曹慧君　杜晨暉

摘要：現(xiàn)代測(cè)繪科技在當(dāng)今社會(huì)得到快速發(fā)展，GPS技術(shù)的應(yīng)用滲入到各個(gè)領(lǐng)域。文章探討了GPS在大壩變形監(jiān)測(cè)中的實(shí)踐，介紹了GPS在短時(shí)觀測(cè)方面的方法和應(yīng)用手段，以此來(lái)對(duì)庫(kù)區(qū)清坡、大壩變形進(jìn)行適時(shí)的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；大壩變形監(jiān)測(cè)；衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；水利工程；GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TV42 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0182-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.088

GPS的全稱(chēng)是全球定位系統(tǒng)，它產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，是由美國(guó)海陸空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該衛(wèi)星系統(tǒng)由空間部分、用戶(hù)接收機(jī)部分和地面監(jiān)控部分三大部分組成。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一步步的研究和試驗(yàn)，1994年在各個(gè)領(lǐng)域完全投入使用。GPS的重要作用就在于它可以為每一個(gè)用戶(hù)不斷提供地球上的任何時(shí)刻、各個(gè)位置的動(dòng)態(tài)信息。

GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有操作簡(jiǎn)單、效率高、全天候、精度高、功能多。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)最近幾年在地殼變形監(jiān)測(cè)、城市測(cè)量、石油勘探、大地測(cè)量、資源調(diào)查、精密工作測(cè)量等領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著GPS系統(tǒng)一步步完善，其接收機(jī)性能和解算軟件也在不斷改進(jìn)和完善，常規(guī)的測(cè)量方法逐漸被GPS取代，并應(yīng)用于比較精密的變形監(jiān)測(cè)，目前大多數(shù)的大壩變形監(jiān)測(cè)都應(yīng)用了GPS技術(shù)，比較典型的當(dāng)屬我國(guó)新疆地區(qū)的部分水庫(kù)大壩，在此就以新疆克拉瑪依的三坪水庫(kù)為例，敘述GPS在水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中起到的作用。

1 工程概況

該三坪水庫(kù)位于克拉瑪依市三坪鎮(zhèn)西北方向5千米處，離農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)大約15千米，距離市區(qū)約15千米。該地區(qū)擁有典型的大陸性氣候，年降水量不足，常年干旱，晝夜溫差也相對(duì)比較大。該水庫(kù)利用自身位置優(yōu)勢(shì)采用南、東、北三面圍壩的方式注入水庫(kù)。水庫(kù)容量達(dá)3300萬(wàn)立方米，最大的水域面積可達(dá)2.67平方千米，該水庫(kù)屬于黏土性墻土石壩，高達(dá)35米，壩頂高程約為400米，壩頂?shù)拈L(zhǎng)度為3886米，寬為6米，上、下游的壩坡分別為1∶2.5和1∶2～1∶2.25，農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的流水量為15立方米/秒。

因?yàn)閷?duì)大壩變形監(jiān)測(cè)的精確度要求越來(lái)越高，所以使用GPS進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)要建立GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，建立大壩變形監(jiān)測(cè)合理并且可行的方案，采取合適的措施和方法應(yīng)用于GPS觀測(cè)以及觀測(cè)數(shù)據(jù)處理等方面，滿(mǎn)足大壩變形監(jiān)測(cè)的要求。為了了解三坪水庫(kù)大壩的變形程度，保證其安全渡汛，工作人員把帶有8個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)的視準(zhǔn)線安裝在水庫(kù)上游來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與此同時(shí)把這8個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在位移標(biāo)點(diǎn)的下方，進(jìn)行沉陷的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行尋常變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，利用GPS接收機(jī)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。

2 三坪水庫(kù)主壩外部變形監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案

壩頂以及上、下游壩坡上安裝28個(gè)工作基點(diǎn)、15條視準(zhǔn)線和150個(gè)表面位移標(biāo)點(diǎn)，以此對(duì)主壩的變形程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在剛開(kāi)始的設(shè)計(jì)方案中，有4個(gè)倒垂裝置來(lái)配合外部變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)檢測(cè)工作基點(diǎn)的基準(zhǔn)值，但是由于施工難度大，成本也相對(duì)比較高，也很難滿(mǎn)足變形要求，最后經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組的討論后取消了該方案，然后把該方案設(shè)計(jì)為常規(guī)測(cè)量與GPS技術(shù)相結(jié)合，定期監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的基準(zhǔn)值或者是運(yùn)用GPS技術(shù)對(duì)表面標(biāo)點(diǎn)的水平位移與垂直沉陷位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按照規(guī)定執(zhí)行觀測(cè)方法和進(jìn)度要求。

