú)約束平差的結(jié)果綜述文件，弦長(zhǎng)相對(duì)中誤差文件形成并保存作為精度統(tǒng)計(jì)依據(jù)文件。

在無(wú)約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足下式要求:

3)GPS網(wǎng)約束平差。

在三維無(wú)約束平差結(jié)束后，將質(zhì)量可靠的GPS空間向量網(wǎng)分別投影變換至本次測(cè)量采用的參心坐標(biāo)系。

在平差前檢核起算點(diǎn)的兼容性，固定聯(lián)測(cè)的三角點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行平面網(wǎng)的整體二維約束平差，留部分三角點(diǎn)作外部檢核。若外部檢核通過(guò)，則固定所有聯(lián)測(cè)點(diǎn)成果再進(jìn)行約束平差，獲得GPS網(wǎng)的參心坐標(biāo)系成果。

在約束平差中，基線向量的改正數(shù)與剔除粗差后的無(wú)約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差應(yīng)符合下式要求:

dVΔx≤2σ，dVΔy≤2σ，dVΔz≤2σ (4)

平差結(jié)束后，應(yīng)對(duì)平差后點(diǎn)位中誤差、方位角中誤差、邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，并在最后技術(shù)小結(jié)中予以總結(jié)。

4)GPS高程擬合。

利用GPS網(wǎng)中經(jīng)四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的若干個(gè)點(diǎn)的正常高和在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行GPS網(wǎng)三維無(wú)約束平差所獲得的對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的大地高平差值，確定這些水準(zhǔn)點(diǎn)的高程異常，據(jù)此擬合測(cè)區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。

根據(jù)擬合所得的似大地水準(zhǔn)面，利用在WGS-84下進(jìn)行GPS網(wǎng)三維無(wú)約束平差所獲得的各點(diǎn)的大地高平差值計(jì)算其余各點(diǎn)的正常高。

若某些GPS控制點(diǎn)不便于聯(lián)測(cè)四等三角高程則采用GPS高程擬合的方法求得該點(diǎn)的高程。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著水利工程勘察技術(shù)的不斷提高，GPS在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用將會(huì)越來(lái)越多，越來(lái)越廣泛，使用GPS測(cè)量技術(shù)，不僅提高了測(cè)量效益，還進(jìn)一步提高了測(cè)量的精度，今后GPS在水利工程中還會(huì)有更加廣泛的運(yùn)用。

［1］嚴(yán)秀夫，譚文輝.淺論GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006(05):34-35.

［2］施昆.GPS網(wǎng)中網(wǎng)點(diǎn)正常高的一種求解方法［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(01):78-79.

TV221.1

B

1007-7596(2014)05-0177-03

2013-09-11

李吉華(1977-)，男，貴州遵義人，工程師，從事水利測(cè)繪方面工作。