GNSS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用

摘要：GNSS的發(fā)展為水利工程測(cè)繪工作帶來了很多便利，其目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪工作中。文章介紹了GNSS系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)，闡述了GNSS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)，分析了現(xiàn)代水利工程測(cè)繪工作中應(yīng)用GNSS技術(shù)的現(xiàn)狀及問題，最后分析了GNSS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用及其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代水利工程；GNSS技術(shù)；工程測(cè)繪；測(cè)繪科學(xué)；水利工程建設(shè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P228 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.029

GNSS技術(shù)是一種全新的工程測(cè)繪手段，具有精度高、效率高、速度高等特點(diǎn)，測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取天線高、采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成?，F(xiàn)階段，GNSS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、測(cè)繪、天文以及其他多個(gè)領(lǐng)域中，將GNSS技術(shù)引入現(xiàn)代水利工程測(cè)繪工作中，可有效確保水利工程測(cè)繪數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性、完整性，為水利工程質(zhì)量以及工程技術(shù)的安全提供重要保障。下文主要探討分析GNSS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用。

1 GNSS技術(shù)的基本介紹

1.1 GNSS的基本概念

GNSS泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國(guó)的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS技術(shù)主要是指通過接收設(shè)備、地面衛(wèi)星等現(xiàn)代先進(jìn)的科技手段，在全球內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位以及導(dǎo)航，該技術(shù)是現(xiàn)代化信息技術(shù)不斷發(fā)展的重要產(chǎn)物，也充分反映了這個(gè)社會(huì)的發(fā)展以及進(jìn)步。利用GNSS技術(shù)可以快速、高效、準(zhǔn)確地獲取精確的點(diǎn)線面三維坐標(biāo)及其相關(guān)的信息數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該將現(xiàn)代通訊技術(shù)和GNSS技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將GNSS測(cè)量三維坐標(biāo)技術(shù)慢慢從靜態(tài)領(lǐng)域向動(dòng)態(tài)領(lǐng)域發(fā)展，從智能數(shù)據(jù)后期處理逐漸向?qū)崟r(shí)定位技術(shù)發(fā)展，使GNSS應(yīng)用廣度以及應(yīng)用深度大大提高。另外，GNSS中應(yīng)用了RTK技術(shù)，進(jìn)一步提高了定位的精確度，已達(dá)到厘米級(jí)的精度。

1.2 GNSS系統(tǒng)的基本構(gòu)成

GNSS系統(tǒng)主要由地面控制、用戶設(shè)備以及空間星座三個(gè)部分組成：

1.2.1 地面控制。主要組成部分包括地面控制站、全球監(jiān)測(cè)站以及主控站。這個(gè)部分的任務(wù)是負(fù)責(zé)全程監(jiān)視衛(wèi)星，獲取關(guān)于衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)在衛(wèi)星存儲(chǔ)系統(tǒng)中注入衛(wèi)星星歷。每一個(gè)監(jiān)測(cè)站都會(huì)配裝有非常精密的銫鐘，可以連續(xù)測(cè)量一切可見衛(wèi)星接受機(jī)，監(jiān)測(cè)站獲取的氣象數(shù)據(jù)、電離層數(shù)據(jù)等相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過簡(jiǎn)單的初步處理后會(huì)向主控站傳送。主控站在每一個(gè)監(jiān)測(cè)站收集到跟蹤數(shù)據(jù)后，將衛(wèi)星的時(shí)鐘參數(shù)以及軌道參數(shù)計(jì)算出來，最后向地面控制站傳送結(jié)果。

