GPS技术在高州水库除险加固工程中的应用

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  GPS技术在高州水库除险加固工程中的应用

c  （广东省水利水电第三工程局  523710） 摘要：3S技术的发展成熟，为工程测绘提供了便利的手段，而GPS技术是3S技术中较为成熟的技术手段，其在工程测量中广泛应用，给工程建设带来极大的经济效益和社会效益。本文通过GPS技术在高州水库除险加固工程中的成功应用为例，简要的分析GPS测量技术的应用特点，并初步探讨GPS技术运用的一些技术问题。 关键词： GPS技术   工程   应用 1、引言 3S技术是GPS、GIS、RS的统称，GPS技术是3S技术中较为成熟的技术手段。GPS技术具有全天候、高精度、高效益、良好的抗干扰性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间,GPS点间无需通视、作用距离远等优势，为工程测绘提供了便利的手段，给工程建设带来极大的经济效益和社会效益。我局买进了多台（套）的GPS接收机，并相应的配置了GPS数据处理技术及平差软件包。我们通过GPS技术完成了高州水库除险加固工程的多项测量任务，给高州水库的施工建设带来了极大的便利，取得了良好的经济效益和社会效益。下面通过GPS技术在高州水库除险加固工程中的应用为例，简要的分析GPS测量技术的应用特点，并初步探讨GPS技术运用的一些技术问题。 2.工程应用 2.1应用特点 高州水库位于高州市鉴江一级支流大井河及曹江上，由良德、石骨水库通过龙头坳连通渠连通而成，集雨面积1022km2。由于高州水库原设计洪水数据偏小，设计标准偏低，防洪库容不足，在水利部水建管[2001]258号文“关于建立病险水库除险加固责任制的通报”中，高州水库被定为首批150座全国大中型病险水库之一。其加固内容包括石骨库区主坝及溢洪道加固、石骨库区区间道路改建、石骨溢洪道金属结构加固改造和液压、启闭机房改造、良德库区五座副坝(大平岭副坝、木威根副坝、木威西副坝、木威南副坝、大田头副坝)加固、良德库区石鸡塘山坳处理、石骨库区上坝公路工程、龙头坳桥及引道工程、石骨库区过境公路及良德库区至石骨库区防汛公路等。为了保障工程施工的顺利开展，保证工程质量，需要对高州水库除险加固工程控制网进行校核及加密布设,并利用布设的控制点来完成各种施工测量任务。 我们通过实地踏勘发现,本工程的主副坝、公路工程处在库区的群山之间，而且项目分散，设计院在每个主（副）坝仅提供1~2个GPS控制点，而大多都设在山顶上，山林密布，部分控制点还遭到了不同程度的破坏或无法找到，余下控制点通视条件不好，控制网的校核及加密布设都非常困难；特别是高程基准点，采用水准测量，往返路线长度达几十公里，甚至上百公里，远远不能满足施工要求，从经济上讲也不合理。GPS静态定位可以实现高精度的快速的控制网测量和部分碎部测量，大地高差误差△h/D可达到3～4ppm， GPS相对定位精度在50km以内可达10～6ppm。在300～1500m工程精密定位，1h以上观测的解其平面精度误差小于1mm;而且观测时间短，20km以内相对静态定位，仅需15～20min，高程精度可达到厘米级，通过引入高级水准点进行高程转换处理，在山区中误差可达到±15cm，符合四等水准的要求。同时，水库控制点布设分散，控制点分布在库区各个方向，距离较远，采用传统的方法进行外业控制点数据采集，需要较多的人力和物力，而且精度不高，影响工期，采用GPS技术则可较好地解决该问题。因而本次采用了GPS技术或与全站仪（水准仪）结合的方式来完成高州水库除险加固工程的测量任务。 2.2工作内容及工作程序 GPS技术在高州水库除险加固工程的应用，主要为以下几方面： 2.2.1 GPS技术在校核和建立工程控制网的应用 工程控制网的校核和建立是工程施工测量的必要条件，控制点必须具备： （1）布设GPS网，尽可能构成较好的网形，并以设计院提供的GPS点为起闭；GPS控制点网形、密度、间距满足国家规范要求及工程需要，控制水库测区范围，而且要尽量避开树林等障碍物的影响，控制点保证至少两两通视，成对出现， GPS点埋石要易于保存，不易破坏； （2）观测前一天要作好卫星可见性预报，选择最佳观测时段，编制适宜的观测计划；  （3）严格对中整平天线，对中误差要＜2mm,天线高在测量前后各量一次，分别从三个不同方向量取，互差要≤2mm，并严格遵守操作规程作业； （4）观测卫星截止高度角≥10o，有效观测卫星数≥5，采样间隔≥20″，空间位置精度因子PDOP≤6，每点观测时段数≥2，每时段观测时间≥60min，安置天线用指南针定向，使天线指北线指向北，定向误差≤5°，以减弱相位中心偏差影响。