3 GPS變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)網(wǎng)的目的是為了提高變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值的精確度，方便引入精確地心坐標(biāo)，并且減少基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)誤差產(chǎn)生的影響。把我國(guó)一些大型水庫(kù)大壩的GPS變形監(jiān)測(cè)方案作為參考，對(duì)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基準(zhǔn)的觀測(cè)方案、布設(shè)形勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定了三坪水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基準(zhǔn)網(wǎng)。

從方便監(jiān)測(cè)、減少成本的角度出發(fā)，考慮三坪水庫(kù)大壩的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，建立兩級(jí)布設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)，把一個(gè)專(zhuān)三級(jí)GPS網(wǎng)安裝在首級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)上，該網(wǎng)包括兩個(gè)工作基點(diǎn)和三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 基準(zhǔn)網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)

3.2.1 設(shè)備儀器以及觀測(cè)計(jì)劃。在儀器設(shè)備方面采用四臺(tái)徠卡350型GPS接收機(jī)和AT303扼流圈天線，還有瑞士伯爾尼大學(xué)的BERNESE軟件和徠卡GPS處理軟件。在進(jìn)行大壩監(jiān)測(cè)之前，先根據(jù)三坪水庫(kù)地區(qū)的水平高度和經(jīng)緯度，編制衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度GDOP預(yù)報(bào)表和衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)報(bào)表，確定大壩的觀測(cè)時(shí)段。并利用現(xiàn)有的4套GPS接收機(jī)，同時(shí)監(jiān)測(cè)5個(gè)站上的時(shí)間段，并重點(diǎn)注意每個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)該大于8個(gè)小時(shí)。

GPS接收機(jī)原理圖如下：

3.2.2 處理觀測(cè)數(shù)據(jù)得出結(jié)果。（1）處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。首先利用徠卡SKI軟件處理外業(yè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，等到正常確認(rèn)數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄，并且沒(méi)有嚴(yán)重的周跳和其他異常，然后再利用伯爾尼軟件進(jìn)行深一步的數(shù)據(jù)處理和分析；（2）數(shù)據(jù)解算。為了減少基準(zhǔn)線解算的誤差影響，提高起算數(shù)據(jù)的精確度，獲取高精確度的地心坐標(biāo)，而這需要烏魯木齊市徠卡技術(shù)中心的幫助，得到克拉瑪依市IGS跟蹤站的準(zhǔn)確坐標(biāo)以及該跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用該水庫(kù)基準(zhǔn)網(wǎng)的P101點(diǎn)和克拉瑪依市IGS跟蹤站，解算長(zhǎng)基線，確保得到精確度高的P101點(diǎn)的地心坐標(biāo)，把P101點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)所有事物基線解算。

4 克拉瑪依市三坪水庫(kù)大壩圍堰監(jiān)測(cè)實(shí)施GPS

把GPS試驗(yàn)基準(zhǔn)網(wǎng)中的P101當(dāng)作基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)。為了用最短的時(shí)間得到最好的測(cè)量結(jié)果，處理基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，參考相關(guān)資料，觀測(cè)時(shí)間采用25分鐘，在實(shí)施過(guò)程中，在P101點(diǎn)上安裝一臺(tái)儀器架設(shè)，把它當(dāng)作參考站，在1、2、3、4、5、6、7、8號(hào)標(biāo)點(diǎn)上依次架設(shè)其余的3臺(tái)儀器，每個(gè)點(diǎn)的站點(diǎn)設(shè)置要重復(fù)一次，常規(guī)觀測(cè)也要同時(shí)進(jìn)行。進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算要將得到的P101點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)作為已知坐標(biāo)，進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)平差也要在P101點(diǎn)。

5 GPS在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

GPS定位技術(shù)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)是一種先進(jìn)的高科技手段。目前世界上很多國(guó)家都十分重視這種檢測(cè)方法，投入人力物力進(jìn)行研究和試驗(yàn)。利用GPS技術(shù)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)是GPS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)的一種很典型的應(yīng)用，如果利用GPS進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)，通常有兩種方法：第一種監(jiān)測(cè)方法：采用GPS接收機(jī)。定時(shí)定點(diǎn)到指定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；第二種監(jiān)測(cè)方法：在監(jiān)測(cè)站上安裝無(wú)人值守的GPS觀測(cè)系統(tǒng)。再由軟件的控制，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和變形分析。

