GPS技術(shù)在水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

徐雪

摘 要：近年來，GPS技術(shù)憑借其卓越的監(jiān)測(cè)能力，伴隨著其在各大領(lǐng)域的高效利用獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為社會(huì)帶來了很多經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。從中GPS技術(shù)以高精度的監(jiān)測(cè)能力被運(yùn)用于我國(guó)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)中。文章首先簡(jiǎn)要的介紹了GPS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用動(dòng)態(tài)。從GPS在水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)入手，對(duì)其應(yīng)用特點(diǎn)作了細(xì)致的梳理和闡述。接下來，特別地對(duì)于GPS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中的精度影響因素作了具體分析。最后，分步驟詳細(xì)闡述GPS技術(shù)在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的具體實(shí)施方法，并且對(duì)GPS技術(shù)的未來的發(fā)展和趨勢(shì)做出自己的一些研究心得和探討。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；水庫(kù)大壩；變形監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0131-02

Abstract： In recent years， GPS technology with its excellent monitoring ability， along with its efficient use in various fields has achieved considerable development， for the society has brought a lot of economic and social benefits. The GPS technology has been applied to the dam monitoring of reservoirs in China with high precision monitoring ability. Firstly， this paper briefly introduces the development and application of GPS technology. Starting with the application characteristics of GPS in dam deformation monitoring of reservoirs， this paper makes a detailed combing and expounding of its application characteristics. Then， the factors that affect the accuracy of GPS technology in dam deformation monitoring are analyzed in detail. Finally， the paper expatiates in detail the concrete implementation method of GPS technology in the field of reservoir dam monitoring， and makes some research experiences and discussions on the future development and trend of GPS technology.

Keywords： GPS technology； reservoir dam； deformation monitoring； application

如今隨著政府和社會(huì)對(duì)科技的重視力度不斷加強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)的不斷精進(jìn)，測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展變化可謂一日千里。其中全球定位系統(tǒng)（GPS）自面世以來，給整個(gè)測(cè)繪行業(yè)帶了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。當(dāng)下，GPS技術(shù)已經(jīng)在大壩變形監(jiān)測(cè)中得以廣泛的應(yīng)用。日臻完善的GPS技術(shù)以連續(xù)、實(shí)時(shí)、定位精準(zhǔn)高、全天候作業(yè)和自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)使之在水庫(kù)大壩的變形監(jiān)測(cè)中得以較大程度的實(shí)現(xiàn)。GPS技術(shù)可以大大提高水庫(kù)大壩變形檢測(cè)中的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，而且全程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，十分便捷。技術(shù)人員可以及時(shí)獲取測(cè)量結(jié)果，從而了解到滑坡的全方位動(dòng)態(tài)和可能性，掌握滑坡發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，從而解決常規(guī)測(cè)量的弊端[1]。

1 GPS技術(shù)在水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)

GPS之所以能夠在水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用，正因?yàn)槠鋬?yōu)勢(shì)特點(diǎn)與水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)的需求相符合。GPS技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）與傳統(tǒng)測(cè)量方式點(diǎn)與點(diǎn)之間運(yùn)用同時(shí)的監(jiān)測(cè)不同，GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)無需在測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間實(shí)行通視；掃除通視，就節(jié)省了掃除通視障礙的費(fèi)用。（2）GPS技術(shù)能夠提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的三維位移信息。也就是提供3D立體信息。GPS定位對(duì)于坐標(biāo)的計(jì)算是在國(guó)際統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行的。這一特點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)方式的極大突破，傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)平面和高度進(jìn)行測(cè)量，出來的數(shù)據(jù)是2D平面的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方式在監(jiān)測(cè)平面位移和垂直位移時(shí)，需要集合不同的方式方法才可實(shí)現(xiàn)，整個(gè)測(cè)量周期長(zhǎng)，過程繁瑣。工作量大且還容易產(chǎn)生測(cè)量誤差。除此之外，傳統(tǒng)方式由于難以保證測(cè)量點(diǎn)位與實(shí)踐處于相同位置，必然難以準(zhǔn)確分析水庫(kù)大壩的變形情況。而GPS測(cè)量技術(shù)能夠保證測(cè)量結(jié)果的高精準(zhǔn)度。（3）GPS的技術(shù)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候監(jiān)測(cè)，即使遇到天氣不佳或者不利于監(jiān)測(cè)的自然條件也不受影響。并且GPS技術(shù)可以和防雷設(shè)施配備使用，防止雷雨天氣，同樣實(shí)現(xiàn)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。（4）近年來，GPS技術(shù)不斷發(fā)展完善，已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了GPS接收機(jī)的自動(dòng)化，并且體積輕巧，技術(shù)人員安裝和操作都十分簡(jiǎn)便，測(cè)量的時(shí)候可以緩解測(cè)量人員的緊張情緒，降低了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使野外工作不再是一項(xiàng)苦差事，而是輕松愉快的。GPS的監(jiān)測(cè)可以說已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。（5）GPS技術(shù)功能多而強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛到各個(gè)行業(yè)，除了用來測(cè)量和導(dǎo)航以外，同時(shí)還可以運(yùn)用于測(cè)速和測(cè)時(shí)等。

