現代水利工程測繪領域中GNSS技術的應用初探

□曹雪梅（新疆額敏縣沙拉也木勒河水管所）

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現代水利工程測繪領域中GNSS技術的應用初探

□曹雪梅（新疆額敏縣沙拉也木勒河水管所）

摘要：水利工程的快速發展，帶動了新的測繪技術在水利工程中的應用，其中GNSS技術的發展為現代水利工程測繪工作帶來了便利，被廣泛應用到現代水利工程測繪領域。文章在闡述GNSS技術含義、原理和特點的基礎上，以新疆庫爾勒水利工程為例具體分析GNSS技術在水利工程變形監測中的應用。

關鍵詞：現代水利工程；GNSS技術；變形監測技術；測繪

0　前言

伴隨信息技術的發展，水利工程建設的測量技術得到了深入的發展，數字化的測繪技術在我國水利工程中得到了廣泛的應用，特別是信息通訊和信息技術結合的全球定位系統（GNSS技術）得到了廣泛的應用。水利工程以GNSS技術為代表的信息化測繪技術不僅能夠幫助其工程服務防洪抗旱，還能對地區水利工程的水量調度、水土流失監測、滑坡預防等提供決策服務意見，從而實現水利工程的穩定運行，提升人們生活質量。

1　GNSS技術的工作測量原理

GNSS技術的工作測量原理主要包括載波相位時差分原理、相對定位原理和絕對定位原理，其中，水利工程采用的是載波相位時差分原理。GNSS技術的載波相位觀測信號存在兩種頻率的正弦波（L1、L2），正弦波在對衛星信號調制后被接收機接受。

2　變形監測技術

2.1變形監測技術含義

變形主要是指變形體在各種因素的影響下，其形狀、大小發生的變化，自然界中的變形包括地殼形變、滑坡、大壩變形等。變形嚴重的情況會對人們生命帶來威脅，對國家經濟帶來損失，由此引起了人們對變形監測技術的關注。變形監測主要是利用專門的儀器和方法，對變形體進行長久、周期的觀測，對變形體狀態進行分析、預測的工作。水利工程變形監測的內容主要從水平位移、滲透、裂縫等應用于水工建筑物、水庫邊坡的外部觀測和從混凝土應力、鋼筋應力、溫度等應用于建筑物內部結構的內部觀測兩個方面進行。

2.2基于GNSS技術的新型變形監測技術

伴隨科技的發展，變形監測技術的手段得到更新，形成了多角度、多層面、多技術的自動化立體監測體系，其中GNSS技術實現了對地下觀測監測技術的數字化、自動化發展，利用其支持下的有線網絡通訊、無線移動通訊和衛星系統能夠為水利工程的變形監測信息的實時遠程傳輸提供有保障的技術支持。

2.3 GNSS監測技術

GNSS技術因其全天候觀測、無需通視、方便提供三維信息、測量范圍大的優勢成為變形監測技術測量的主要手段。GNSS技術在基于全球坐標系統變化的條件下能夠在不受局部變形的影響下，對全球和全區域內的水利工程所在地球板塊的運動提供檢測，繼而為水利工程所在區域地震監測提供數據支持。GNSS監測技術因其測量范圍不受限制以及高速數據采樣的優勢，能夠對水利工程變形進行更好地監測，特別是對于一些滑坡體較為嚴重的露天礦邊坡。

3　GNSS技術在變形監測中的應用

3.1新疆滑坡變形監測概述

新疆地處干旱地區，且水庫的建設大多位于地震高發區，但水庫的設計標準較低，水庫壩體浸潤線下的飽和土容易液化，由此導致地震對水庫大壩的嚴重破壞，水庫壩體和壩基的滲漏問題嚴重，壩頂、壩前坡和壩后坡等發生了不同程度的沉陷滑坡，引發滑坡變形。對新疆水庫滑坡的檢測方法主要包括移動態觀測和水動態觀測兩種。其中，常見的為移動態觀測。觀測方法體現在以下幾種：第一，利用觀測網、全站儀對各種測點的平面位移進行測量，并在精密水準儀器的使用下對高程變化進行檢測；第二，利用GNSS技術進行監測。

3.2 GNSS技術變形監測數據分析原理

3.2.1數據處理過程

GNSS技術在接收監測數據之后需要通過數據傳輸系統的軟件將數據進行處理，具體流程如圖1所示。多數的GNSS技術接收機，收集的數據是記錄在接收機的內存里，數據傳輸通過專用的電纜將接收機和計算機來連接，同時在處理軟件的菜單中選擇傳輸數據選項，之后就能將水利工程地震變形觀測數據傳輸到計算機，計算機將數據分流，生成四種數據文件。

