GPS技術(shù)在高州水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

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  GPS技術(shù)在高州水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

c  （廣東省水利水電第三工程局  523710） 摘要：3S技術(shù)的發(fā)展成熟，為工程測繪提供了便利的手段，而GPS技術(shù)是3S技術(shù)中較為成熟的技術(shù)手段，其在工程測量中廣泛應(yīng)用，給工程建設(shè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文通過GPS技術(shù)在高州水庫除險(xiǎn)加固工程中的成功應(yīng)用為例，簡要的分析GPS測量技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，并初步探討GPS技術(shù)運(yùn)用的一些技術(shù)問題。 關(guān)鍵詞： GPS技術(shù)   工程   應(yīng)用 1、引言 3S技術(shù)是GPS、GIS、RS的統(tǒng)稱，GPS技術(shù)是3S技術(shù)中較為成熟的技術(shù)手段。GPS技術(shù)具有全天候、高精度、高效益、良好的抗干擾性、實(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間,GPS點(diǎn)間無需通視、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，為工程測繪提供了便利的手段，給工程建設(shè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我局買進(jìn)了多臺(tái)（套）的GPS接收機(jī)，并相應(yīng)的配置了GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)及平差軟件包。我們通過GPS技術(shù)完成了高州水庫除險(xiǎn)加固工程的多項(xiàng)測量任務(wù)，給高州水庫的施工建設(shè)帶來了極大的便利，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面通過GPS技術(shù)在高州水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用為例，簡要的分析GPS測量技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，并初步探討GPS技術(shù)運(yùn)用的一些技術(shù)問題。 2.工程應(yīng)用 2.1應(yīng)用特點(diǎn) 高州水庫位于高州市鑒江一級(jí)支流大井河及曹江上，由良德、石骨水庫通過龍頭坳連通渠連通而成，集雨面積1022km2。由于高州水庫原設(shè)計(jì)洪水?dāng)?shù)據(jù)偏小，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，防洪庫容不足，在水利部水建管[2001]258號(hào)文“關(guān)于建立病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固責(zé)任制的通報(bào)”中，高州水庫被定為首批150座全國大中型病險(xiǎn)水庫之一。其加固內(nèi)容包括石骨庫區(qū)主壩及溢洪道加固、石骨庫區(qū)區(qū)間道路改建、石骨溢洪道金屬結(jié)構(gòu)加固改造和液壓、啟閉機(jī)房改造、良德庫區(qū)五座副壩(大平嶺副壩、木威根副壩、木威西副壩、木威南副壩、大田頭副壩)加固、良德庫區(qū)石雞塘山坳處理、石骨庫區(qū)上壩公路工程、龍頭坳橋及引道工程、石骨庫區(qū)過境公路及良德庫區(qū)至石骨庫區(qū)防汛公路等。為了保障工程施工的順利開展，保證工程質(zhì)量，需要對高州水庫除險(xiǎn)加固工程控制網(wǎng)進(jìn)行校核及加密布設(shè),并利用布設(shè)的控制點(diǎn)來完成各種施工測量任務(wù)。 我們通過實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn),本工程的主副壩、公路工程處在庫區(qū)的群山之間，而且項(xiàng)目分散，設(shè)計(jì)院在每個(gè)主（副）壩僅提供1~2個(gè)GPS控制點(diǎn)，而大多都設(shè)在山頂上，山林密布，部分控制點(diǎn)還遭到了不同程度的破壞或無法找到，余下控制點(diǎn)通視條件不好，控制網(wǎng)的校核及加密布設(shè)都非常困難；特別是高程基準(zhǔn)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)測量，往返路線長度達(dá)幾十公里，甚至上百公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足施工要求，從經(jīng)濟(jì)上講也不合理。GPS靜態(tài)定位可以實(shí)現(xiàn)高精度的快速的控制網(wǎng)測量和部分碎部測量，大地高差誤差△h/D可達(dá)到3～4ppm， GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10～6ppm。