全球定位系統(tǒng)（GPS）技術在水利工程中的應用

艾斯克爾·努爾

（新疆阿克蘇地區(qū)水利水電勘測設計院，新疆 阿克蘇 843000）

全球定位系統(tǒng) （GPS）的產生和推廣應用，使水利工程在建設或運營過程中在短時期內獲得大量準確、及時的測量數(shù)據和信息成為了可能，大幅提高了工程測量工作的效率，而且也為運營過程中的水利建筑結構進行實時安全健康監(jiān)測提供了技術保障。一般情況下，GPS系統(tǒng)主要由3部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分及用戶設備［1］?？臻g部分由24顆GPS衛(wèi)星組成，衛(wèi)星均勻地分布在20200 km高的6個空中軌道上，其運行周期接近12 h，可確保在地球上的任何地方、任何時間上都至少能夠同時觀測到其中的4顆衛(wèi)星；系統(tǒng)地面監(jiān)控部分主要由監(jiān)測站、主控站和注入站等部分構成，其主要功能是完成對上空軌道衛(wèi)星的監(jiān)視，及時獲取衛(wèi)星傳送的測量數(shù)據以及將衛(wèi)星的星歷信息注入衛(wèi)星的存貯系統(tǒng)等；用戶設備主要包括有GPS接收機，運用空間距離交會的原理方法接受數(shù)據信息，接收機在接受到軌道衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據信號并經相應的數(shù)據處理后，即可快速求解出測量對象的基線向量及其點位坐標［1］。GPS測量技術以其特有的全球性、全天候、高精度、測站間無需通視等突出特點，其在水利工程中的推廣應用必將為水利工程的測量施工帶來一次革命性的發(fā)展。

1 GPS在水利工程中的應用

水利工程項目的建設實施，無論在設計階段還是施工建設期間、項目竣工驗收，甚至在整個后期安全運營健康監(jiān)測和環(huán)境質量監(jiān)測等方面，均需要測量部門或單位能夠快速、準確地提供各方面的高精度測量數(shù)據和信息，如果采用以往傳統(tǒng)的測量方法和手段進行測量作業(yè)，在一些測量條件相對困難的地區(qū)傳統(tǒng)的測量方法和使用的測量儀器將難以保證數(shù)據信息的高標準精度要求，因為采用傳統(tǒng)的測量方法和儀器進行人工測量作業(yè)時，工作效率相對低下，而且當需要快速獲得水利工程在某個區(qū)域的實時變化情況時，比如需要立刻進行某水庫大壩在超水位蓄洪期間的壩體變形監(jiān)測，這是采用傳統(tǒng)測量方法和儀器難于解決的問題，但GPS測量技術的出現(xiàn)和應用將使上述難題迎刃而解，現(xiàn)就GPS測量技術在水利工程測量中的實際應用進行相應的探討。

1.1 渭干河流域水下地形測量

渭干河流域河道分布長達數(shù)百公里，沿江城鎮(zhèn)眾多、人口分布密集，因此，在大力建設和推進發(fā)展沿江區(qū)域經濟帶的進程中，對渭干河河道治理的意義顯得尤為重要。測量并繪制出水道的水下地形圖，可直觀反映出河道在長期的水流與河床相互作用過程中河道地形平面和高程所積累產生的變化，是河道整治工程中制定防洪保坍方案和長期防洪規(guī)劃的重要資料和參考依據。在渭干河流域中下游干流河道，由于受變化水流的長期持續(xù)作用，河道地形也不斷變化，因此需要我們定期地監(jiān)測其水道地形變化的實際情況。聯(lián)合采用GPS 接收機與測深儀，將河道區(qū)域內的每個測控點三維坐標數(shù)據輸入系統(tǒng)中并通過相應的軟件處理后，就可獲得相應水道的水下地形數(shù)字化地形圖，河道治理設計時設計人員使用C A D作圖想要調用時也十分方便。在過去采用傳統(tǒng)測量方法和儀器進行測量時，在防汛期間執(zhí)行抗洪搶險任務時，由于河水水位大幅上升使得原來架設在大堤上的測站經常被堤外防浪林遮住通視視線導致難以觀測到，裝載測深儀的測量船就不能快速地完成測量任務。使用GPS測量技術，則可以不受這些客觀條件的影響，可通過在現(xiàn)場布置好的測點快速獲得測量數(shù)據并生成圖像及時進行對比分析，為搶險現(xiàn)場指揮決策提供必要、及時的險工險段監(jiān)測報告，同時也可以傳送至相關防汛指揮部門，為防汛搶險工作的統(tǒng)一調度提供重要的實際信息參考。使用GPS定位系統(tǒng)進行水道地形圖測量，只需在配套使用的測量軟件界面上輸入河道測控區(qū)域范圍內各個測驗斷面左、右岸的坐標和每條施測垂線的坐標位置，安裝好GPS接收機的測量船在行駛觀測過程中就能直觀看到自己位置的變化情況，同時也能夠隨時準確地定位在既定點進行測量工作。利用GPS定位測量技術可以在長江防汛期間及時獲得十分重要的測量信息，這無論對每年新疆防汛總調度還是制定今后長期的渭干河流域沿岸防洪規(guī)劃都具有十分重要的意義。