2 GPS在變形監(jiān)測(cè)中的精度影響因素

影響大壩變形的因素主要有以下幾種[3]：（1）靜水壓力。其一，壩體在靜水壓力的作用下，不同的高度會(huì)受到不同的水平推力，最終也會(huì)改變大壩的體形，從而使得壩體的體形會(huì)有相應(yīng)的變形。其二，水庫(kù)水壓以及壩底揚(yáng)壓力對(duì)大壩的作用，也使得壩體有向下游方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得壩體的體形會(huì)有相應(yīng)的變形。其三，水庫(kù)水體自身的重量不可忽視，其重力作用也會(huì)使水庫(kù)庫(kù)底變形，使得大壩有向上游方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得壩體的體形會(huì)有相應(yīng)的變形。（2）溫度變化。位于大壩上下游附近的混凝土?xí)驗(yàn)椴煌募竟?jié)溫度的變化而有所不同。比如說在夏季里，在大壩的上游部分的混凝土因?yàn)槭翘幵谒碌模詿o法被陽(yáng)光照射，溫度自然就會(huì)很低；而大壩下游的混凝土每天都避免不了太陽(yáng)的暴曬，因此下游的混凝土溫度就會(huì)不斷地上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上游的溫度。然而到了冬季，這種情況就會(huì)恰恰相反。這樣的溫度反差現(xiàn)象會(huì)引起大壩上下游的混凝土出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象也是導(dǎo)致壩頂下陷的重要因素。另外對(duì)于一些新建成的大壩來說，本身的混凝土也會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓a(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，也在一定程度上影響了大壩的體形。（3）時(shí)效變化。時(shí)效變化在大壩的施工期間與運(yùn)營(yíng)初期現(xiàn)象是不可避免的，其主要是因?yàn)榛炷恋氖湛s變化以及其他一些建筑材料的變形，還有基礎(chǔ)巖層在荷載作用下的變形而產(chǎn)生的時(shí)效變化。但伴隨著時(shí)間不斷的推移，大壩的整體也會(huì)越趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，時(shí)效變化的現(xiàn)象也會(huì)越來越少。endprint

GPS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，必須要考慮到以上的這些限制因素，還有其對(duì)定位精度的影響。具體需要考慮的情況如下：

于大壩高邊坡位置設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因?yàn)椴糠痔炜帐苷趽?，需要合理設(shè)置衛(wèi)星觀測(cè)的高度截止角，不同截止角對(duì)變形監(jiān)測(cè)精度有無顯著的影響；GPS觀測(cè)在接收機(jī)的選擇問題，雙頻接收機(jī)的成本高于單頻接收機(jī)，那么在選擇上要考慮幾公里范圍內(nèi)，雙頻的觀測(cè)精度是否顯著優(yōu)于單頻接收機(jī)，是否可以選擇單頻接收機(jī)，對(duì)雙頻取而代之。當(dāng)運(yùn)用GPS定位對(duì)接收機(jī)進(jìn)行跟蹤鎖定衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星數(shù)量是否足夠，能夠進(jìn)行整周模糊度解算，而實(shí)行對(duì)大壩的變形監(jiān)測(cè)完成精度標(biāo)準(zhǔn)的具體監(jiān)測(cè)時(shí)間。