1.2.2 用戶設(shè)備。這一部分主要指GNSS接收機(jī)，衛(wèi)星信號(hào)采用空間距離交會(huì)的方式進(jìn)行接收，在處理完數(shù)據(jù)后可以獲取點(diǎn)位坐標(biāo)以及基線向量。一旦接收機(jī)獲取跟蹤的相應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)后，就可以準(zhǔn)確測(cè)量接收天線和衛(wèi)星之間的偽距離、距離的變化率，將衛(wèi)星軌道參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)解調(diào)出來。接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)也就可以根據(jù)定位解算的方法對(duì)這些數(shù)據(jù)定位計(jì)算，了解用戶所在地理位置的相關(guān)信息，如時(shí)間、高度、經(jīng)度、維度、速度等?，F(xiàn)代接收機(jī)的體積日益減少，而且接收機(jī)的重量越來越輕，更適合在野外觀測(cè)。

1.2.3 空間星座。如美國(guó)的GPS系統(tǒng)在20000m高空的6個(gè)軌道內(nèi)，24顆GPS衛(wèi)星均勻分布，GPS衛(wèi)星運(yùn)行周期大約在12h左右，這樣可以確保在全球范圍內(nèi)時(shí)時(shí)刻刻、在任何地點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星。俄羅斯GLONASS系統(tǒng)由21顆工作星和3顆備份星組成，分布于3個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星，軌道高度1萬9000公里，運(yùn)行周期11小時(shí)15分。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。

1.3 GNSS的工作原理

GNSS的定位原理有多種，包括載波相位時(shí)差分原理、絕對(duì)定位原理、相對(duì)定位原理等，水利工程測(cè)繪工作中采用的GNSS技術(shù)原理主要是載波相位時(shí)差分原理。這種原理也被簡(jiǎn)稱為RTK技術(shù)。這種技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控基準(zhǔn)站、流動(dòng)站2個(gè)監(jiān)控站。RTK測(cè)繪的測(cè)量依據(jù)是GNSS相對(duì)定位理論，在基準(zhǔn)站上安裝一臺(tái)接收器，然后在移動(dòng)站上另外安裝幾臺(tái)接收器，這樣可以同步采集衛(wèi)星信號(hào)。在測(cè)量載波相位以及接收衛(wèi)星信號(hào)的過程中，通過跟蹤衛(wèi)星，可以將觀測(cè)值以及觀測(cè)站坐標(biāo)通過數(shù)據(jù)鏈從基準(zhǔn)站向移動(dòng)站傳遞。基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)可以利用數(shù)據(jù)鏈以及移動(dòng)站接收，也可以采用GNSS控制裝置處理采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)差分。經(jīng)過精確的計(jì)算可以得到待測(cè)點(diǎn)的精確坐標(biāo)以及高度，也可以得到實(shí)測(cè)精度，然后將實(shí)測(cè)精度指標(biāo)和預(yù)設(shè)的精度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，最后詳細(xì)記錄待測(cè)點(diǎn)的三維精度以及坐標(biāo)。在實(shí)際作業(yè)的過程中，可以初始化已知點(diǎn)，然后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)作業(yè)，同時(shí)在動(dòng)態(tài)情況下可進(jìn)行開機(jī)作業(yè)。待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以通過移動(dòng)站隨時(shí)傳遞，但是必須持續(xù)觀測(cè)追蹤4顆以上衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)。

1.4 GNSS技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

GNSS技術(shù)具有全天候、測(cè)量精度較高、觀測(cè)時(shí)間較短等特點(diǎn)，同時(shí)天氣并不會(huì)影響到觀測(cè)，每個(gè)觀測(cè)站之間不用通視，而且操作較為簡(jiǎn)便，不用邊角觀測(cè)。如果是較大區(qū)域面積觀測(cè)或者是不規(guī)范區(qū)域觀測(cè)的情況下，可以采用航跡測(cè)量方式，也就是順著運(yùn)行路線畫一條軌跡，并且精確計(jì)算軌跡周邊的區(qū)域面積。目前，GNSS差分定位測(cè)量精度已經(jīng)在毫米級(jí)別。在成圖和解算數(shù)據(jù)的時(shí)候，GNSS技術(shù)的自動(dòng)化程度已經(jīng)相當(dāng)高，相關(guān)軟件可以自動(dòng)成圖、自動(dòng)計(jì)算。endprint