1.2 新疆吐鄯托盆地某大型水庫測量

新疆吐鄯托盆地某大型水庫修建于上世紀60年代，是我國建造的一座集防汛、灌溉和發(fā)電于一體的大型水庫，在長期運行后需要對其進行除險加固處理。在該水庫的除險加固項目實施過程中，需要對庫區(qū)進行全面的測量，掌握庫區(qū)水域的淤積現(xiàn)狀和庫區(qū)當時設置的高、低水位線實際淹沒面積，以準確計算出整個水庫庫區(qū)的儲水容積，為大壩加固工程的設計提供必要的參考數(shù)據，同時對制定庫區(qū)在防汛期間的突發(fā)緊急預案也具有重大意義。但是，該庫區(qū)范圍內現(xiàn)在已變得林木茂盛、山嶺疊嶂，修建當年埋設的測量控制點大多數(shù)也均被損毀，如采用傳統(tǒng)的大地測量方法進行觀測，為了滿足各控制測點之間相互通視的條件，需要在庫區(qū)范圍內砍伐大量樹木以布設相應的基本控制網，施工作業(yè)工期長、勞動強度大，難于滿足庫區(qū)加固工程的進度要求。采用GPS測量技術對其進行觀測，設計和布點都相對方便，同時也能夠顧及到后續(xù)測量作業(yè)的需要。由于安裝在測量船上的GPS接收機可直接從衛(wèi)星傳送的信號中獲取各測點的三維定位信息，布設的測控網中各點之間不存在逐點推算，所以也就不存在誤差積累，為高精度完成測量工作打下了堅實的理論基礎。

進行實際測量時，采用D GPS實時差分動態(tài)定位技術，選擇可兼顧到周邊測控點的位置架設基準站，在進行水域內水下地形測量的同時，也充分發(fā)揮接收機的R TK功能［2］，配合使用全站儀對水庫岸線和岸線附近具有一定高程的重要陸上地形進行觀測，各種測量數(shù)據輸入計算機后通過相應配套專用軟件的處理，即可直接生成數(shù)字化的地形圖，同時也為工程設計單位提供了庫區(qū)面積和容積曲線，使設計單位及時獲得準確的庫區(qū)實測資料以確保水庫的安全運營和發(fā)揮最大的經濟效益提供了第一手實測資料。

2 應用中存在的問題

GPS定位測量技術應用于水利工程的各種項目測量，已經取得了許多試驗研究成果和現(xiàn)場實測實踐經驗。但在現(xiàn)階段，在分布有高山峽谷、地下埋深較大的建筑物以及密林深處，由于衛(wèi)星傳送信號的削弱以及多路徑傳輸效應的影響，在某些特殊區(qū)域其測量精度不夠高，甚至在某些地區(qū)也無法進行監(jiān)測作業(yè)。尤其在海洋水利工程項目中，其巨大的水域面積對衛(wèi)星信號接收過程中的多路徑效應較嚴重［3］，是制約GPS定位測量技術在海洋水利工程項目中推廣應用的一個重要因素。

3 結 語

GPS定位測量技術以其連續(xù)、實時、快速、準確和自動化、智能化程度高等眾多優(yōu)點，在水利工程項目及災害監(jiān)測中的應用將越來越普遍。但在使用過程中，應當對如何提高其在垂直位移上的監(jiān)測精度進行深入研究，使之能與水平方向的位移監(jiān)測精度相匹配；在大面積水域范圍內如何降低衛(wèi)星信號接收過程中的多路徑效應，從而使GPS測量技術在水利工程測控中的作用能夠得到更有效地發(fā)揮。

［1］李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據處理 ［M］.武漢：武漢大學出版社，2005

［2］盧萍.GPS—R T K技術在水利工程放樣中的應用 ［J］.水利電力機械，2007，（11）：145

［3］李征航，吳云孫，李振洪等.隔河巖大壩外觀變形數(shù)據的處理和分析 ［J］.武漢測繪科技大學學報，2000，（06）：25