摘要：根据数字化测图在我国的发展，在测绘GPS成图软件系统中，通过数据通讯，GPS 技术具有观测站之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候作业和功能多等优点被广泛应用于工程测量上。由于数字地形图越来越多地被应用到各个领域，数字图对绘图人员的要求也越来越高，既要有一定的专业知识，还要有相当的工作经验，特别对地形相对复杂的地区，还有山区的地形地貌要测量到位，不然会出现变形变样；同时还应时时注意点位点号相对应。数字化成图最大的缺点是不象白纸图那样直观容易发现错误，因此需要每个工作人员都必须细心，一定要有相当的敬业精神。本文论述GPS系统测量，分析数字化地形图在堤防工程中的应用。
关键词：河道整治；GPS；河道测量；应用
随着全站仪、GPS和绘图软件的开发利用，数字化测图已经成为目前常用的测图方法，相比于传统的测图方式，具有高精度、高效率、灵活方便等诸多优点，广泛用于测绘生产、水利工程、城市规划、环境保护、土地资源管理等领域。数字化测图就是通过电子测量仪器采集地形数据信息，再将地形数据传输到计算机，用数字成图软件对数据进行图形编辑、处理，生成数字地形图。数字化地形图使数字技术赋予地形图更丰富的内涵，它是有关地形的空间信息组合，以计算机硬盘等为存贮介质，以图形文件的形式提交给设计人员。数字化测图是以传统的白纸测图原理为基础，以全站仪、计算机及外围设备为工具，采用数字库技术和图形处理方法，实现一套野外数据采集到内业制图的全过程的自动化测量制图系统，称为数字化测图系统。它的实质是解析测图，实现了将图形的模拟量转化为数字量，经计算机对数字量进行处理，得到内容丰富的电子地图。
一、GPS系统测量
全球定位系统（GPS）已在车辆导航、地球物理资源勘探、变形监测、海洋平台定位、水文地质测量、航空航天等方面得到了广泛应用。近几年，工程测量特别是水下地形测量方面也得到了一定的应用，但尚未得到大面积推广。因此有必要深入研究此项新技术，以便更好地应用于水利工程测量中。
1、GPS系统原理。GPS系统主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备3部分构成。
1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为2.02万km，运行周期为11h58min。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，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。
2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心的三维坐标。
2、GPS系统测量定位原理。本次测量利用测量仪测量定位采用差分GPS定位方式。差分GPS定位是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站的精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在与基准站接收机进行同步观测的同时，也接收到基准站的改正数，用此对其定位结果进行改正，开展测量工作，并提高用户站的定位精度，仪器测量定位原理见图1。
3、GPS技术的测量速度。GPS技术的测量速度主要由初始化所需时间决定，初始化所需时间又由GPS测量的技术差别、接收卫星的数量和质量、GPS技术数据链传输质量等因素决定。在一般的环境条件下，GPS技术初始化所需时间一般为几十秒；即使在不良环境条件下（尚满足GPS技术基本工作条件），GPS技术也仅需要几分钟到十几分钟。
二、数字化地形图应用的意义
河道整治通过整治建筑物和其它措施，防止河道冲蚀、改道和淤积，使河流的外形、水流形态和演变过程都能满足防洪、航运、工农业用水等方面的要求。一般防治洪水的措施是，采用“上拦下排，两岸分滞”的工程体系。“上拦”就是在山地丘陵地区进行水土保持，拦截水土，有效地减少地面径流；在干、支流的中上游兴建水库拦蓄洪水，调节径流，控制下泄流量不超过下游河道的过流能力。上拦是一种防洪治水的治本措施，不仅有效地防治洪水，而且可以综合地开发利用水土资源。“下排”就是疏浚河道，修筑堤防，提高河道的泄洪能力，减轻洪水威胁。这是治标的办法，不是长治久安之道。但是，在上游拦蓄工程没有完全控制洪水之前，筑堤防洪仍是一种重要措施，而且要加强汛期的防护工作，确保安全。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆“两岸分滞”是在沿河两岸适当地点，修建分洪闸、引洪道、滞洪区等，将超过河道安全泄量的洪峰流量，经分洪闸、引洪道分流到该河道下游或其他水系，或者蓄于低洼地区，以保证河道两岸保护区的安全。河道治理一般说的就是“下排”，其目的是稳定河势，因害设防，整治河槽，归顺水流；任务是修固河堤，疏导洪水，防止泥石流冲刷，有效的保护河道两岸的村庄、农田、道路、通讯等。治导线的布置是河道治理的关键，合理的布置能达到控制主流、稳定河势、固定河槽基础的目的。传统的治导线布置是在野外实地进行勘测，设计人员根据测量成果在图纸上进行布置，这种测定的结果往往受实地地形条件的限制，达不到设计的要求，通常通过外业的反复测量，修改、调整测量资料，才能够达到设计的要求，费时、费力且效率低。随着CAD在设计领域的广泛应用，地形图的各种软件也被开发出来，数字化地形图也已经被广泛的应用到工程规划设计当中，堤防工程治导线的布置因此也变的更为直观，修改更为便利。
三、数字化地形图在堤防工程中的应用
