GPS技术与数据处理在水利水电工程变形监测中的应用

2016-03-12新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局

河南水利与南水北调 2016年5期

□魏　波（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

□魏波（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

摘要：测量工作是水利水电工程建设中重要的组成部分，目前随着人们对水利水电工程测量要求的不断提高，致使传统测量方法日渐显现出难以满足当下水利水电工程发展的需求，因此需要不断提升目前水利水电工程中的测量技术水平。GPS（全球定位系统）具有全天候、速度快以及精准度高等优点，日渐表现出在水利水电工程测量工作中的重要作用，并且仍在日益完善。文章主要对GPS技术和数据处理方法在水利水电工程变形监测中的相关技术、优点、实际应用等进行研究，以期为相关工作提供有效参考。

关键词：水利水电工程；GPS技术；数据处理；测量

0前言

水利水电工程是我国重要的基础建设之一，加强水利水电工程建设，能够使其在灌溉、防洪、发电等方面发挥重要作用。其中勘察测量工作是水利水电工程中重要的一环，只有测量出准确数据，才能够使工程建设顺利开展。而测绘工作的精准度，会对工程后续作业质量产生严重影响，因此必须加强测量工作的准确度，尽可能降低测量值与实际值的误差，从而确保工程设计水平和工程施工质量。随着科学技术的不断发展，GPS技术的出现为水利水电工程测量工作提供了极大便利，并且弥补了传统测量技术的不足。文章主要从以下几个方面对GPS技术与数据处理在水利水电工程变形监测中的应用进行分析。

1GPS技术概述

GPS技术即为全球定位系统，其最早出现于20世纪60年代，最初作用为美国军方用于获取军事情报的手段，随着其作用的不断扩展，使其逐渐在其他领域发挥重要作用。该系统主要由用户设备、地面控制以及空间部分组成，其中用户设备主要是通过GPS信号接收器对卫星进行跟踪，并对其进行分析处理，从而获得追踪位置的三维坐标；而地面控制则主要是对从卫星传送回来的信息进行接收与处理，可分为天线、监测站、主控制站等；空间部分则主要通过24颗卫星对地球表面进行全方位观测。在GPS系统中主要有授时、测量和导航三大功能，其具有诸多突出优势，如能够全天候作业；可得出三维坐标；适用领域和范围广泛；操作方法简单便捷；定位具有较高定位准确度；减少观测时间；各站间无需通视，不受地域限制；除此以外，GPS技术还可对时间、速度进行检测，具有较高的自动化程度。随着科学技术的日渐进步和完善，GPS技术将日益向智能化发展，使其工艺更加简单便捷，测量精准度不断提高。

2 GPS水利水电工程变形监测

变形监测主要是对不同观测周期之间变形敏感部位和观测点的变形信息进行监测的工作，当变形在合理范围内时，属于正常现象，而当变形超出了合理范围，则属于异常现象，会对建筑物安全造成严重威胁，从而使建筑物正常使用受到影响，给人们日常生活造成影响。变形观测通常要求其精确度达到亚毫米至毫米之间，常规监测技术主要以水准测量方式实行沉降监测，期间需根据水利水电工程允许变形值的大小和目的，使用三角测量法对地基整体的倾斜和位移进行监测。而对点的变形值主要使用测距仪、经纬仪、水准仪、全站仪等常规测量仪器进行测定，其具有适用于各种环境、各种监测精确度要求、各种形式变形体，能够得出绝对变形信息和变形形态的优点；但与此同时，上述仪器还具有布点局限于地形条件、外业工作繁重、观测时间较长、无法实现全自动化监测的缺点。而在GPS出现并应用于水利水电工程变形监测后，其可实现全自动化采集、变性分析和处理数据的目的。

3 GPS相对定位技术分析

GPS在测量作业中主要使用相对定位技术，该技术主要利用两台GPS接收器来对同一颗GPS卫星进行同步观测，将其分别在基线的两端进行安装，以确定基线端点和向量的相对位置。基于基本观测基础上进行基线解算，首先建立观测量和基线向量的关系，之后通过最小二乘解算出其精确度和基线向量。在GPS观测过程中，由于卫星钟差、卫星轨道误差、大气折射误差、电离层误差以及接收器钟差等因素，在进行同步观测时，这些误差之间可能会存在不同程度的相关性，如流层和钟差等，因此为避免误差造成的影响，需对基本测量数据进行观测量频率不同的差分处理或线性组合。

4 GPS技术的优点

4.1定位高度精准

当下的GPS在测量基线作业中的精确度已得到不断提升，其中GPS的高程精确度已达到毫米级，静态定位精确度达到了亚毫米级；而其动态定位精确度也上升到了厘米级，极大满足了不同工程的测量标准要求，整体精准度提升了一个层次。例如，在大型构建物和各种工程的变形监测中，通过对模型进行数据处理和特殊的观测、星历措施后，其高程精确度可维持在1 mm左右，平面精确度也可实现亚毫米级。

4.2观测时间缩短

随着技术水平的不断提升以及系统的日渐完善，使得变形监测时间结构也得到有效改善，极大地缩短了监测时间。在开展静态相对定位模式过程中，在进行20 km内基线观测时，观测时间在双频接收器处理后，只需20 min即可完成；而在开展快速静态定位模式过程中，当各个流动站与基准站仅距离15 km，其观测时间最长只需2 min，最短仅需1 min。

4.3各测量站无需通视

在传统测量作业中，对通视具有较高要求，需进行大规模规标构建后，才实施测量作业，这给测量作业具体实施造成了极大局限。GPS的出现和应用，突破了这一局限性，无需进行各测量站之间的通视以及大规模构建规标，只需确保测量站空间开阔，即可与卫星进行通视。

5 GPS在水利水电工程变形监测中的准备措施

在以往的GPS定位技术中，其定位精准度主要以厘米级或毫米级为主，随着GPS定位技术在水利水电工程变形监测中的广泛应用和不断完善，其对于数据的采集、处理、分析和传送等均不断简化和自动化，但其中定位的精确度和可靠性仍是人们关注的主要问题。因此，为减少定位误差和提高定位精准度，应开展如下准备措施：使用恰当方法对测量噪声造成的影响进行消除，如卡尔曼滤波、小波变换等方法；对观测时间与观测方案进行有效控制，以减少具有干扰性的卫星图形强度影响至定位准确度；使用可靠性较高的全球地心坐标，以确保基线结算的精确度；使用良好的扼流圈天线和布设有效的监测点，以减少对多路径效应造成的影响；使用精准度较高的基线解算软件，以确保整周模糊度计算的精确度；使用精密度较高的星历，以减少卫星星历误差造成的影响。

6 GPS技术和数据处理在水利水电工程变形监测中的具体应用

在水利水电工程竣工后或施工过程中，可能会出现沉降、滑移以及变形等现象，因此需对造成这些现象的原因进行研究分析，并进行实时测量，当发现地基、堤坝等部位出现缺陷、裂缝等现象时，则应及时予以解决。GPS技术是当下解决这些问题的主要手段，在变形部位选择测定点，并进行定位机安装，同时在大坝周围相应部位选择若干基准点，并进行定位机安装，从而可使数据处理中心从测定点获取实时信号，通过计算后可得出有效的数据。在进行水下地形观测时，可将GPS接收器放置于两个选定好的测点，在信号获取后传送回数据处理中心，经过计算可得出水下水流速度、深度等有效参数，从而绘制出准确度较高的水下地形图。