GPS技術與數據處理在水利水電工程變形監測中的應用

□魏　波（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局）

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GPS技術與數據處理在水利水電工程變形監測中的應用

□魏波（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局）

摘要：測量工作是水利水電工程建設中重要的組成部分，目前隨著人們對水利水電工程測量要求的不斷提高，致使傳統測量方法日漸顯現出難以滿足當下水利水電工程發展的需求，因此需要不斷提升目前水利水電工程中的測量技術水平。GPS（全球定位系統）具有全天候、速度快以及精準度高等優點，日漸表現出在水利水電工程測量工作中的重要作用，并且仍在日益完善。文章主要對GPS技術和數據處理方法在水利水電工程變形監測中的相關技術、優點、實際應用等進行研究，以期為相關工作提供有效參考。

關鍵詞：水利水電工程；GPS技術；數據處理；測量

0前言

水利水電工程是我國重要的基礎建設之一，加強水利水電工程建設，能夠使其在灌溉、防洪、發電等方面發揮重要作用。其中勘察測量工作是水利水電工程中重要的一環，只有測量出準確數據，才能夠使工程建設順利開展。而測繪工作的精準度，會對工程后續作業質量產生嚴重影響，因此必須加強測量工作的準確度，盡可能降低測量值與實際值的誤差，從而確保工程設計水平和工程施工質量。隨著科學技術的不斷發展，GPS技術的出現為水利水電工程測量工作提供了極大便利，并且彌補了傳統測量技術的不足。文章主要從以下幾個方面對GPS技術與數據處理在水利水電工程變形監測中的應用進行分析。

1GPS技術概述

GPS技術即為全球定位系統，其最早出現于20世紀60年代，最初作用為美國軍方用于獲取軍事情報的手段，隨著其作用的不斷擴展，使其逐漸在其他領域發揮重要作用。該系統主要由用戶設備、地面控制以及空間部分組成，其中用戶設備主要是通過GPS信號接收器對衛星進行跟蹤，并對其進行分析處理，從而獲得追蹤位置的三維坐標；而地面控制則主要是對從衛星傳送回來的信息進行接收與處理，可分為天線、監測站、主控制站等；空間部分則主要通過24顆衛星對地球表面進行全方位觀測。在GPS系統中主要有授時、測量和導航三大功能，其具有諸多突出優勢，如能夠全天候作業；可得出三維坐標；適用領域和范圍廣泛；操作方法簡單便捷；定位具有較高定位準確度；減少觀測時間；各站間無需通視，不受地域限制；除此以外，GPS技術還可對時間、速度進行檢測，具有較高的自動化程度。隨著科學技術的日漸進步和完善，GPS技術將日益向智能化發展，使其工藝更加簡單便捷，測量精準度不斷提高。

2 GPS水利水電工程變形監測

變形監測主要是對不同觀測周期之間變形敏感部位和觀測點的變形信息進行監測的工作，當變形在合理范圍內時，屬于正常現象，而當變形超出了合理范圍，則屬于異常現象，會對建筑物安全造成嚴重威脅，從而使建筑物正常使用受到影響，給人們日常生活造成影響。變形觀測通常要求其精確度達到亞毫米至毫米之間，常規監測技術主要以水準測量方式實行沉降監測，期間需根據水利水電工程允許變形值的大小和目的，使用三角測量法對地基整體的傾斜和位移進行監測。而對點的變形值主要使用測距儀、經緯儀、水準儀、全站儀等常規測量儀器進行測定，其具有適用于各種環境、各種監測精確度要求、各種形式變形體，能夠得出絕對變形信息和變形形態的優點；但與此同時，上述儀器還具有布點局限于地形條件、外業工作繁重、觀測時間較長、無法實現全自動化監測的缺點。而在GPS出現并應用于水利水電工程變形監測后，其可實現全自動化采集、變性分析和處理數據的目的。