第一種方法費(fèi)用比較低，但是勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)比較大，自動(dòng)化程度比較低不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；第二種方法不但能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且自動(dòng)化程度也很高，但是由于GPS接收機(jī)要安裝在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，這樣就造成了系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用大大提高。

在我們國(guó)家除了以上兩種方法，還自主開(kāi)發(fā)了GPS多天線大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，讓一臺(tái)GPS接收機(jī)連接多臺(tái)天線，這樣既提高了自動(dòng)化程度、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也降低了成本費(fèi)用，因?yàn)樵揋PS多天線大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出。

6 GPS短時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

6.1 精確度

與常規(guī)的觀測(cè)位移量相比較，GPS位移的差值誤差要相對(duì)比較小，更能滿(mǎn)足常規(guī)觀測(cè)技術(shù)的規(guī)范要求，只有位移量的差值小，結(jié)果才能比較穩(wěn)定。

6.2 沉陷量

與常規(guī)觀測(cè)工作的沉陷量相比較，GPS沉陷量的差值誤差要相對(duì)比較小，滿(mǎn)足了大壩沉陷量觀測(cè)技術(shù)所需要的高精確度要求，在三坪水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)差值中，有26個(gè)獲取值小于中間誤差值，所占總數(shù)的比例為62%，不過(guò)也有3個(gè)值大于2倍中間誤差，但是結(jié)果算是較為穩(wěn)定。

6.3 工作強(qiáng)度和作業(yè)效率

與常規(guī)的工作強(qiáng)度和作業(yè)效率相比較，人為干涉GPS觀測(cè)的比較少，全是自動(dòng)化完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，也不受天氣的影響，所以最后獲取的結(jié)果比較可靠、準(zhǔn)確和及時(shí)。

7 GPS技術(shù)在監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的誤差和補(bǔ)救措施

大多數(shù)的研究成果雖然表明，GPS定位技術(shù)擁有高精確度，但是在大壩變形監(jiān)測(cè)的作業(yè)中，GPS實(shí)際測(cè)量成果很難達(dá)到所預(yù)計(jì)的精度高要求，原因就在于大壩的特殊地理位置和不利條件影響了GPS技術(shù)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)，加大了檢測(cè)誤差，因此降低了精確度，利用GPS技術(shù)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)，其誤差來(lái)源主要有三個(gè)方面：一是與對(duì)流層誤差、電高層的誤差、載波相位的周跳信號(hào)傳播的有關(guān)誤差；二是與觀測(cè)值的噪聲、接收機(jī)等誤差、測(cè)站坐標(biāo)有關(guān)的誤差；三是與衛(wèi)星鐘差和軌道誤差等衛(wèi)星有關(guān)的誤差。為了將以上的誤差盡可能地減少，可以采用自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性高、精確度高的GPS接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且再采用靜態(tài)差分觀測(cè)的相對(duì)定位技術(shù)來(lái)提高GPS觀測(cè)精確度。除此之外，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)大壩變形觀測(cè)時(shí)間，也要選擇合適正確的觀測(cè)時(shí)間段，然后開(kāi)采一定的合理措施，這樣就可以將衛(wèi)星的鐘差接收機(jī)、觀測(cè)值的噪聲誤差盡可能地降到最低。

8 結(jié)語(yǔ)

GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)需要多個(gè)天線間歇不停的轉(zhuǎn)換，在使用數(shù)據(jù)處理軟件中應(yīng)該特別注意削弱和消除相位周跳的誤差。只要合理地解算，GPS多天線的測(cè)量結(jié)果的精確度完全可以與常規(guī)的GPS測(cè)量結(jié)果相當(dāng)?？偠灾?，GPS技術(shù)不僅能明顯降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本費(fèi)用，它也具有高效率、高精確度、全天候、功能多、操作便捷等眾多特點(diǎn)。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)的日漸成熟，GPS技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣闊，未來(lái)也一定會(huì)出現(xiàn)更好的大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該技術(shù)有著較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：曹慧君（1981-），女，安徽太湖人，供職于國(guó)網(wǎng)江西省電力公司柘林水電廠，研究方向：大壩安全監(jiān)測(cè)。

（責(zé)任編輯：小 燕）