2 現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中采用GNSS技術(shù)的現(xiàn)狀及問題

2.1 GNSS技術(shù)測(cè)量仍然具有一定誤差

近年來隨著GNSS技術(shù)的不斷進(jìn)步以及發(fā)展，在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中得到廣泛應(yīng)用，雖然大大提高了測(cè)繪工作效率，提高了測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然會(huì)出現(xiàn)一些誤差。比如，操作人員疏忽導(dǎo)致人為測(cè)量失誤。在觀測(cè)的過程中由于選擇的角度不合適，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外，目前GNSS技術(shù)的應(yīng)用也存在一定的局限性，高壓線、地鐵站磁場(chǎng)作用或者是遇到城市高層建筑物的遮擋，都不可能會(huì)接收到衛(wèi)星信號(hào)，這種情況下也不能正常工作，因此需要輔助應(yīng)用全站儀、水準(zhǔn)儀等補(bǔ)充測(cè)量數(shù)據(jù)，從而確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的完整性以及準(zhǔn)確性。

2.2 GNSS技術(shù)的應(yīng)用力度相對(duì)較低

現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中會(huì)應(yīng)用到電子全站儀、電子水準(zhǔn)儀等相關(guān)的設(shè)備、技術(shù)等，這些先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)不斷發(fā)展、完善，基本上可以滿足工程測(cè)繪需求，這樣會(huì)在一定程度上影響水利工程測(cè)繪工作中全面應(yīng)用GNSS技術(shù)。

2.3 技術(shù)人員的操作水平相對(duì)較低

GNSS技術(shù)是一種高新技術(shù)，對(duì)于技術(shù)操作人員文化知識(shí)也有一定的要求，然而有的技術(shù)人員并沒有全面掌握GNSS系統(tǒng)的專業(yè)操作技能，這樣會(huì)大大降低測(cè)繪的工作效率，同時(shí)在實(shí)際工作中也容易出現(xiàn)各種各樣的問題，有的時(shí)候甚至可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤的情況，這樣會(huì)嚴(yán)重影響水利工程的順利建設(shè)。另外，在測(cè)繪工作中難免會(huì)出現(xiàn)小問題的時(shí)候，但是在出現(xiàn)這些小問題時(shí)，有關(guān)的技術(shù)人員并沒有及時(shí)處理，這樣會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大問題的影響力，進(jìn)而影響到水利工程測(cè)繪工作。

3 現(xiàn)代水利工程測(cè)繪應(yīng)用GNSS技術(shù)分析

在當(dāng)前的社會(huì)背景形勢(shì)下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，工程測(cè)繪工作面臨的挑戰(zhàn)也越來越大，測(cè)繪是現(xiàn)代水利工程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，想要進(jìn)一步提高水利工程的競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)測(cè)繪技術(shù)。而且目前很多水利工程都是在較為偏遠(yuǎn)的溝壑或者深山，本身地形就相對(duì)復(fù)雜，有很多植被，很難進(jìn)行觀測(cè)、通視，這樣并不利于水利工程的順利建設(shè)。在水利工程中應(yīng)用GNSS技術(shù)，可有效避免這些問題，也有利于提高工程測(cè)繪工作效率。GNSS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中的具體應(yīng)用如下：

3.1 GNSS外業(yè)測(cè)繪

現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中在采用GNSS技術(shù)的過程中，應(yīng)該選擇正確的測(cè)繪點(diǎn)以及測(cè)繪位置，這對(duì)于保證測(cè)繪的正確性具有極其重要的意義。在選點(diǎn)定位前，應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備，全面搜集、整理測(cè)繪區(qū)域的標(biāo)架條件、標(biāo)型狀況、地理位置等相關(guān)信息，確保選點(diǎn)定位的有效性以及合理性。