在特大地震中，某河堤严重受损，为了河道两岸的村庄、学校、农田、道路、通讯以及人民群众的生命安全，根据灾后重建河道综合治理的总体规划，城区的疏浚整治由水电勘测规划。对受损现场的两岸绘制了1：2000的数字地形图，及时地把成图交到设计人员手中。利用数字地形图，设计人员也尽快地展开了工作，根据堤防工程设计规范的参数直接在数字地形图上进行了治导线的布置，然后进行修改、调整，直到符合设计要求为止，减少了外业测绘的时间与次数。测量人员根据设计布置的治导线，在数字地形图上布设治导线，然后根据绘图软件进行排桩、布设横段线，根据绘图软件弯道也可根据给出的角度、半径直接布设，布设完备后提取治导线的纵剖面数据，对不符合的数据依据地形图进行修改即可；利用提取的数据资料根据所需比例绘制纵剖面图。这样，既节省了外业的成本费用，也提高了工作效率。同样，在堤防工程中往往需要河道大断面的测绘，大断面成图工作也异常艰巨，每公里需绘制25-50个大断面，第一阶段治理段为左岸，长度1.16731ｋｍ，根据河道地形条件布设了19条大断面，如果按照常规测量方法，要在实地通过全站仪或GPS按每20ｍ 一个里程桩测定，取得第一手资料后，回到室内计算得到成果，然后按照所需比例绘制横剖面图，而有了数字地形图以后可直接在图上布设大断面，再不需要外业的测绘，和治导线一样排桩、布横断线，在特殊地形要素处也可加桩，提取数据绘制横剖面图。这样减小了外业作业的劳动强度，同样也节省了成本费用，工期也大大缩短了。布设完备后的数字图上有治导线的各种要素，还有大断面的各种要素，对于受到损毁的情况，在数字图上可直观的看出，哪些地方需要改建，哪些地方需要加固，一目了然。出现特大山洪泥石流，河道严重淤积，水位急剧升高，使人民群众的生命财产遭受了巨大损失。泥石流过后，河道的清淤工作也是一项浩大的工程，利用数字地形图的等高线或测绘地形图的数据文件可用方格网法计算出清淤土方量的多少，简化了传统的计算，为早日清除淤积争取了应有的时间。
四、案例分析GPS测量技术在某河道中的应用
1、GPS测量坐标系的确定。根据两条河道所处的地理位置，GPS初始参数设定为假北为0，假东为500km，纬度原点为0（N北纬），中央子午线117（E东经），比例因子为1，长半轴a=6378245，扁率α=1/298.3，水平和垂直平差为0，坐标几何设定为网格。
2、测量方法。GPS快速测量技术测量首先依据已知的水准站点，建立测量平面控制网，确定测量基准站位置，然后开展平面控制测量。平面控制测量，包括水上部分和水下部分测量。
1）水上部分。河地面高程测量，按照左堤防右堤防依次进行，地面测量时，利用GPS实时动态（RTK）定位测量技术，首先选择适合于建立GPS基准接收站的已知水准点作为基准，建立GPS基准接收站，在此基准站所控制的精度范围内，利用流动站在所设计的测量断面上选择测点逐点进行测量，流动站与基准站通过无线电实时进行数据通信，当测点数据精度达到GPS仪器预设的精度时，保存此测点的测量数据。
2）水下测量。河水下测量，首先GPS进行导航和定位，然后测深仪测量水深，同时结合GPS定位测量测得水深点的平面位置和水面高程，就可以将水下高程通过计算求出，其水面下测点实际高程=水面高程- 测点水深。水下测量误差的掌握是在测量前人工量出某点实际水深，然后调整测深仪的超声波波速，使之测得的水深与实际水深相同，再配制其他参数，进行正式测量。测量过程中，选择不同深度的水深进行人工比对，必须符合规范误差要求时才开展测量工作。由于测量工作是以左堤防公里桩为基准建立测线，右堤防和水面测量放线是通过GPS左堤测量结果，利用GPS自动放样功能实现的，这样就保证了所测数据点都处于同一条断面线上。
3、测量成果处理与分析。由于使用了不同的测量方法，测量结果共产生两种测量数据：GPS测量数据、测深仪测量数据。GPS测量数据存储在GPS手簿里，要用同步传输软件（Microsoft Active syn）通过串口将其传入计算机中，再由数据格式编辑软件（TGO）对其进行编辑，使之变成为文本格式，便于阅读和整理。测深仪测量数据是由计算机自动采集的，其数据要用后处理软件把它转换为文本格式，与GPS测量数据一起处理形成完整的断面。
4、测量精度及误差分析。河道测量首先满足GPS测量规范D级精度要求，依据本GPS设备说明，接收机标称精度中的固定误差a=10mm，比例误差系数b=1.5ppm，本次测量d最大距离d=10km，计算后σ=18.0mm。依据规范要求，各测点测量的高程误差与规范要求的高程误差比较，测量误差符合GPS测量D级精度和普通测量水准四等规范要求。
科学在不断发展，技术在不断更新，特别是地理信息系统GPS的开发应用，更离不开数字化测绘技术。数字化成图技术为河道地形的绘制开辟了新的途径，它将替代常规成图作业，成为成图的一种新型技术手段。作为GPS的基石之一，地形图库或专题图库，均必须经过数字化测绘技术获取各种用途的GPS建立，使得数字化成图产品发挥更大作用，同时也给数字化技术带来更为广泛的发展空间和应用前景。
参考文献
［1］潘正峰，杨正尧，程效军.数字测图原理与方法［M］.武汉：武汉大学出版社，2013.
［2］骆帝骧.浅谈数字化测图中全站仪及南方CASS 软件的应用［J］.广东科技，2014，（13）164 － 166.
［3］胡伍生，高成发.GPS测量原理及其应用[M].北京：人民交通出版社，2013.
［4］董昌周.GPS在工程测量中的应用[J].浙江科技学院学报，2014.
论文作者:徐杰仔
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/6
标签：测量论文; 河道论文; 地形图论文; 数字论文; 基准论文; 堤防论文; 地形论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;