圖1　GNSS技術數據處理流程圖

3.2.2水利工程滑坡監測模型

針對新疆庫爾勒水電站在水利工程中的建設重要性以及常規的監測方式在高邊坡監測中無法克服的問題，從系統的成本投入和自動化角度出發提出了GNSS技術在水利工程滑坡監測系統中的應用，形成了其無線通訊和遠程控制技術集合的庫區滑坡安全監測系統，具體數據處理流程如圖2所示。在根據數據的分析和處理基礎上建立起的庫區滑坡變形檢測系統基礎模型如圖3所示。

圖2　水利工程滑坡監測模型的數據采集和處理流程圖

圖3　水利工程滑坡變形檢測系統的基礎模型圖

3.2.3 GNSS技術在變形監測中的特點

GNSS技術已成為監測地殼形變和板塊運動的有效手段，水利工程變形監測也逐漸建立了GNSS技術自動監測系統，其優勢主要體現在以下幾個方面：第一，不需要進行同時通視，和傳統的變形監測相比，GNSS技術的檢測對于點和點之間不需要進行通視，只需要保持測站區域的上空視野開闊就可以。第二，能夠對監測點的三維位移信息進行同時監測。第三，能夠全天候進行監測，GNSS技術不受新疆氣候的影響，只要配備防雷電設施就可在任何天氣條件下進行監測。第四，監測自動化、操作簡單。GNSS接收機體積較小，重量較輕，方便人員的安置和操作。同時，監測裝置還為用戶提供了監測點，能夠方便用戶對水利工程發展數據的及時獲得。

3.2.4 GNSS技術變形監測方法的選擇

第一，水利工程滑坡監測中點的分類。新疆水利工程滑坡變形監測選用的是小型的平面控制網，具有專用性、高精度的特點，主要由三個點和兩個等級的網組成，三個點包括基準點、工作基點和變形觀測點。第二，基準網的設計原則。首先，監測網點要設立在比較穩定的地區，比如滑坡體以外的穩定地區。監測點的數量不要太多，數量控制在能夠對整個水利工程的滑坡范圍進行控制，其中對監測網圖形的強度要求高，要求其符合監測網的精度。其次，監測點因為是布置在滑坡變形體上，因此，布點設計要全面而又重點突出，特別是注意水利工程滑坡體的裂縫、地質分界等方面。監測點的移動要體現滑坡體的移動特點，切忌將其埋設在松散的表層上。最后，可以在滑坡體的穩定地區設置水準點，將其作為高程工作的基點，實現監測系統和高程系統的統一。

3.2.5 GNSS技術變形監測網的設計

首先，在對GNSS技術變形監測網基準點和監測點選定后，要擬定監測方案，具體的監測方案設計如下：第一，實行多臺GNSS技術接收機的同步觀測；第二，在衛星分布較多的時候進行多期觀測；第三，基準點之間以及其和變形點之間的距離不要大于5000 m，在水利工程有條件的地方引入高級的GNSS技術坐標，進而將其作為變形監測網的基準，從而提升基線解算的精度。其次，要對監測網進行布設。監測網的布設要對滑坡形成的條件進行研究，對影響新疆水利工程滑坡穩定的因素進行考慮。其中內部影響因素包括新疆水利工程地區土質狀況、巖體結構和地應力等，外部影響因素包括地震、風化、人工開挖、水利工程荷載等。

3.2.6 GNSS技術變形監測數據處理

GNSS技術變形監測數據處理是GNSS監測系統的核心，數據處理水平的高低對水利工程滑坡體穩定性能的判斷、分析以及處理具有重要意義。GNSS技術變形監測數據處理主要是對各個監測區域、監測點的原始數據進行采集處理，包括原始數據的輸入、處理、檢驗、設備故障診斷等。

4　總結

綜上所述，GNSS技術的發展是對傳統測量技術的一種突破性發展，加強了測量和其他學科的交互性，實現了現代化測繪技術的發展，被廣泛地應用到各種工程實踐中。新疆水利工程由于自身發展的局限，在具體的水利工程工作中存在諸如水資源利用不合理、干旱影響水量挖掘、受土質以及地質災害影響容易發生滑坡等問題，文章基于GNSS技術在新疆水利工程測繪中的應用，具體分析其在緩解水利工程滑坡方面的作用，從而為新疆水利工程的穩定建設提供支持。

（責任編輯：左英勇）

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號：TV221; P228

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）03-0084-02