在300～1500m工程精密定位，1h以上觀測的解其平面精度誤差小于1mm;而且觀測時(shí)間短，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15～20min，高程精度可達(dá)到厘米級(jí)，通過引入高級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換處理，在山區(qū)中誤差可達(dá)到±15cm，符合四等水準(zhǔn)的要求。同時(shí)，水庫控制點(diǎn)布設(shè)分散，控制點(diǎn)分布在庫區(qū)各個(gè)方向，距離較遠(yuǎn)，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，需要較多的人力和物力，而且精度不高，影響工期，采用GPS技術(shù)則可較好地解決該問題。因而本次采用了GPS技術(shù)或與全站儀（水準(zhǔn)儀）結(jié)合的方式來完成高州水庫除險(xiǎn)加固工程的測量任務(wù)。 2.2工作內(nèi)容及工作程序 GPS技術(shù)在高州水庫除險(xiǎn)加固工程的應(yīng)用，主要為以下幾方面： 2.2.1 GPS技術(shù)在校核和建立工程控制網(wǎng)的應(yīng)用 工程控制網(wǎng)的校核和建立是工程施工測量的必要條件，控制點(diǎn)必須具備： （1）布設(shè)GPS網(wǎng)，盡可能構(gòu)成較好的網(wǎng)形，并以設(shè)計(jì)院提供的GPS點(diǎn)為起閉；GPS控制點(diǎn)網(wǎng)形、密度、間距滿足國家規(guī)范要求及工程需要，控制水庫測區(qū)范圍，而且要盡量避開樹林等障礙物的影響，控制點(diǎn)保證至少兩兩通視，成對出現(xiàn)， GPS點(diǎn)埋石要易于保存，不易破壞； （2）觀測前一天要作好衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)，選擇最佳觀測時(shí)段，編制適宜的觀測計(jì)劃；  （3）嚴(yán)格對中整平天線，對中誤差要＜2mm,天線高在測量前后各量一次，分別從三個(gè)不同方向量取，互差要≤2mm，并嚴(yán)格遵守操作規(guī)程作業(yè)； （4）觀測衛(wèi)星截止高度角≥10o，有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥5，采樣間隔≥20″，空間位置精度因子PDOP≤6，每點(diǎn)觀測時(shí)段數(shù)≥2，每時(shí)段觀測時(shí)間≥60min，安置天線用指南針定向，使天線指北線指向北，定向誤差≤5°，以減弱相位中心偏差影響。觀測過程注意GPS接收機(jī)工作狀況，準(zhǔn)確填寫觀測野外記錄手簿并保證數(shù)據(jù)的完整性。 （6）完成GPS數(shù)據(jù)采集，需要進(jìn)一步利用隨機(jī)配置GPS靜態(tài)定位軟件和平差軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行基線向量的解算與檢核、平差處理等?；€處理采用自動(dòng)處理和手工處理結(jié)合的方式，自動(dòng)處理優(yōu)先，自動(dòng)處理結(jié)果不滿足要求，則引入手工處理模式，以保證基線成果的可靠性和準(zhǔn)確性；不符合要求的，或返工重測或刪除，以免對GPS網(wǎng)造成精度損失；基線向量檢核則需計(jì)算各同步、異步、復(fù)測基線的閉合差及全長相對閉合差，以保證觀測網(wǎng)的精度符合要求；進(jìn)行GPS網(wǎng)平差計(jì)算，要進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差：通過三維無約束平差，評(píng)價(jià)GPS網(wǎng)內(nèi)部精度，剔除粗差，檢查有無明顯系統(tǒng)誤差，獲取各GPS點(diǎn)的統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；而進(jìn)行二維約束平差，則引入設(shè)計(jì)院提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)，形成各點(diǎn)坐標(biāo)差及其誤差方程，進(jìn)行平差處理，以求得水庫控制網(wǎng)各點(diǎn)坐標(biāo)及精度指標(biāo)； 考慮GPS高程受高程異常等因素的影響，高程測量采用了GPS技術(shù)與水準(zhǔn)測量（全站儀）相結(jié)合的方式來完成副壩和公路間的控制點(diǎn)基準(zhǔn)校核和布設(shè)。通過GPS技術(shù)精密測定觀測點(diǎn)的大地高程差，利用大地水準(zhǔn)面數(shù)字模型內(nèi)插出計(jì)算點(diǎn)的高程異?；虍惓２?，進(jìn)而求出特定點(diǎn)的正常高?？紤]到副壩主要為土堤堆石壩體，要求精度并不高，經(jīng)過業(yè)主和監(jiān)理的同意，副壩高程觀測可通過GPS與全站儀結(jié)合的方式，多次觀測進(jìn)行分析比較，剔除多余觀測，進(jìn)行基線解算，平差等，取通過GPS技術(shù)觀測獲得的觀測值的平差值作為最后的基準(zhǔn)點(diǎn)高程，全站儀測量結(jié)果僅作檢查用。