3.2 GNSS技術(shù)的布網(wǎng)測(cè)量

采用GNSS技術(shù)進(jìn)行布網(wǎng)測(cè)量工作的過程中，應(yīng)該測(cè)繪帶狀工程以及線路。比如，引水工程中應(yīng)該采用邊連式或者點(diǎn)連式的測(cè)量方式，這樣可以組成一個(gè)連續(xù)發(fā)展的同步三角鎖圖形進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。對(duì)于工程樞紐區(qū)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及施工控制網(wǎng)來說，應(yīng)該采用網(wǎng)連式的布網(wǎng)方式，也可以采用邊連式的布網(wǎng)方式，這樣可以進(jìn)一步提高圖形的幾何強(qiáng)度，進(jìn)而提高GNSS控制網(wǎng)測(cè)量的真實(shí)性、可靠性以及精度，從而確保能夠高效完成水利工程測(cè)繪工作。

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)

這種測(cè)繪技術(shù)主要是指在某一個(gè)已知點(diǎn)上建立一個(gè)基準(zhǔn)站，同時(shí)需要安裝一臺(tái)GNSS接收機(jī)，這樣可以現(xiàn)場(chǎng)全面觀測(cè)所有可見衛(wèi)星的運(yùn)行狀況，而且可以全面搜集到觀測(cè)到的相關(guān)信息以及數(shù)據(jù)。在收集到相關(guān)數(shù)據(jù)后，可以通過無線電傳輸設(shè)備傳送這些數(shù)據(jù)，并且借助數(shù)據(jù)鏈將其分別輸送到相對(duì)應(yīng)的流動(dòng)站。在接收到GNSS衛(wèi)星信號(hào)的過程中，流動(dòng)站也可以利用相對(duì)定位原理通過無線電接收設(shè)備來接受基準(zhǔn)站的所有數(shù)據(jù)，并且差分解算。流動(dòng)站也會(huì)對(duì)比分析本身觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和這些接收到的數(shù)據(jù)是否存在差異，結(jié)合兩個(gè)觀測(cè)站之間的位置進(jìn)行解算，最后將這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并且輸出流動(dòng)站位置準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)。當(dāng)前，利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）已成為城市GNSS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一。

4 GPS技術(shù)在現(xiàn)代水利工程測(cè)繪工作中的應(yīng)用前景

當(dāng)前的社會(huì)正在快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提高，國(guó)家政府對(duì)于水利工程建設(shè)的重視程度越來越高，同時(shí)對(duì)于水利工程的投入也越來越多。現(xiàn)階段，水利工程的軟件技術(shù)、硬件設(shè)施、測(cè)繪設(shè)計(jì)等諸多方面都已經(jīng)有一定發(fā)展，在很大程度上也推動(dòng)了我國(guó)水利工程建設(shè)的發(fā)展，但是與此同時(shí)，水利工程建設(shè)對(duì)于測(cè)繪工作的要求也越來越高。目前，RTK和多星解算技術(shù)是GNSS技術(shù)應(yīng)用的主流，可以構(gòu)建沿線總體控制測(cè)繪，為縱面測(cè)繪、路線平面、帶狀地形圖等勘測(cè)提供科學(xué)、可靠的依據(jù)，在堤壩、渠道、閘門等地方都有應(yīng)用。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信GNSS技術(shù)在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用會(huì)越來越廣。

綜上所述，GNSS定位技術(shù)的發(fā)展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測(cè)量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。具有全天候、效率高、無需通視、精度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。GNSS技術(shù)為水利工程測(cè)繪提供了一條新的途徑，將其應(yīng)用于現(xiàn)代水利工程測(cè)繪中可有效提高工程測(cè)繪精度以及效率，為水利工程建設(shè)提供更加可靠的支持。

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作者簡(jiǎn)介：李森華（1983-），男，云南永勝人，云南省麗江市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程師，研究方向：測(cè)繪工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint