探究水利水電工程測(cè)量中GPS RTK技術(shù)的有效應(yīng)用策略

胡浩明

廣東水電二局股份有限公司 廣東 廣州 511340

引言

為了進(jìn)一步提高我國水利水電工程建設(shè)質(zhì)量，必須要做好施工放樣和地面測(cè)量等工作，從技術(shù)和管理等層面來提高水利水電工程測(cè)量精確度和可靠性。當(dāng)前我國的實(shí)時(shí)定位應(yīng)用較為普遍，但是在一些大型水利水電工程測(cè)量中仍然存在測(cè)量數(shù)據(jù)不夠精確，檢測(cè)過程存在漏洞等問題，而GPS RTK技術(shù)在水利水電工程測(cè)量中的應(yīng)用可以有效解決測(cè)量數(shù)據(jù)不精確問題，進(jìn)一步提高水利水電工程測(cè)量工作的精細(xì)化水平。

1 GPS RTK技術(shù)介紹

隨著時(shí)代的發(fā)展，過去傳統(tǒng)的測(cè)水準(zhǔn)、測(cè)距和測(cè)角等的測(cè)量手段逐漸被GPS技術(shù)所取代，GPS定位技術(shù)由于具有較高的精確性和效率，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。GPS RTK技術(shù)高效穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用時(shí)功耗較小，同時(shí)也能保持良好的性能。GPS RTK技術(shù)原理是基于移動(dòng)站和基準(zhǔn)站的設(shè)定進(jìn)行載波相位觀測(cè)?；鶞?zhǔn)站除了跟蹤載波相對(duì)測(cè)量外，還能夠借助數(shù)據(jù)鏈將觀測(cè)值等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)外傳輸發(fā)送。相關(guān)人員基于基準(zhǔn)站點(diǎn)的基線向量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換以及投影方式來計(jì)算和標(biāo)注流動(dòng)站坐標(biāo)。

1.1 儀器配置

Trimble5700雙頻GPS兩臺(tái)套的動(dòng)態(tài)平面定位精度是10mm±2ppm，高程定位精度為20mm±2ppm；一套25W數(shù)傳電臺(tái)；一臺(tái)HD—17型數(shù)字測(cè)深儀，測(cè)深精度±2cm+1‰×H；一臺(tái)筆記本電腦；一艘測(cè)船。

1.2 GPS系統(tǒng)組成

GPS利用衛(wèi)星測(cè)時(shí)和測(cè)距，構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。工作衛(wèi)星和備用衛(wèi)星分別在六條與赤道平面構(gòu)成55°角的軌道上運(yùn)行，每個(gè)軌道平面配備有三顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道呈圓形，軌道周期為12小時(shí)，有效保證衛(wèi)星發(fā)射的頻率。除了空間部分的工作衛(wèi)星和備用衛(wèi)星，GPS系統(tǒng)的地面支撐系統(tǒng)也起到重要作用。地面支撐系統(tǒng)包括主控站、全球監(jiān)測(cè)站、地面控制站，從而有效跟蹤衛(wèi)星運(yùn)行軌跡和測(cè)定時(shí)間等。

1.3 RTK技術(shù)優(yōu)勢(shì)

RTK技術(shù)操作簡(jiǎn)便，能夠進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般是一人觀測(cè)一人記錄，所以只需要一位工作人員便可以進(jìn)行測(cè)量儀器的操作，同時(shí)測(cè)量過程需要做好限差的設(shè)定，從而進(jìn)行更好進(jìn)行數(shù)據(jù)的取舍和記錄。單獨(dú)一人在GPS RTK技術(shù)助力下便可以進(jìn)行坐標(biāo)值的計(jì)算，而且GPS RTK受到外部環(huán)境影響較小，比較適合全天候的作業(yè)。在應(yīng)用過程中可以提高作業(yè)的自動(dòng)化水平，擴(kuò)大使用范圍，提高定位的精確度和可靠性。

1.4 GPS RTK誤差分析

GPS RTK技術(shù)應(yīng)用中存在誤差，誤差的來源除了儀器設(shè)備等的干擾，還來自較遠(yuǎn)的距離干擾，如圖1所示。對(duì)此，進(jìn)行儀器設(shè)備干擾的排除可以通過矯正的方式進(jìn)行，而因?yàn)檩^遠(yuǎn)距離所帶來的較大誤差可以通過多基站技術(shù)來減小誤差，消除障礙。一般來說，天線機(jī)械中心和相位中心并不重合，而且隨著相位中心的變化坐標(biāo)點(diǎn)也會(huì)隨之變化，出現(xiàn)坐標(biāo)點(diǎn)一定范圍內(nèi)的誤差。這種誤差可以通過天線檢驗(yàn)矯正的方式進(jìn)行消除。GPS RTK應(yīng)用中多路徑誤差較為嚴(yán)重，這種誤差是因?yàn)樘炀€周圍復(fù)雜的環(huán)境導(dǎo)致，甚至?xí)嬖?～10cm的較大誤差范圍。對(duì)于該種誤差的消除是通過選擇較為開闊的點(diǎn)位進(jìn)行有效規(guī)避。GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用較為容易受到信號(hào)干擾和天氣變化干擾，需要保持基準(zhǔn)站應(yīng)與無線電發(fā)射臺(tái)、高壓線的適當(dāng)距離，盡量避免在惡劣天氣進(jìn)行GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用[1]。

圖1 GPS RTK誤差來源

2 GPS RTK技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用價(jià)值

如表1所示，相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，GPS RTK準(zhǔn)確性更高，測(cè)量范圍可以進(jìn)行無限延長，測(cè)量的時(shí)間也大大縮短。

表1 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與GPS RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)比表

2.1 提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性

GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)可以大大提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性，從而降低測(cè)量工作的難度，提高測(cè)量工作的質(zhì)量。實(shí)際水利水電工程測(cè)量工作開展中，GPS RTK技術(shù)測(cè)量水平甚至可以達(dá)到96%。

2.2 擴(kuò)大測(cè)量范圍

GPS RTK技術(shù)應(yīng)用可以有效拓寬測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)海陸空等全方位的測(cè)量工作高效開展，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比具有無限延長的測(cè)量范圍[2]。

2.3 測(cè)量時(shí)間短

傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行水利水電工程測(cè)量一般需要耗時(shí)一個(gè)月，而應(yīng)用GPS RTK技術(shù)則可以將測(cè)量時(shí)間控制在一周之內(nèi)，合理控制測(cè)量的人工成本投入。應(yīng)用GPS RTK技術(shù)，還能夠?qū)y(cè)量工作進(jìn)行自動(dòng)化處理，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，優(yōu)化測(cè)量工作發(fā)展機(jī)制。應(yīng)用GPS RTK技術(shù)可以有效避免外界環(huán)境因素的干擾，更容易實(shí)現(xiàn)預(yù)期測(cè)量工作目標(biāo)。

3 關(guān)于GPS RTK技術(shù)在水利水電工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)探討

3.1 斷面的測(cè)量

水利渠道工程運(yùn)算工作的開展需要借助縱橫斷面圖來計(jì)算土石方量。應(yīng)用GPS RTK技術(shù)將設(shè)計(jì)線形進(jìn)行傳輸，RTK手簿中得到傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)線形后再進(jìn)行渠道樁號(hào)提供，渠道的縱向放線、橫向放線以及中線距離等的提供，極大方便了斷面高程點(diǎn)施工測(cè)量[3]。

3.2 施工放樣

一般來說，全站儀放樣不能僅靠一位工作人員便可以順利完成，一般需要三個(gè)左右的工作人員進(jìn)行距離放樣與方向放樣，而且對(duì)于全站儀的通視情況有著較高的要求。采取PTK放樣不僅可以直接進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)接，還能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲線和直線放樣，將放樣對(duì)象擺放在同一直線上，避免了坐標(biāo)位置問題，該功能再拆遷放樣中發(fā)揮著積極作用。水利水電工程施工中可能會(huì)面臨同時(shí)測(cè)量與障礙等問題，需要根據(jù)實(shí)際情況來增加放樣點(diǎn)，而RTK直線放樣在一定程度上避免了測(cè)量中的障礙問題[4]。

3.3 控制測(cè)量

我國幅員遼闊，不少水利水電工程的建設(shè)位于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，而且在實(shí)際建設(shè)中存在高等級(jí)控制點(diǎn)數(shù)量的限制，進(jìn)而影響到測(cè)量工作的順利開展。GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用可以高效處理渠道和河道等特殊地形，進(jìn)行橫斷面和縱斷面的測(cè)量。采用GPS RTK技術(shù)在提高工作效率的同時(shí)也有效控制成本投入，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)資源的充分利用。

3.4 地形的測(cè)量

不少水利水電工程需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)選址，在進(jìn)行位置確定之前需要經(jīng)過長時(shí)間的參考探討，合理分析高程坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而才能做好工程現(xiàn)場(chǎng)選址。GPS RTK技術(shù)能夠快速定位和坐標(biāo)確定，在小片地形勘察中發(fā)揮著較大的價(jià)值，獲得較為理想的現(xiàn)場(chǎng)選址效果。GPS RTK技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)量能夠獲得較為精確的數(shù)據(jù)資料，有效解決連續(xù)站積累誤差問題。應(yīng)用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量可以節(jié)約人力資源的投入，確保定位的精確性[5]。

3.5 對(duì)水利水電的巖體進(jìn)行測(cè)量

大壩壩體挖方施工后，壩基的巖體會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，松弛度也會(huì)發(fā)生變化，尤其是在壩基的地應(yīng)力部分。為了確保壩體基礎(chǔ)巖層的應(yīng)用，需要全面考慮壩基巖體所具有的較強(qiáng)卸荷度，保護(hù)基礎(chǔ)巖層的應(yīng)用價(jià)值。掌握并遵循基巖體的聲速波率和壩體推移時(shí)間的遞減變化規(guī)律，合理分析大壩壩基巖體預(yù)應(yīng)力變化所帶來的重力荷載變化以及松弛度變化。進(jìn)行水利水電工程巖體測(cè)量還可以在大壩的基面設(shè)置安裝監(jiān)測(cè)站，分析水利大壩的基面情況，規(guī)范測(cè)量分析路徑。同時(shí)，還要明白大壩巖體基層的測(cè)量結(jié)果也是隨時(shí)發(fā)生變化的，跟隨測(cè)量實(shí)踐發(fā)展而變化，巖層也會(huì)受到影響[6]。

4 關(guān)于提高GPS RTK測(cè)量精確度的有效措施探討

4.1 提高精度的要求

為了進(jìn)一步提高GPS RTK測(cè)量精確度，需要選擇較高的位置進(jìn)行基準(zhǔn)站建設(shè)。與此同時(shí)，還要不斷提高基準(zhǔn)線對(duì)天線進(jìn)行發(fā)射的高度。聯(lián)合測(cè)量的控制點(diǎn)選擇上最好應(yīng)用已經(jīng)建設(shè)完成的國家高等級(jí)三角點(diǎn)、GPS點(diǎn)。進(jìn)行測(cè)設(shè)時(shí)需要仔細(xì)查閱衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，擇優(yōu)選擇衛(wèi)星數(shù)量多，有著較好分布狀態(tài)的時(shí)間段進(jìn)行。適當(dāng)延長測(cè)設(shè)點(diǎn)時(shí)間，穩(wěn)定測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，盡可能保持流動(dòng)站天線的垂直狀態(tài)。采用定向天線方式來提高作業(yè)距離，控制流動(dòng)站的作業(yè)半徑在合理范圍內(nèi)，一般不超過10km，使得信號(hào)能夠在某一方面進(jìn)行集中。如果確定好合適的方向，那么會(huì)有效提高作業(yè)距離。此外，為了顯著提高作業(yè)距離，還可以設(shè)置電臺(tái)中繼站，在一定距離上增加中繼站電臺(tái)，在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)也能夠發(fā)射數(shù)據(jù)。電量方面，要確保供電電瓶數(shù)量足夠，轉(zhuǎn)換參數(shù)求取時(shí)，認(rèn)真檢查各個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，做好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換欄值的檢查，確保數(shù)據(jù)值在合理范圍內(nèi)[7]。

4.2 明確GPS RTK技術(shù)局限性

GPS RTK雖然具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是仍有其局限性，主要來自于GPS系統(tǒng)。GPS全球定位系統(tǒng)依賴于高空中的衛(wèi)星信號(hào)，由于距離較遠(yuǎn)所以信號(hào)弱且頻率高，很容易因?yàn)殚L距離中存在的障礙物而影響數(shù)據(jù)的輸送和接收。如果衛(wèi)星和GPS接收機(jī)的路徑中存在障礙物，那么系統(tǒng)的操作則會(huì)受到影響。舉例來說，房屋會(huì)屏蔽衛(wèi)星信號(hào)，所以GPS的使用一般在戶外進(jìn)行，從而避免房屋建筑的信號(hào)屏蔽。此外，在水下作業(yè)以及隧道作業(yè)中也不能使用GPS，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)信號(hào)反射、折射等問題。在一些較為偏僻的深山老林中也很難接收GPS信號(hào)，而對(duì)于位置的計(jì)算必須要基于較強(qiáng)的信號(hào)，否則很容易出現(xiàn)定位的偏差[8]。

5 結(jié)束語

水利水電工程測(cè)量中離不開GPS技術(shù)的應(yīng)用，隨著時(shí)代的發(fā)展，GPS技術(shù)為滿足各行各業(yè)發(fā)展不斷創(chuàng)新升級(jí)，GPS RTK技術(shù)在水利水電工程測(cè)量中的應(yīng)用便是GPS技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果。在GPS RTK技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)該明確其存在測(cè)量局限性，制定針對(duì)性的測(cè)量方案，從而更好發(fā)揮GPS RTK技術(shù)優(yōu)勢(shì)。