3 GPS技術(shù)在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)施方法

GPS技術(shù)在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用和實(shí)施主要有如下幾個(gè)方面[4]：首先，是大壩變形觀測(cè)設(shè)計(jì)。水庫(kù)大壩變形觀測(cè)控制網(wǎng)由引測(cè)網(wǎng)、基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)組成。引測(cè)網(wǎng)是由四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)區(qū)伏擊的兩個(gè)國(guó)家的三角點(diǎn)組成，引測(cè)網(wǎng)的作用在于將國(guó)家三角點(diǎn)坐標(biāo)引至基準(zhǔn)點(diǎn)上，以此確保數(shù)據(jù)結(jié)果能夠有效得以利用于工程中；基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)是指由四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，作用是確保監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定；而水庫(kù)大壩變形觀測(cè)控制網(wǎng)中的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)是由四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)及全部變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，實(shí)行對(duì)水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量作全面的監(jiān)測(cè)。其次，采用GPS網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，一般情況下，觀測(cè)使用GPS接收機(jī)，觀測(cè)時(shí)間大致是120秒。同時(shí)，必須注意的是，有效衛(wèi)星數(shù)要大于等于4。儀器標(biāo)稱精度應(yīng)使用靜態(tài)精度，把誤差控制在3mm之內(nèi)，這是進(jìn)行工程作業(yè)的先提條件，具體的操作必須嚴(yán)格按照作業(yè)的規(guī)章制度來實(shí)施，才能確保有效性。最后是數(shù)據(jù)處理問題。數(shù)據(jù)預(yù)處理之前，首先要對(duì)采集的數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)格式、衛(wèi)星信號(hào)和測(cè)站名等作全面檢查。然后進(jìn)入對(duì)觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)的預(yù)處理程序，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)定。這個(gè)步驟的實(shí)施是為了從根本上對(duì)觀測(cè)成果和定位結(jié)果的高精度給予保證。這一部分的實(shí)施動(dòng)作是對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，以確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

4 對(duì)GPS觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展探究

GPS技術(shù)憑借其突出的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和肯定，隨著GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和精益求精，本章將對(duì)其未來的發(fā)展做出一些研究和探討。首先是采取強(qiáng)制對(duì)中的觀測(cè)墩。采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩的目的是為了達(dá)到保護(hù)水庫(kù)大壩的目的，最大化的避免水庫(kù)大壩變形或損壞。因?yàn)樵谟^測(cè)中，把GPS天線安裝在三腳架上時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)對(duì)中的誤差，誤差值通常在3mm之內(nèi)；同時(shí)GPS觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)引起三腳架暴露在外受日照和風(fēng)吹，從而導(dǎo)致精確度受影響。其次，要選擇和采用抗干擾能力強(qiáng)的天線[5]。GPS測(cè)量技術(shù)采用抗干擾能力較強(qiáng)的天線，把天線按指北方向線作有效定向。目的是為了能夠最大化的降低誤差。因?yàn)镚PS天線相位中心通常不可避免得會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差。因此，出于減少偏差對(duì)基線向量影響的考慮，需要在各個(gè)觀測(cè)墩上明確標(biāo)識(shí)出指北方向線，觀測(cè)時(shí)將天線按定向線進(jìn)行設(shè)置。最后一步是要選取足夠的觀測(cè)時(shí)間以及恰當(dāng)?shù)挠^測(cè)窗口。之所以如此，原因是GPS基線要受到衛(wèi)星星歷誤差很大的影響。而廣播星歷又要受選擇可用性技術(shù)的影響。不同時(shí)刻接收到的廣播星歷，會(huì)出現(xiàn)2度左右的坐標(biāo)方向偏差。所以可以得出結(jié)論，運(yùn)用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)水庫(kù)大壩的時(shí)候，偏差問題不可避免，就必須具備充足的觀測(cè)時(shí)間為條件。尤其是對(duì)基線向量長(zhǎng)的大壩，增加觀測(cè)時(shí)間，對(duì)于減少誤差造成的影響，從而提高水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)的精度十分奏效[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過以上論述可以得出，目前GPS技術(shù)憑借其高精度、高速度的監(jiān)測(cè)能力被運(yùn)用于我國(guó)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)中。GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)化、全天候作業(yè)的監(jiān)測(cè)，保證了對(duì)水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，從而起到了預(yù)防和杜絕安全事故的重要作用。但是由于我國(guó)水庫(kù)大壩有使用年限長(zhǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)壩體下沉、傾斜等現(xiàn)象，應(yīng)該嚴(yán)肅對(duì)待GPS技術(shù)應(yīng)用的不完善，所以也有待相關(guān)從事人員能夠在認(rèn)真結(jié)合水庫(kù)大壩的實(shí)際情況下再展開GPS技術(shù)的應(yīng)用，為水庫(kù)大壩工程的實(shí)施提供更多的安全保障和技術(shù)保證。相信隨著技術(shù)研發(fā)能力的不斷提高，會(huì)有更好的GPS技術(shù)應(yīng)用到水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中。

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