现代水利工程测绘领域中GNSS技术的应用初探

□曹雪梅（新疆额敏县沙拉也木勒河水管所）



现代水利工程测绘领域中GNSS技术的应用初探

□曹雪梅（新疆额敏县沙拉也木勒河水管所）

摘要：水利工程的快速发展，带动了新的测绘技术在水利工程中的应用，其中GNSS技术的发展为现代水利工程测绘工作带来了便利，被广泛应用到现代水利工程测绘领域。文章在阐述GNSS技术含义、原理和特点的基础上，以新疆库尔勒水利工程为例具体分析GNSS技术在水利工程变形监测中的应用。

关键词：现代水利工程；GNSS技术；变形监测技术；测绘

0　前言

伴随信息技术的发展，水利工程建设的测量技术得到了深入的发展，数字化的测绘技术在我国水利工程中得到了广泛的应用，特别是信息通讯和信息技术结合的全球定位系统（GNSS技术）得到了广泛的应用。水利工程以GNSS技术为代表的信息化测绘技术不仅能够帮助其工程服务防洪抗旱，还能对地区水利工程的水量调度、水土流失监测、滑坡预防等提供决策服务意见，从而实现水利工程的稳定运行，提升人们生活质量。

1　GNSS技术的工作测量原理

GNSS技术的工作测量原理主要包括载波相位时差分原理、相对定位原理和绝对定位原理，其中，水利工程采用的是载波相位时差分原理。GNSS技术的载波相位观测信号存在两种频率的正弦波（L1、L2），正弦波在对卫星信号调制后被接收机接受。

2　变形监测技术

2.1变形监测技术含义

变形主要是指变形体在各种因素的影响下，其形状、大小发生的变化，自然界中的变形包括地壳形变、滑坡、大坝变形等。变形严重的情况会对人们生命带来威胁，对国家经济带来损失，由此引起了人们对变形监测技术的关注。变形监测主要是利用专门的仪器和方法，对变形体进行长久、周期的观测，对变形体状态进行分析、预测的工作。水利工程变形监测的内容主要从水平位移、渗透、裂缝等应用于水工建筑物、水库边坡的外部观测和从混凝土应力、钢筋应力、温度等应用于建筑物内部结构的内部观测两个方面进行。

2.2基于GNSS技术的新型变形监测技术

伴随科技的发展，变形监测技术的手段得到更新，形成了多角度、多层面、多技术的自动化立体监测体系，其中GNSS技术实现了对地下观测监测技术的数字化、自动化发展，利用其支持下的有线网络通讯、无线移动通讯和卫星系统能够为水利工程的变形监测信息的实时远程传输提供有保障的技术支持。

2.3 GNSS监测技术

GNSS技术因其全天候观测、无需通视、方便提供三维信息、测量范围大的优势成为变形监测技术测量的主要手段。GNSS技术在基于全球坐标系统变化的条件下能够在不受局部变形的影响下，对全球和全区域内的水利工程所在地球板块的运动提供检测，继而为水利工程所在区域地震监测提供数据支持。GNSS监测技术因其测量范围不受限制以及高速数据采样的优势，能够对水利工程变形进行更好地监测，特别是对于一些滑坡体较为严重的露天矿边坡。

3　GNSS技术在变形监测中的应用

3.1新疆滑坡变形监测概述

新疆地处干旱地区，且水库的建设大多位于地震高发区，但水库的设计标准较低，水库坝体浸润线下的饱和土容易液化，由此导致地震对水库大坝的严重破坏，水库坝体和坝基的渗漏问题严重，坝顶、坝前坡和坝后坡等发生了不同程度的沉陷滑坡，引发滑坡变形。对新疆水库滑坡的检测方法主要包括移动态观测和水动态观测两种。其中，常见的为移动态观测。观测方法体现在以下几种：第一，利用观测网、全站仪对各种测点的平面位移进行测量，并在精密水准仪器的使用下对高程变化进行检测；第二，利用GNSS技术进行监测。

3.2 GNSS技术变形监测数据分析原理

3.2.1数据处理过程

GNSS技术在接收监测数据之后需要通过数据传输系统的软件将数据进行处理，具体流程如图1所示。多数的GNSS技术接收机，收集的数据是记录在接收机的内存里，数据传输通过专用的电缆将接收机和计算机来连接，同时在处理软件的菜单中选择传输数据选项，之后就能将水利工程地震变形观测数据传输到计算机，计算机将数据分流，生成四种数据文件。

图1　GNSS技术数据处理流程图

3.2.2水利工程滑坡监测模型

针对新疆库尔勒水电站在水利工程中的建设重要性以及常规的监测方式在高边坡监测中无法克服的问题，从系统的成本投入和自动化角度出发提出了GNSS技术在水利工程滑坡监测系统中的应用，形成了其无线通讯和远程控制技术集合的库区滑坡安全监测系统，具体数据处理流程如图2所示。在根据数据的分析和处理基础上建立起的库区滑坡变形检测系统基础模型如图3所示。

图2　水利工程滑坡监测模型的数据采集和处理流程图

图3　水利工程滑坡变形检测系统的基础模型图

3.2.3 GNSS技术在变形监测中的特点

GNSS技术已成为监测地壳形变和板块运动的有效手段，水利工程变形监测也逐渐建立了GNSS技术自动监测系统，其优势主要体现在以下几个方面：第一，不需要进行同时通视，和传统的变形监测相比，GNSS技术的检测对于点和点之间不需要进行通视，只需要保持测站区域的上空视野开阔就可以。第二，能够对监测点的三维位移信息进行同时监测。第三，能够全天候进行监测，GNSS技术不受新疆气候的影响，只要配备防雷电设施就可在任何天气条件下进行监测。第四，监测自动化、操作简单。GNSS接收机体积较小，重量较轻，方便人员的安置和操作。同时，监测装置还为用户提供了监测点，能够方便用户对水利工程发展数据的及时获得。

3.2.4 GNSS技术变形监测方法的选择

第一，水利工程滑坡监测中点的分类。新疆水利工程滑坡变形监测选用的是小型的平面控制网，具有专用性、高精度的特点，主要由三个点和两个等级的网组成，三个点包括基准点、工作基点和变形观测点。第二，基准网的设计原则。首先，监测网点要设立在比较稳定的地区，比如滑坡体以外的稳定地区。监测点的数量不要太多，数量控制在能够对整个水利工程的滑坡范围进行控制，其中对监测网图形的强度要求高，要求其符合监测网的精度。其次，监测点因为是布置在滑坡变形体上，因此，布点设计要全面而又重点突出，特别是注意水利工程滑坡体的裂缝、地质分界等方面。监测点的移动要体现滑坡体的移动特点，切忌将其埋设在松散的表层上。最后，可以在滑坡体的稳定地区设置水准点，将其作为高程工作的基点，实现监测系统和高程系统的统一。

3.2.5 GNSS技术变形监测网的设计

首先，在对GNSS技术变形监测网基准点和监测点选定后，要拟定监测方案，具体的监测方案设计如下：第一，实行多台GNSS技术接收机的同步观测；第二，在卫星分布较多的时候进行多期观测；第三，基准点之间以及其和变形点之间的距离不要大于5000 m，在水利工程有条件的地方引入高级的GNSS技术坐标，进而将其作为变形监测网的基准，从而提升基线解算的精度。其次，要对监测网进行布设。监测网的布设要对滑坡形成的条件进行研究，对影响新疆水利工程滑坡稳定的因素进行考虑。其中内部影响因素包括新疆水利工程地区土质状况、岩体结构和地应力等，外部影响因素包括地震、风化、人工开挖、水利工程荷载等。

3.2.6 GNSS技术变形监测数据处理

GNSS技术变形监测数据处理是GNSS监测系统的核心，数据处理水平的高低对水利工程滑坡体稳定性能的判断、分析以及处理具有重要意义。GNSS技术变形监测数据处理主要是对各个监测区域、监测点的原始数据进行采集处理，包括原始数据的输入、处理、检验、设备故障诊断等。

4　总结

综上所述，GNSS技术的发展是对传统测量技术的一种突破性发展，加强了测量和其他学科的交互性，实现了现代化测绘技术的发展，被广泛地应用到各种工程实践中。新疆水利工程由于自身发展的局限，在具体的水利工程工作中存在诸如水资源利用不合理、干旱影响水量挖掘、受土质以及地质灾害影响容易发生滑坡等问题，文章基于GNSS技术在新疆水利工程测绘中的应用，具体分析其在缓解水利工程滑坡方面的作用，从而为新疆水利工程的稳定建设提供支持。

（责任编辑：左英勇）

收稿日期：2015-12-16

中图分类号：TV221; P228

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）03-0084-02