GPS測量技術在水庫測量中的應用分析

邵 燕

（烏魯木齊水業(yè)集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，水利工程測量技術不斷進步，GPS測量技術在水利工程測量中的應用越來越廣泛。在水利工程測量中應用GPS測量技術有著諸多優(yōu)勢，其主要表現(xiàn)為效率高、成本低、精度高，無需通視等。目前，RTK實時動態(tài)差分法可以在數(shù)秒內(nèi)獲得由基準站所發(fā)出的GPS高精度定位數(shù)據(jù)，在未來水利工程測量中，GPS測量技術有著廣闊的應用前景。

1 工程概況

烏拉泊水庫是烏魯木齊河中游的一座蘭河水庫，該水庫于1961年8月建成并投入使用，水庫主要建筑物包括大壩、放水涵洞、泄水渠、溢洪道等組成部分。水庫大壩長1050 m，壩頂高程1089.6 m，防浪墻高1.2 m，墻頂高程1090.8 m，壩頂寬6 m，最大壩高27.6 m。該水庫先后經(jīng)歷過4次除險加固，前期一直未設置大壩表面變形觀測設施，本次除險加固結(jié)束后，在壩頂布設11個觀測橫斷面，用于觀測大壩的水平位移和垂直位移，監(jiān)測大壩表面變形狀態(tài)。

2 GPS測量技術特點以及注意事項

2.1 GPS測量技術特點

GPS技術是一種無線式的導航系統(tǒng)，其工作原理是通過從GPS全球定位系統(tǒng)中衛(wèi)星發(fā)射的信息進行工作。GPS測量技術主要有以下幾點優(yōu)勢：定位的精度高、觀測耗時較短，并且測站之間不需要進行通視，且在測量時能夠提供三維坐標，方便操作。除此之外，GPS技術的續(xù)航能力十分出眾，能夠進行全天候野外作業(yè)。同時，其自動化水平也是其他測量技術無法比擬的，測量人員在使用上易于上手。

2.2 GPS測量技術注意事項

（1）防止惡劣冰雪氣象環(huán)境干擾GPS測量

惡劣冰雪天氣、環(huán)境會對GPS測量形成干擾，甚至導致GPS測量設備無法接收到衛(wèi)星提供的坐標信息數(shù)據(jù)。除此之外，測量工程所處的環(huán)境也會對測量形成干擾，特別是大面積的水域或者高大樹木的遮擋都會對GPS測量形成干擾，影響測量精度。因此，在進行GPS測量時應該盡量選擇在天氣條件良好，并且在測量時應該避開大面積的水域或高大樹木或者建筑物的干擾，提高精確度。

（2）GPS測量設備的兩級組網(wǎng)不能單獨測量

在測量時由于受到GPS測量設備的續(xù)航條件的限制，常常導致測量時測量到一半而不得不終止測量。因此，在進行測量時應該連續(xù)進行測量，不能只對其中的一組網(wǎng)進行單獨測量，否則會導致數(shù)據(jù)無法銜接。

（3）測量設備故障與功能指示標志容易混淆

GPS測量設備的功能指示燈常常與故障燈混淆，導致設備出現(xiàn)故障時無法在第一時間確認其是否出現(xiàn)故障。在進行三級網(wǎng)測量時，GPS測量設備TRK初始化時，其指示燈為紅色，而測量設備出現(xiàn)故障時其指示燈也是紅色。

3 GPS測量技術在烏拉泊水庫測量中的應用

3.1 水庫大壩監(jiān)測網(wǎng)布設

在對烏拉泊水庫進行監(jiān)測時，主要采用了GPS自動監(jiān)測技術對水庫大壩進行了安全監(jiān)測。監(jiān)測人員根據(jù)烏拉泊水庫大壩的實際情況和設計規(guī)范，將綜合標點作為位移觀測標點，水庫大壩位移觀測分別進行了水平位移觀測和豎向位移觀測，本次水庫安全監(jiān)測采用的是網(wǎng)連式。測量人員在大壩壩頂一共布設了11個觀測橫斷面22個觀測墩，樁號分別為0+064、0+117、0+275、0+400、0+528、0+558、0+588、0+660、0+728、0+800 和 0+850，每個斷面在壩頂防浪墻上游側(cè)和下游側(cè)各設1個測點。壩下游布設 4 個工作基點（K1、K2、K3、K4）。在監(jiān)測時因為距離較短無法滿足GPS測量精度要求的，監(jiān)測人員必須按照專用平面控制網(wǎng)進行加密網(wǎng)布設，起算數(shù)據(jù)為首級基準網(wǎng)點。通過間隔點法增加觀測網(wǎng)相鄰間距。

3.2 儀器選擇及檢驗

本次烏拉泊水庫測量中，測量儀器選用的是拓普康公司生產(chǎn)的GPS設備，該設備是HiPer GA型雙頻接收。該GPS設備的測距標稱準確度為3 mm+0.5×10-6D(D為實測距離，單位mm)；強制對中裝置選用四川飛翔F-1A型通用強制對中底盤。GS09天線上有發(fā)光二級管指示器，這些指示器能夠指示基本的天線狀態(tài)。在測量時，測量人員根據(jù)指示燈的顯示顏色，就可以判斷GPS設備當前的工作狀態(tài)。GPS測量設備的指示燈狀態(tài)見表1。