3 GPS相對定位技術分析

GPS在測量作業中主要使用相對定位技術，該技術主要利用兩臺GPS接收器來對同一顆GPS衛星進行同步觀測，將其分別在基線的兩端進行安裝，以確定基線端點和向量的相對位置。基于基本觀測基礎上進行基線解算，首先建立觀測量和基線向量的關系，之后通過最小二乘解算出其精確度和基線向量。在GPS觀測過程中，由于衛星鐘差、衛星軌道誤差、大氣折射誤差、電離層誤差以及接收器鐘差等因素，在進行同步觀測時，這些誤差之間可能會存在不同程度的相關性，如流層和鐘差等，因此為避免誤差造成的影響，需對基本測量數據進行觀測量頻率不同的差分處理或線性組合。

4 GPS技術的優點

4.1定位高度精準

當下的GPS在測量基線作業中的精確度已得到不斷提升，其中GPS的高程精確度已達到毫米級，靜態定位精確度達到了亞毫米級；而其動態定位精確度也上升到了厘米級，極大滿足了不同工程的測量標準要求，整體精準度提升了一個層次。例如，在大型構建物和各種工程的變形監測中，通過對模型進行數據處理和特殊的觀測、星歷措施后，其高程精確度可維持在1 mm左右，平面精確度也可實現亞毫米級。

4.2觀測時間縮短

隨著技術水平的不斷提升以及系統的日漸完善，使得變形監測時間結構也得到有效改善，極大地縮短了監測時間。在開展靜態相對定位模式過程中，在進行20 km內基線觀測時，觀測時間在雙頻接收器處理后，只需20 min即可完成；而在開展快速靜態定位模式過程中，當各個流動站與基準站僅距離15 km，其觀測時間最長只需2 min，最短僅需1 min。

4.3各測量站無需通視

在傳統測量作業中，對通視具有較高要求，需進行大規模規標構建后，才實施測量作業，這給測量作業具體實施造成了極大局限。GPS的出現和應用，突破了這一局限性，無需進行各測量站之間的通視以及大規模構建規標，只需確保測量站空間開闊，即可與衛星進行通視。

5 GPS在水利水電工程變形監測中的準備措施

在以往的GPS定位技術中，其定位精準度主要以厘米級或毫米級為主，隨著GPS定位技術在水利水電工程變形監測中的廣泛應用和不斷完善，其對于數據的采集、處理、分析和傳送等均不斷簡化和自動化，但其中定位的精確度和可靠性仍是人們關注的主要問題。因此，為減少定位誤差和提高定位精準度，應開展如下準備措施：使用恰當方法對測量噪聲造成的影響進行消除，如卡爾曼濾波、小波變換等方法；對觀測時間與觀測方案進行有效控制，以減少具有干擾性的衛星圖形強度影響至定位準確度；使用可靠性較高的全球地心坐標，以確保基線結算的精確度；使用良好的扼流圈天線和布設有效的監測點，以減少對多路徑效應造成的影響；使用精準度較高的基線解算軟件，以確保整周模糊度計算的精確度；使用精密度較高的星歷，以減少衛星星歷誤差造成的影響。

6 GPS技術和數據處理在水利水電工程變形監測中的具體應用

在水利水電工程竣工后或施工過程中，可能會出現沉降、滑移以及變形等現象，因此需對造成這些現象的原因進行研究分析，并進行實時測量，當發現地基、堤壩等部位出現缺陷、裂縫等現象時，則應及時予以解決。GPS技術是當下解決這些問題的主要手段，在變形部位選擇測定點，并進行定位機安裝，同時在大壩周圍相應部位選擇若干基準點，并進行定位機安裝，從而可使數據處理中心從測定點獲取實時信號，通過計算后可得出有效的數據。在進行水下地形觀測時，可將GPS接收器放置于兩個選定好的測點，在信號獲取后傳送回數據處理中心，經過計算可得出水下水流速度、深度等有效參數，從而繪制出準確度較高的水下地形圖。

7結語

總而言之，水利水電工程是我國基礎建設中的重要組成部分，其對社會發展以及經濟發展均起到至關重要的作用。而GPS技術與數據處理在水利水電工程變形監測作業中日漸發揮其重要作用，因此相關部門應加強GPS技術與數據處理的研究與應用，從而不斷提升我國水利水電工程變形監測的技術水平和效率。

參考文獻

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（責任編輯：左英勇）

中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）05-0068-02

作者簡介：魏波（1979-），男，工程師，研究方向：水利工程安全監測。

收稿日期：2016-02-17