現(xiàn)代水利工程測(cè)繪領(lǐng)域中GNSS技術(shù)的應(yīng)用初探

□曹雪梅（新疆額敏縣沙拉也木勒河水管所）

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現(xiàn)代水利工程測(cè)繪領(lǐng)域中GNSS技術(shù)的應(yīng)用初探

□曹雪梅（新疆額敏縣沙拉也木勒河水管所）

摘要：水利工程的快速發(fā)展，帶動(dòng)了新的測(cè)繪技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，其中GNSS技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代水利工程測(cè)繪工作帶來(lái)了便利，被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代水利工程測(cè)繪領(lǐng)域。文章在闡述GNSS技術(shù)含義、原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以新疆庫(kù)爾勒水利工程為例具體分析GNSS技術(shù)在水利工程變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代水利工程；GNSS技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)技術(shù)；測(cè)繪

0　前言

伴隨信息技術(shù)的發(fā)展，水利工程建設(shè)的測(cè)量技術(shù)得到了深入的發(fā)展，數(shù)字化的測(cè)繪技術(shù)在我國(guó)水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是信息通訊和信息技術(shù)結(jié)合的全球定位系統(tǒng)（GNSS技術(shù)）得到了廣泛的應(yīng)用。水利工程以GNSS技術(shù)為代表的信息化測(cè)繪技術(shù)不僅能夠幫助其工程服務(wù)防洪抗旱，還能對(duì)地區(qū)水利工程的水量調(diào)度、水土流失監(jiān)測(cè)、滑坡預(yù)防等提供決策服務(wù)意見，從而實(shí)現(xiàn)水利工程的穩(wěn)定運(yùn)行，提升人們生活質(zhì)量。

1　GNSS技術(shù)的工作測(cè)量原理

GNSS技術(shù)的工作測(cè)量原理主要包括載波相位時(shí)差分原理、相對(duì)定位原理和絕對(duì)定位原理，其中，水利工程采用的是載波相位時(shí)差分原理。GNSS技術(shù)的載波相位觀測(cè)信號(hào)存在兩種頻率的正弦波（L1、L2），正弦波在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制后被接收機(jī)接受。

2　變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1變形監(jiān)測(cè)技術(shù)含義

變形主要是指變形體在各種因素的影響下，其形狀、大小發(fā)生的變化，自然界中的變形包括地殼形變、滑坡、大壩變形等。變形嚴(yán)重的情況會(huì)對(duì)人們生命帶來(lái)威脅，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失，由此引起了人們對(duì)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)注。變形監(jiān)測(cè)主要是利用專門的儀器和方法，對(duì)變形體進(jìn)行長(zhǎng)久、周期的觀測(cè)，對(duì)變形體狀態(tài)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)的工作。水利工程變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要從水平位移、滲透、裂縫等應(yīng)用于水工建筑物、水庫(kù)邊坡的外部觀測(cè)和從混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、溫度等應(yīng)用于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部觀測(cè)兩個(gè)方面進(jìn)行。

2.2基于GNSS技術(shù)的新型變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

伴隨科技的發(fā)展，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的手段得到更新，形成了多角度、多層面、多技術(shù)的自動(dòng)化立體監(jiān)測(cè)體系，其中GNSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)字化、自動(dòng)化發(fā)展，利用其支持下的有線網(wǎng)絡(luò)通訊、無(wú)線移動(dòng)通訊和衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?yàn)樗こ痰淖冃伪O(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸提供有保障的技術(shù)支持。

2.3 GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)

GNSS技術(shù)因其全天候觀測(cè)、無(wú)需通視、方便提供三維信息、測(cè)量范圍大的優(yōu)勢(shì)成為變形監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量的主要手段。GNSS技術(shù)在基于全球坐標(biāo)系統(tǒng)變化的條件下能夠在不受局部變形的影響下，對(duì)全球和全區(qū)域內(nèi)的水利工程所在地球板塊的運(yùn)動(dòng)提供檢測(cè)，繼而為水利工程所在區(qū)域地震監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)因其測(cè)量范圍不受限制以及高速數(shù)據(jù)采樣的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)λこ套冃芜M(jìn)行更好地監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)于一些滑坡體較為嚴(yán)重的露天礦邊坡。

3　GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1新疆滑坡變形監(jiān)測(cè)概述

新疆地處干旱地區(qū)，且水庫(kù)的建設(shè)大多位于地震高發(fā)區(qū)，但水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，水庫(kù)壩體浸潤(rùn)線下的飽和土容易液化，由此導(dǎo)致地震對(duì)水庫(kù)大壩的嚴(yán)重破壞，水庫(kù)壩體和壩基的滲漏問(wèn)題嚴(yán)重，壩頂、壩前坡和壩后坡等發(fā)生了不同程度的沉陷滑坡，引發(fā)滑坡變形。對(duì)新疆水庫(kù)滑坡的檢測(cè)方法主要包括移動(dòng)態(tài)觀測(cè)和水動(dòng)態(tài)觀測(cè)兩種。其中，常見的為移動(dòng)態(tài)觀測(cè)。觀測(cè)方法體現(xiàn)在以下幾種：第一，利用觀測(cè)網(wǎng)、全站儀對(duì)各種測(cè)點(diǎn)的平面位移進(jìn)行測(cè)量，并在精密水準(zhǔn)儀器的使用下對(duì)高程變化進(jìn)行檢測(cè)；第二，利用GNSS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析原理