同樣地，公路工程分布在庫區(qū)的各個(gè)方向，項(xiàng)目分散，為解決測量工作的復(fù)雜性和測量任務(wù)的艱巨性，保證公路工程高程基準(zhǔn)點(diǎn)的可靠性，保證工程質(zhì)量，按照合同、業(yè)主和監(jiān)理的要求，根據(jù)高程基準(zhǔn)點(diǎn)的布置特點(diǎn)，采用了水準(zhǔn)儀和GPS技術(shù)組合的方式對各公路工程的高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核和加密布設(shè)；而水庫主壩其它項(xiàng)目和公路工程涉及了金屬結(jié)構(gòu)加固改造、液壓啟閉機(jī)房改造和橋梁工程等，其要求精度較高，這里則選擇了水準(zhǔn)測量為主，全站儀輔助檢查的方式來完成高程基準(zhǔn)點(diǎn)的校核和加密布設(shè)。 GPS技術(shù)在地形數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用 因GPS RTK技術(shù)定位時(shí)間短，精度高，而且測站間、觀測點(diǎn)間無需通視，15km內(nèi)流動(dòng)站流動(dòng)站觀測時(shí)間每站每站觀測僅需幾秒鐘，因而采用GPS技術(shù)（或與全站儀結(jié)合）的方式完成了水庫的地形測量。外業(yè)獲取的水庫測量數(shù)據(jù)通過廣州南方CASS、GIS等軟件連接通訊傳送到系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾轉(zhuǎn)化為三維矢量數(shù)據(jù)，然后適當(dāng)通過內(nèi)插等方法生成高精度的高州水庫三維地面模型DTM。利用紋理、光照渲染，疊加套合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等生成逼真的數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)高州水庫除險(xiǎn)加固工程布置的動(dòng)態(tài)演示和景觀模擬。我們就可以利用軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)功能進(jìn)行測繪成果系統(tǒng)化管理，實(shí)現(xiàn)查詢、分析等功能，為高州水庫除險(xiǎn)加固工程業(yè)主監(jiān)督、施工監(jiān)理、設(shè)計(jì)參考等提供重要的參考資料，為質(zhì)量控制和工程計(jì)量提供必要的保障。 GPS放樣測量 GPS RTK放樣精度可達(dá)5cm,可滿足水庫主副壩和公路工程中土石方工程的施工要求。公路和副壩的放樣和線路放樣，在采用點(diǎn)放樣時(shí)，首先將放樣點(diǎn)坐標(biāo)和靜態(tài)網(wǎng)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)一起傳送到GPS流動(dòng)站，然后根據(jù)所放點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)地放樣。進(jìn)行線路放樣時(shí)首先在室內(nèi)根據(jù)線路中心線的彎道元素編制線路中心線文件，將該文件和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)傳送到GPS流動(dòng)站接收機(jī)，在實(shí)地依樁號(hào)和所放點(diǎn)與中心線的關(guān)系進(jìn)行實(shí)地現(xiàn)場放樣。 GPS技術(shù)應(yīng)用于高州水庫除險(xiǎn)加固工程的外業(yè)測量，大大的縮短了測量外業(yè)作業(yè)的時(shí)間，極大地減輕了水準(zhǔn)測量的工作量，提高了作業(yè)效率，保證了成果的可靠性，利用GPS高程擬合，就可得到符合精度要求的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而且觀測比紅外導(dǎo)線觀測效率要高得多，成果質(zhì)量高，返工少；不過對于要求高精度的金屬結(jié)構(gòu)加固改造、液壓啟閉機(jī)房改造和橋梁工程等的高程測量，一般要通過水準(zhǔn)測量來測定GPS高程，而且易受高壓線附近產(chǎn)生的磁場、水庫水面等干擾，其應(yīng)用具有一定的局限性。 3.結(jié)束語 GPS技術(shù)是3S技術(shù)中較為成熟的技術(shù)手段，具有全天候、高精度、高效益、實(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間,GPS點(diǎn)間無需通視、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢, 其在工程測量中的廣泛應(yīng)用，給工程建設(shè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，隨著GPS接收機(jī)價(jià)格的逐步降低，軟件開發(fā)技術(shù)的不斷成熟，GPS技術(shù)將會(huì)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： [1] 全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[J].測繪出版社.2001. 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