北斗變形監測系統在水電站的應用探究

錢 偉，周 健

（江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225000）

北斗精密定位系統是我國自主研發的定位系統，在大地測量、地殼形變監測、精密工程測量等領域得到了廣泛的應用。北斗系統具有連續、實時、定位精度高、全天候運行、自動化程度高等優點，在很大程度上實現了水電站變形的監測[1]。該監測系統能夠直觀地顯示水電站變形狀態，并提供預警指令，對預防水電站變形災害監測起到了重要作用。

1 北斗變形監測系統在水電站變形監測中的工作原理

基于北斗定位北斗變形監測系統是測量水電站變形的專業監測系統，該系統充分利用北斗衛星定位技術和信息傳輸技術，與計算機處理軟件相結合，實現對水電站變形的準確實時監測。

北斗變形監測系統主要由四部分組成，即參考點、監測點、數據處理中心、遠程監測中心和通信網絡。其中，參考點承擔為監測系統提供參考的任務，監測系統需要建立在相對穩定的基礎上[2]。監測點應設在變形發生的關鍵位置，參考點提供的參考與其收集的數據應能夠反映水電站的變形情況。數據處理中心是連接各參考點和監測點的信息處理設備，根據預設的算法處理獲得變形信息，從而獲得水電站變形的具體數據，并通過通信網絡傳輸至遠程監測中心。通信網絡是連接參考點、監控點、數據處理中心和遠程監控中心的數據傳輸設施，起到快速、準確傳輸數據的作用。

北斗變形監測系統的核心部分是系統的軟件部分，大致可分為三個部分：數據處理模塊、數據傳輸與存儲模塊和數據分析模塊，負責采集、整理和分析采集得到的數據。在自檢并存儲本地測試數據、配置參數并實現采樣控制后，將獲得數據傳輸到處理服務器。在處理服務器中，數據處理軟件將自動計算接收到的數據，并根據處理和統計結果對水電站變形情況進行評估和預警。北斗變形監測系統是監測水電站變形的有力手段，為水電站變形控制提供了充分的信息依據。圖1為北斗系統已發射的衛星軌道詳情。

圖1 北斗系統已發射的衛星軌道詳情

2 項目舉例

某水庫庫容4 000萬m3，最大蓄水面積可達3 km2，水庫為粘土心墻土石壩，壩高40 m，壩頂高程約450 m，壩頂長4 000 m，壩寬8 m，農業灌溉區的蓄水量為20 m3/s。

由于對水電站變形監測的精度要求越來越高，在利用北斗進行監測的同時，應建立北斗監測網，制定合理的水電站變形監測方案，并在北斗觀測處理中采用適當的措施和方法，以滿足水電站變形監測的要求。為了了解水庫水電站的變形程度，確保汛期的安全，在水庫上游安裝帶有八個位移標點的視線，同時在位移標點下方設置了八個水準點。

在壩頂和上下游壩坡上安裝30個工作基點、18條視準線和180個地表位移標點，監測主壩的變形程度。在初始設計方案中，有四個倒置裝置配合外部變形監測控制網監測工作基點的參考值。由于施工難度大，成本相對較高，很難滿足變形要求。經過專家組討論，該計劃被取消。設計常規測量與北斗相結合的方案，定期監測工作基點的參考值或利用北斗監測地表標點的水平位移和垂直沉降位移，并按規定實施觀測方法。

3 北斗變形監測系統設計

3.1 基準網設計方案

設計基準網的目的是提高變形監測基準值的精度，以便引入精確地心坐標，減少基準點坐標誤差的影響。借鑒我國一些大型水庫水電站的北斗變形監測方案，設計變形監測試驗基準的觀測方案和布設情況，最終確定水庫變形監測試驗基準網。考慮到水庫水電站的優缺點，建立二級水平位移監測網，并在一級參考網上安裝特殊的三級北斗網，包括三個工作基點和五個參考點。

3.2 參考網現場觀測

在儀器設備方面，采用了五個徠卡350北斗接收機和相應北斗處理軟件。對水電站進行監測前，根據庫區的水平高度、經緯度，編制衛星幾何圖形強度預報表和衛星能見度預報表，確定水電站的觀測周期。現有五個北斗接收機用于同時監測五個站點的時間段，每個時間段的觀測時間應在8 h以上。

在處理觀測數據時，首先用軟件對現場監測數據進行處理，然后確認數據觀測記錄正常，保證沒有嚴重的周跳等異常，再進行數據處理和分析；然后進行數據計算，為了降低基線計算誤差，提高初始數據的精度，獲得高精度的地心坐標，需要相關跟蹤站的精確坐標和該跟蹤站的觀測數據。以水庫參考網的一個點和跟蹤站的數據求解長基線，保證得到該點的高精度地心坐標，并將該點作為參考網內所有事物基線計算的起點。

4 應用前景

北斗變形監測水電站是北斗定位系統的典型應用，如果用北斗進行水電站變形監測，通常包括兩種方法：第一種監測方法是北斗接收機，即定期在指定的監測點進行觀察，并對采集的數據進行處理和分析；第二種監測方法是無人北斗監測系統，即把系統安裝在監測站，其實時監測和變形分析工作在軟件控制下自動完成。第一種方法成本相對較低，但勞動強度相對較大，自動化程度相對較低，無法實時監控；第二種方法不僅可以實時監控，而且自動化程度高。然而，北斗監測系統必須安裝在每個監測點，這導致系統建設成本大幅增加。

除上述兩種方法外，我國還自主開發了北斗多天線水電站變形監測系統，使北斗接收機與多個天線相連，不僅提高自動化程度，降低了勞動強度，實現實時監測，而且降低成本，驗證北斗多天線水電站變形監測系統具有突出的優勢。

5 結論

北斗定位技術是一種先進的高科技手段，其可應用于水電站變形監測中。目前，世界上許多國家的水電站都非常重視這種監測方法，并投入人力物力進行研究。目前，我國北斗定位系統已經開始應用到各個領域，極大方便生活和工作。運用北斗定位技術進行水電站變形監測，不但提高了監測精度，還降低了監測成本，促進了水電站變形監測技術的發展。