表1 GPS測量設備指示燈顏色與狀態(tài)對應一覽表

3.3 GPS外業(yè)測量

為提高水庫監(jiān)測資料的連續(xù)性和準確性，在監(jiān)測時測量人員必須建立與原坐標系統(tǒng)一致的GPS變形監(jiān)測坐標系，然后通過國家三角點實施首級變形監(jiān)測網(wǎng)坐標傳遞。監(jiān)測人員首先應該按照實際需求設置GPS觀測控制指標，具體操作如下：

（1）衛(wèi)星高度截止角不小于15℃；

（2）同時觀測衛(wèi)星有效個數(shù)大于等于4個；

（3）有效觀測衛(wèi)星總數(shù)大于等于4個；

（5）觀測時段大于等于90 min；

（6）采樣間隔為30 s；

（7）GDP小于等于6個；

（8）任一衛(wèi)星有效觀測時段大于等于15 min。

其次，烏拉泊水庫的測量人員在新疆水利水電科學研究院的協(xié)助下，從新疆水利水電學院獲取了4個控制點以及22個觀測墩的初始值。但是在多次測量中，測量人員解算的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)始終存在100多米的差距。為了能夠得到更加準確的數(shù)據(jù)，烏拉泊水庫的測量人員在新疆地震局的專業(yè)技術人員的幫助下，測量人員對烏拉泊水庫測量進行了改進和優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

（1）測量中的優(yōu)化網(wǎng)型布置及測量時長

測量人員對烏拉泊水庫的網(wǎng)型進行了重新布置和優(yōu)化，重新優(yōu)化后其網(wǎng)型共分為一、二、三級網(wǎng)，并且規(guī)定了每級網(wǎng)的測量時長。一級網(wǎng)主要包括四個控制點K1、K2、K3、K4，每次測兩個小時，測滿兩小時后關機，再開機測兩小時；二級網(wǎng)主要是從22個觀測墩中選取了4個觀測墩和4個控制點組成了三個四邊形的網(wǎng)型，每組測2小時；三級網(wǎng)包括壩頂上的11組觀測墩，每組測1.5 h。最先開機的最后關機，要充分保證每級網(wǎng)測量的測量時長。

（2）優(yōu)化調(diào)整部分GPS設置內(nèi)容

①將GPS的采樣率設置，從原先的10 s提高至30 s；

②高度角設置修改為15。

在渡河作戰(zhàn)中，紅軍抓到了一個誤傳軍令的晉軍傳令兵，“押著去見指揮戰(zhàn)斗的師長賀晉年，賀晉年一看那份軍令，大驚失色”，得知敵人正在偷襲我軍總部指揮所，于是及時地派出兵力參加救援總部的戰(zhàn)斗。這場誤會反使我們好像有了千里眼和順風耳，毛澤東對此夸獎不止，又說：“要是閻錫山知道這是他的兵送的情報放跑了毛澤東，肯定氣得吹胡子呦！”誤傳軍令這類事，在通訊工具不夠發(fā)達的抗戰(zhàn)初期是經(jīng)常發(fā)生的，卻不一定發(fā)生在跟紅軍總部有關的戰(zhàn)斗中，現(xiàn)在作者把它拿來一用，既使小說增加了閱讀的興味，也為表現(xiàn)毛澤東性格的豐富性創(chuàng)造了條件。

③附加輸出——“殘差”；

④自動處理——“基線重算”；

⑤投影——中央子午線——“9改87”；

⑥帶寬——“3.00.0”。

3.4 GPS數(shù)據(jù)處理

為了對GPS觀測數(shù)據(jù)基線向量和觀測結(jié)果質(zhì)量進行校對，測量人員必須對獲取的GPS數(shù)據(jù)進行預處理，并且結(jié)合預處理結(jié)果分析測量結(jié)果的準確性和精度。測量人員使用Leica Geo Office處理軟件對本次GPS數(shù)據(jù)進行了坐標轉(zhuǎn)換等處理，GPS的具體處理步驟如下：

（1）新建項目與原始數(shù)據(jù)輸入；

（2）基線處理；

（4）坐標轉(zhuǎn)換；

（5）困難數(shù)據(jù)分析及處理。

3.5 GPS數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）各觀測點左右岸方向位移

在烏拉泊水庫的主壩段(0+064—0+528)m，其中4組觀測墩均兩兩左右岸同方向發(fā)生位移；另外TP2、TP3、TP4這三組均向右岸發(fā)生了位移，TP5、TP16這一組均向左岸發(fā)生了位移；副壩段(0+558—0+850)m，TP6、TP17這一組觀測墩均同向左岸發(fā)生了位移，TP10與TP21這一組觀測墩是反方向發(fā)生位移的。

（2）各觀測點上下游方向位移

烏拉泊水庫從總體上看,主壩段（0+064—0+528）斷面上、下游兩觀測墩位移較大,主壩段5組觀測墩均同向下游發(fā)生了位移，副壩段TP6、TP17這一組同向下游發(fā)生了位移，TP10、TP18這兩個觀測墩與原始值相比為無變化，（TP8、TP9、TP11）這三組上下游觀測墩是反方向發(fā)生位移的。副壩段位移相對主壩段要小。詳細數(shù)據(jù)見表2。

表2 22個觀測墩水平位移方向

4 結(jié)語

綜上，在本次對烏拉泊水庫的測量中，各測點的觀測值與原始值之間的變化除個別點較大外，其余測點的變化均在毫米之間。從總體上講烏拉泊水庫大壩雖然發(fā)生了一定的位移，但是其穩(wěn)定狀態(tài)并沒有受到較大影響。