淺談GPS在水利工程中的應用

　　欒瑩瑩 王寧

　　摘 要： 本文概述了GPS技術和特點以及在水利工程中的應用，并且還對目前GPS在水利工程的應用中存在問題進行了分析。?

　　關鍵詞：GPS;水利工程;應用

　　隨著我國經濟的快速發展，中央與地方政府對水利工程建設的投資加大，每年都有大批水利工程建設。然而大多數得水利工程都位于偏遠的地區，高等級的測量控制點非常少，進而給水利工程的施工測量帶來較大難度。同時，伴隨著數字化技術的發展，全球定位系統(GPS) 已經在航空航天、海洋平臺定位、地球物理資源的勘探、水文地質測量、變形監測以及車輛導航等方面得到了廣泛的應用。近年來，工程測量尤其是在水下地形測量方面有一定的應用，不過還沒得到大面積的推廣。因此很有必要深入的研究該項新技術，以便更好地在水利工程測量中運用。

　　1 GPS技術與特點?

　　全球定位系統是美國從20世紀70年代開始研制的，歷時20年，耗資 200億，于1994年全面建成，并具有在海陸空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。

　　1.1 GPS系統的原理?

　　GPS基本定位原理是衛星不間斷地發送自身的星歷參數與時間信息，當用戶接收到這些信息后，經計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度與時間信息，它充分的利用全球24顆導航定位衛星系統來提供全天候長期連續全免費的標準定位服務(SPS)。

　　1.2 GPS系統的組成

　　GPS系統主要由空間衛星星座、地面監控站和用戶設備3部分構成。

　　1.2.1 GPS空間衛星星座是由21顆工作衛星與3顆在軌備用衛星組成的。24顆衛星均勻的分布在6個軌道平面內，軌道平面的傾角是55度，衛星平均高度是2.02萬km，運行周期是11小時58分鐘。 衛星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號，導航定位信號里含有衛星的位置信息，使得衛星成為了一個動態已知點。

　　1.2.2 GPS地面監控站主要是由分布在全球的一個主控站、3個注入站與5個監測站組成 。主控站是根據各個監測站對GPS衛星的觀測數據，來計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等等，并把這些數據編制成導航電文，傳送至注入站，再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星存儲器里面。

　　1.2.3 GPS用戶設備是由GPS接收機、數據處理軟件和其終端設備等組成的。GPS接收機可以捕獲到按一定衛星高度截止角可選擇的待測的衛星信號，還能跟蹤衛星的運行，并對信號進行交換、放大及處理，再通過計算機與相應軟件，通過基線解算、網平差，從而求出GPS接收機中心( 測站點) 三維坐標。

　　1.3 特點

　　1.3.1 測量精度高，數據安全可靠，全天候作業，沒有誤差的積累。GPS技術能替用戶提供連續的，實時的三維位置、三維速度以及精密的時間，它不受天氣影響而全天候的工作。只要是滿足GPS技術的基本工作條件，在一定的作業半徑范圍內(一般為10km)，GPS 測量可精確測定測點的三維坐標，同時高程精度能達到厘米級，達到四等水準測量精度，并且沒有任何積累誤差。然而普通水準測量是存在誤差積累的，搬站越多誤差越大，尤其是這在測量河道大斷面更為突出。

　　1.3.2 勞動強度的大大降低。GPS測量技術不要求兩點間要滿足光學的通視，只要求滿足“電磁波通視”，因此，與傳統測量相比較，受通視的條件、氣候、季節、能見度等因素的影響與限制較小， 在傳統測量看來由于復雜的地形、地面障礙而造成的難通視地區，一旦滿足GPS技術的基本工作條件，也能夠輕松地進行快速高精度的定位作業，進而減輕了測量艱苦程度。全天候作業，由于GPS衛星數目多，且分布很均勻，就可保證在任何時間、任何地點連續能進行觀測，一般使不受天氣狀況影響的。而普通水準測量卻要受地形、地物影響。

　　1.3.3 測量的速度快。進行GPS測量時，先將測量基站架設在四等水準精度點上，測量人員背負流動站，每一測點定位一般僅要幾秒鐘，衛星信號不好時，最多10min左右，速度很快，平均每天能測量河道斷面1.6個左右，工作效率提高約67%。

　　1.3.4 能丈量不規則的區域。GPS技術能對不規則的待測區域及較大區域的面積，通過航跡測量面積的方法來測量，沿著運行線路畫出一條軌跡，從而計算出該軌跡所圍區域的面積。

　　1.3.5 提供三維坐標，實現河道斷面測量成果可視化。GPS技術能夠精確測定測點的三維坐標，實現河道斷面資料在GIS地圖上數字化可視化顯示、 編輯，一次測量成果滿足規劃、防洪決策、工程管理等多項目標需求，充分體現“一物多用，成本節約”的理念。

　　2 應用現狀

　　傳統的測量儀器和方法不僅難以保證在困難地區獲得精確的數據，且效率低下，無法了解水利工程實時變化情況，GPS的出現使這些問題迎刃而解。

　　2.1 截流施工?

　　截流的工期一般較緊張，最難的是水下地形測量，水下的地形復雜，水上作業條件較差，水下地形資料的準確性對水利工程建設非常重要。傳統測量采用人工采集數據，精度不高、測區范圍也有限、工作量大、浪費時間。然而GPS技術能大大提高生產效率。利用靜態的GPS測量系統進行施工控制測量，選點主要考慮控制點能否方便施工放樣，其次是精度，盡量構成等邊三角形，不必考慮點和點之間的通視問題。 其次，用實時差分法，GPS測量系統可進行水下地形測量，系統自動采集水深和定位數據，采集完成之后，用軟件處理，可數字化成圖。在三峽工程二期圍堰大江截流施工中，已成功運用GPS技術實施圍堰控制測量及水下地形測量。

　　2.2 滑坡監測

　　GPS高程監測待解決的問題是:精確測定GPS測得的大地高與我國常用的正常高之間的差值( 即高程異常值)。大地高是地面點沿參考橢球面的法線到參考橢球面的距離;正常高是地面 點沿鉛垂線方向到大地水準面或似大地水準面的距離。高程異常值實際上是參考橢球面與大 地水準面或似大地水準面之間的高程差。如能精確測定高程異常值，則可以任意轉換兩高程系統，就可用GPS高程測量代替幾何水準測量。在滑坡監測方面，只需求出監測點相對位移量，就能精確的反映滑坡形變情況。

　　3 GPS快速測量技術的局限性

　　使用GPS測量河道斷面具有局限性，也受外部環境因素的影響。測量時要避開高壓電路等有 強電磁波干擾的地方。在建筑物或高大樹木等對天空有遮擋的目標下，GPS接收衛星效果欠佳，影響GPS測量工作開展。此時可采用全站儀或者水準儀進行補充測量，以完成全斷面的測量工作。?

　　參考文獻：

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