3.2.1數(shù)據(jù)處理過(guò)程

GNSS技術(shù)在接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后需要通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體流程如圖1所示。多數(shù)的GNSS技術(shù)接收機(jī)，收集的數(shù)據(jù)是記錄在接收機(jī)的內(nèi)存里，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)專用的電纜將接收機(jī)和計(jì)算機(jī)來(lái)連接，同時(shí)在處理軟件的菜單中選擇傳輸數(shù)據(jù)選項(xiàng)，之后就能將水利工程地震變形觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)分流，生成四種數(shù)據(jù)文件。

圖1　GNSS技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2.2水利工程滑坡監(jiān)測(cè)模型

針對(duì)新疆庫(kù)爾勒水電站在水利工程中的建設(shè)重要性以及常規(guī)的監(jiān)測(cè)方式在高邊坡監(jiān)測(cè)中無(wú)法克服的問(wèn)題，從系統(tǒng)的成本投入和自動(dòng)化角度出發(fā)提出了GNSS技術(shù)在水利工程滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，形成了其無(wú)線通訊和遠(yuǎn)程控制技術(shù)集合的庫(kù)區(qū)滑坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。在根據(jù)數(shù)據(jù)的分析和處理基礎(chǔ)上建立起的庫(kù)區(qū)滑坡變形檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)模型如圖3所示。

圖2　水利工程滑坡監(jiān)測(cè)模型的數(shù)據(jù)采集和處理流程圖

圖3　水利工程滑坡變形檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型圖

3.2.3 GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的特點(diǎn)

GNSS技術(shù)已成為監(jiān)測(cè)地殼形變和板塊運(yùn)動(dòng)的有效手段，水利工程變形監(jiān)測(cè)也逐漸建立了GNSS技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，不需要進(jìn)行同時(shí)通視，和傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)相比，GNSS技術(shù)的檢測(cè)對(duì)于點(diǎn)和點(diǎn)之間不需要進(jìn)行通視，只需要保持測(cè)站區(qū)域的上空視野開闊就可以。第二，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。第三，能夠全天候進(jìn)行監(jiān)測(cè)，GNSS技術(shù)不受新疆氣候的影響，只要配備防雷電設(shè)施就可在任何天氣條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第四，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、操作簡(jiǎn)單。GNSS接收機(jī)體積較小，重量較輕，方便人員的安置和操作。同時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置還為用戶提供了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，能夠方便用戶對(duì)水利工程發(fā)展數(shù)據(jù)的及時(shí)獲得。

3.2.4 GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)方法的選擇

第一，水利工程滑坡監(jiān)測(cè)中點(diǎn)的分類。新疆水利工程滑坡變形監(jiān)測(cè)選用的是小型的平面控制網(wǎng)，具有專用性、高精度的特點(diǎn)，主要由三個(gè)點(diǎn)和兩個(gè)等級(jí)的網(wǎng)組成，三個(gè)點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)。第二，基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則。首先，監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)要設(shè)立在比較穩(wěn)定的地區(qū)，比如滑坡體以外的穩(wěn)定地區(qū)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不要太多，數(shù)量控制在能夠?qū)φ麄€(gè)水利工程的滑坡范圍進(jìn)行控制，其中對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)圖形的強(qiáng)度要求高，要求其符合監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度。其次，監(jiān)測(cè)點(diǎn)因?yàn)槭遣贾迷诨伦冃误w上，因此，布點(diǎn)設(shè)計(jì)要全面而又重點(diǎn)突出，特別是注意水利工程滑坡體的裂縫、地質(zhì)分界等方面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)要體現(xiàn)滑坡體的移動(dòng)特點(diǎn)，切忌將其埋設(shè)在松散的表層上。最后，可以在滑坡體的穩(wěn)定地區(qū)設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，將其作為高程工作的基點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的統(tǒng)一。

3.2.5 GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

首先，在對(duì)GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)選定后，要擬定監(jiān)測(cè)方案，具體的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)如下：第一，實(shí)行多臺(tái)GNSS技術(shù)接收機(jī)的同步觀測(cè)；第二，在衛(wèi)星分布較多的時(shí)候進(jìn)行多期觀測(cè)；第三，基準(zhǔn)點(diǎn)之間以及其和變形點(diǎn)之間的距離不要大于5000 m，在水利工程有條件的地方引入高級(jí)的GNSS技術(shù)坐標(biāo)，進(jìn)而將其作為變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)，從而提升基線解算的精度。其次，要對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)要對(duì)滑坡形成的條件進(jìn)行研究，對(duì)影響新疆水利工程滑坡穩(wěn)定的因素進(jìn)行考慮。其中內(nèi)部影響因素包括新疆水利工程地區(qū)土質(zhì)狀況、巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力等，外部影響因素包括地震、風(fēng)化、人工開挖、水利工程荷載等。

3.2.6 GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理是GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)處理水平的高低對(duì)水利工程滑坡體穩(wěn)定性能的判斷、分析以及處理具有重要意義。GNSS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，包括原始數(shù)據(jù)的輸入、處理、檢驗(yàn)、設(shè)備故障診斷等。

4　總結(jié)

綜上所述，GNSS技術(shù)的發(fā)展是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的一種突破性發(fā)展，加強(qiáng)了測(cè)量和其他學(xué)科的交互性，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用到各種工程實(shí)踐中。新疆水利工程由于自身發(fā)展的局限，在具體的水利工程工作中存在諸如水資源利用不合理、干旱影響水量挖掘、受土質(zhì)以及地質(zhì)災(zāi)害影響容易發(fā)生滑坡等問(wèn)題，文章基于GNSS技術(shù)在新疆水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用，具體分析其在緩解水利工程滑坡方面的作用，從而為新疆水利工程的穩(wěn)定建設(shè)提供支持。

（責(zé)任編輯：左英勇）

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號(hào)：TV221; P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8853（2016）03-0084-02