浅谈GPS在水利工程中的应用

　　浅谈GPS在水利工程中的应用

　　栾莹莹 王宁

　　摘 要： 本文概述了GPS技术和特点以及在水利工程中的应用，并且还对目前GPS在水利工程的应用中存在问题进行了分析。?

　　关键词：GPS;水利工程;应用

　　随着我国经济的快速发展，中央与地方政府对水利工程建设的投资加大，每年都有大批水利工程建设。然而大多数得水利工程都位于偏远的地区，高等级的测量控制点非常少，进而给水利工程的施工测量带来较大难度。同时，伴随着数字化技术的发展，全球定位系统(GPS) 已经在航空航天、海洋平台定位、地球物理资源的勘探、水文地质测量、变形监测以及车辆导航等方面得到了广泛的应用。近年来，工程测量尤其是在水下地形测量方面有一定的应用，不过还没得到大面积的推广。因此很有必要深入的研究该项新技术，以便更好地在水利工程测量中运用。

　　1 GPS技术与特点?

　　全球定位系统是美国从20世纪70年代开始研制的，历时20年，耗资 200亿，于1994年全面建成，并具有在海陆空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

　　1.1 GPS系统的原理?

　　GPS基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数与时间信息，当用户接收到这些信息后，经计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度与时间信息，它充分的利用全球24颗导航定位卫星系统来提供全天候长期连续全免费的标准定位服务(SPS)。

　　1.2 GPS系统的组成

　　GPS系统主要由空间卫星星座、地面监控站和用户设备3部分构成。

　　1.2.1 GPS空间卫星星座是由21颗工作卫星与3颗在轨备用卫星组成的。24颗卫星均匀的分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角是55度，卫星平均高度是2.02万km，运行周期是11小时58分钟。 卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号里含有卫星的位置信息，使得卫星成为了一个动态已知点。

　　1.2.2 GPS地面监控站主要是由分布在全球的一个主控站、3个注入站与5个监测站组成 。主控站是根据各个监测站对GPS卫星的观测数据，来计算各卫星的轨道参数、钟差参数等等，并把这些数据编制成导航电文，传送至注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星存储器里面。

　　1.2.3 GPS用户设备是由GPS接收机、数据处理软件和其终端设备等组成的。GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角可选择的待测的卫星信号，还能跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大及处理，再通过计算机与相应软件，通过基线解算、网平差，从而求出GPS接收机中心( 测站点) 三维坐标。

　　1.3 特点

　　1.3.1 测量精度高，数据安全可靠，全天候作业，没有误差的积累。GPS技术能替用户提供连续的，实时的三维位置、三维速度以及精密的时间，它不受天气影响而全天候的工作。只要是满足GPS技术的基本工作条件，在一定的作业半径范围内(一般为10km)，GPS 测量可精确测定测点的三维坐标，同时高程精度能达到厘米级，达到四等水准测量精度，并且没有任何积累误差。然而普通水准测量是存在误差积累的，搬站越多误差越大，尤其是这在测量河道大断面更为突出。

　　1.3.2 劳动强度的大大降低。GPS测量技术不要求两点间要满足光学的通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，与传统测量相比较，受通视的条件、气候、季节、能见度等因素的影响与限制较小， 在传统测量看来由于复杂的地形、地面障碍而造成的难通视地区，一旦满足GPS技术的基本工作条件，也能够轻松地进行快速高精度的定位作业，进而减轻了测量艰苦程度。全天候作业，由于GPS卫星数目多，且分布很均匀，就可保证在任何时间、任何地点连续能进行观测，一般使不受天气状况影响的。而普通水准测量却要受地形、地物影响。

　　1.3.3 测量的速度快。进行GPS测量时，先将测量基站架设在四等水准精度点上，测量人员背负流动站，每一测点定位一般仅要几秒钟，卫星信号不好时，最多10min左右，速度很快，平均每天能测量河道断面1.6个左右，工作效率提高约67%。

　　1.3.4 能丈量不规则的区域。GPS技术能对不规则的待测区域及较大区域的面积，通过航迹测量面积的方法来测量，沿着运行线路画出一条轨迹，从而计算出该轨迹所围区域的面积。

　　1.3.5 提供三维坐标，实现河道断面测量成果可视化。GPS技术能够精确测定测点的三维坐标，实现河道断面资料在GIS地图上数字化可视化显示、 编辑，一次测量成果满足规划、防洪决策、工程管理等多项目标需求，充分体现“一物多用，成本节约”的理念。

　　2 应用现状

　　传统的测量仪器和方法不仅难以保证在困难地区获得精确的数据，且效率低下，无法了解水利工程实时变化情况，GPS的出现使这些问题迎刃而解。

　　2.1 截流施工?

　　截流的工期一般较紧张，最难的是水下地形测量，水下的地形复杂，水上作业条件较差，水下地形资料的准确性对水利工程建设非常重要。传统测量采用人工采集数据，精度不高、测区范围也有限、工作量大、浪费时间。然而GPS技术能大大提高生产效率。利用静态的GPS测量系统进行施工控制测量，选点主要考虑控制点能否方便施工放样，其次是精度，尽量构成等边三角形，不必考虑点和点之间的通视问题。 其次，用实时差分法，GPS测量系统可进行水下地形测量，系统自动采集水深和定位数据，采集完成之后，用软件处理，可数字化成图。在三峡工程二期围堰大江截流施工中，已成功运用GPS技术实施围堰控制测量及水下地形测量。

　　2.2 滑坡监测

　　GPS高程监测待解决的问题是:精确测定GPS测得的大地高与我国常用的正常高之间的差值( 即高程异常值)。大地高是地面点沿参考椭球面的法线到参考椭球面的距离;正常高是地面 点沿铅垂线方向到大地水准面或似大地水准面的距离。高程异常值实际上是参考椭球面与大 地水准面或似大地水准面之间的高程差。如能精确测定高程异常值，则可以任意转换两高程系统，就可用GPS高程测量代替几何水准测量。在滑坡监测方面，只需求出监测点相对位移量，就能精确的反映滑坡形变情况。

　　3 GPS快速测量技术的局限性

　　使用GPS测量河道断面具有局限性，也受外部环境因素的影响。测量时要避开高压电路等有 强电磁波干扰的地方。在建筑物或高大树木等对天空有遮挡的目标下，GPS接收卫星效果欠佳，影响GPS测量工作开展。此时可采用全站仪或者水准仪进行补充测量，以完成全断面的测量工作。?

　　参考文献：

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　　[4]张庆勇，李艺军.GPS测高与普通水准测量的应用比较[J]. 测量与地质，2004 ,(2)