观测过程注意GPS接收机工作状况，准确填写观测野外记录手簿并保证数据的完整性。 （6）完成GPS数据采集，需要进一步利用随机配置GPS静态定位软件和平差软件对测量数据进行基线向量的解算与检核、平差处理等。基线处理采用自动处理和手工处理结合的方式，自动处理优先，自动处理结果不满足要求，则引入手工处理模式，以保证基线成果的可靠性和准确性；不符合要求的，或返工重测或删除，以免对GPS网造成精度损失；基线向量检核则需计算各同步、异步、复测基线的闭合差及全长相对闭合差，以保证观测网的精度符合要求；进行GPS网平差计算，要进行三维无约束平差和二维约束平差：通过三维无约束平差，评价GPS网内部精度，剔除粗差，检查有无明显系统误差，获取各GPS点的统一坐标系下的坐标；而进行二维约束平差，则引入设计院提供的控制点坐标，形成各点坐标差及其误差方程，进行平差处理，以求得水库控制网各点坐标及精度指标； 考虑GPS高程受高程异常等因素的影响，高程测量采用了GPS技术与水准测量（全站仪）相结合的方式来完成副坝和公路间的控制点基准校核和布设。通过GPS技术精密测定观测点的大地高程差，利用大地水准面数字模型内插出计算点的高程异常或异常差，进而求出特定点的正常高。考虑到副坝主要为土堤堆石坝体，要求精度并不高，经过业主和监理的同意，副坝高程观测可通过GPS与全站仪结合的方式，多次观测进行分析比较，剔除多余观测，进行基线解算，平差等，取通过GPS技术观测获得的观测值的平差值作为最后的基准点高程，全站仪测量结果仅作检查用。同样地，公路工程分布在库区的各个方向，项目分散，为解决测量工作的复杂性和测量任务的艰巨性，保证公路工程高程基准点的可靠性，保证工程质量，按照合同、业主和监理的要求，根据高程基准点的布置特点，采用了水准仪和GPS技术组合的方式对各公路工程的高程基准点进行复核和加密布设；而水库主坝其它项目和公路工程涉及了金属结构加固改造、液压启闭机房改造和桥梁工程等，其要求精度较高，这里则选择了水准测量为主，全站仪辅助检查的方式来完成高程基准点的校核和加密布设。 GPS技术在地形数据采集的应用 因GPS RTK技术定位时间短，精度高，而且测站间、观测点间无需通视，15km内流动站流动站观测时间每站每站观测仅需几秒钟，因而采用GPS技术（或与全站仪结合）的方式完成了水库的地形测量。外业获取的水库测量数据通过广州南方CASS、GIS等软件连接通讯传送到系统，经过数据过滤转化为三维矢量数据，然后适当通过内插等方法生成高精度的高州水库三维地面模型DTM。利用纹理、光照渲染，叠加套合，虚拟现实技术等生成逼真的数字地形模型，实现整个高州水库除险加固工程布置的动态演示和景观模拟。我们就可以利用软件强大的数据集成、存储功能进行测绘成果系统化管理，实现查询、分析等功能，为高州水库除险加固工程业主监督、施工监理、设计参考等提供重要的参考资料，为质量控制和工程计量提供必要的保障。 GPS放样测量 GPS RTK放样精度可达5cm,可满足水库主副坝和公路工程中土石方工程的施工要求。公路和副坝的放样和线路放样，在采用点放样时，首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起传送到GPS流动站，然后根据所放点位置进行实地放样。进行线路放样时首先在室内根据线路中心线的弯道元素编制线路中心线文件，将该文件和坐标转换参数传送到GPS流动站接收机，在实地依桩号和所放点与中心线的关系进行实地现场放样。 GPS技术应用于高州水库除险加固工程的外业测量，大大的缩短了测量外业作业的时间，极大地减轻了水准测量的工作量，提高了作业效率，保证了成果的可靠性，利用GPS高程拟合，就可得到符合精度要求的三维坐标数据，而且观测比红外导线观测效率要高得多，成果质量高，返工少；不过对于要求高精度的金属结构加固改造、液压启闭机房改造和桥梁工程等的高程测量，一般要通过水准测量来测定GPS高程，而且易受高压线附近产生的磁场、水库水面等干扰，其应用具有一定的局限性。 3.结束语 GPS技术是3S技术中较为成熟的技术手段，具有全天候、高精度、高效益、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间,GPS点间无需通视、作用距离远等优势, 其在工程测量中的广泛应用，给工程建设带来极大的经济效益和社会效益，随着GPS接收机价格的逐步降低，软件开发技术的不断成熟，GPS技术将会拥有更加广阔的应用前景。 参考文献： [1] 全球定位系统（GPS）测量规范[J].测绘出版社.2001. [2]周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社.2002. [3] 阎志刚, 张兆龙, 赵晓虎. RTK作业模式原理及其实用技术[J]. 四川测绘, 24[2].