全球定位系统（GPS）技术在水利工程中的应用

艾斯克尔·努尔

（新疆阿克苏地区水利水电勘测设计院，新疆 阿克苏 843000）

全球定位系统 （GPS）的产生和推广应用，使水利工程在建设或运营过程中在短时期内获得大量准确、及时的测量数据和信息成为了可能，大幅提高了工程测量工作的效率，而且也为运营过程中的水利建筑结构进行实时安全健康监测提供了技术保障。一般情况下，GPS系统主要由3部分组成：空间部分、地面监控部分及用户设备［1］。空间部分由24颗GPS卫星组成，卫星均匀地分布在20200 km高的6个空中轨道上，其运行周期接近12 h，可确保在地球上的任何地方、任何时间上都至少能够同时观测到其中的4颗卫星；系统地面监控部分主要由监测站、主控站和注入站等部分构成，其主要功能是完成对上空轨道卫星的监视，及时获取卫星传送的测量数据以及将卫星的星历信息注入卫星的存贮系统等；用户设备主要包括有GPS接收机，运用空间距离交会的原理方法接受数据信息，接收机在接受到轨道卫星发来的数据信号并经相应的数据处理后，即可快速求解出测量对象的基线向量及其点位坐标［1］。GPS测量技术以其特有的全球性、全天候、高精度、测站间无需通视等突出特点，其在水利工程中的推广应用必将为水利工程的测量施工带来一次革命性的发展。

1 GPS在水利工程中的应用

水利工程项目的建设实施，无论在设计阶段还是施工建设期间、项目竣工验收，甚至在整个后期安全运营健康监测和环境质量监测等方面，均需要测量部门或单位能够快速、准确地提供各方面的高精度测量数据和信息，如果采用以往传统的测量方法和手段进行测量作业，在一些测量条件相对困难的地区传统的测量方法和使用的测量仪器将难以保证数据信息的高标准精度要求，因为采用传统的测量方法和仪器进行人工测量作业时，工作效率相对低下，而且当需要快速获得水利工程在某个区域的实时变化情况时，比如需要立刻进行某水库大坝在超水位蓄洪期间的坝体变形监测，这是采用传统测量方法和仪器难于解决的问题，但GPS测量技术的出现和应用将使上述难题迎刃而解，现就GPS测量技术在水利工程测量中的实际应用进行相应的探讨。

1.1 渭干河流域水下地形测量

渭干河流域河道分布长达数百公里，沿江城镇众多、人口分布密集，因此，在大力建设和推进发展沿江区域经济带的进程中，对渭干河河道治理的意义显得尤为重要。测量并绘制出水道的水下地形图，可直观反映出河道在长期的水流与河床相互作用过程中河道地形平面和高程所积累产生的变化，是河道整治工程中制定防洪保坍方案和长期防洪规划的重要资料和参考依据。在渭干河流域中下游干流河道，由于受变化水流的长期持续作用，河道地形也不断变化，因此需要我们定期地监测其水道地形变化的实际情况。联合采用GPS 接收机与测深仪，将河道区域内的每个测控点三维坐标数据输入系统中并通过相应的软件处理后，就可获得相应水道的水下地形数字化地形图，河道治理设计时设计人员使用C A D作图想要调用时也十分方便。在过去采用传统测量方法和仪器进行测量时，在防汛期间执行抗洪抢险任务时，由于河水水位大幅上升使得原来架设在大堤上的测站经常被堤外防浪林遮住通视视线导致难以观测到，装载测深仪的测量船就不能快速地完成测量任务。使用GPS测量技术，则可以不受这些客观条件的影响，可通过在现场布置好的测点快速获得测量数据并生成图像及时进行对比分析，为抢险现场指挥决策提供必要、及时的险工险段监测报告，同时也可以传送至相关防汛指挥部门，为防汛抢险工作的统一调度提供重要的实际信息参考。使用GPS定位系统进行水道地形图测量，只需在配套使用的测量软件界面上输入河道测控区域范围内各个测验断面左、右岸的坐标和每条施测垂线的坐标位置，安装好GPS接收机的测量船在行驶观测过程中就能直观看到自己位置的变化情况，同时也能够随时准确地定位在既定点进行测量工作。利用GPS定位测量技术可以在长江防汛期间及时获得十分重要的测量信息，这无论对每年新疆防汛总调度还是制定今后长期的渭干河流域沿岸防洪规划都具有十分重要的意义。

1.2 新疆吐鄯托盆地某大型水库测量

新疆吐鄯托盆地某大型水库修建于上世纪60年代，是我国建造的一座集防汛、灌溉和发电于一体的大型水库，在长期运行后需要对其进行除险加固处理。在该水库的除险加固项目实施过程中，需要对库区进行全面的测量，掌握库区水域的淤积现状和库区当时设置的高、低水位线实际淹没面积，以准确计算出整个水库库区的储水容积，为大坝加固工程的设计提供必要的参考数据，同时对制定库区在防汛期间的突发紧急预案也具有重大意义。但是，该库区范围内现在已变得林木茂盛、山岭叠嶂，修建当年埋设的测量控制点大多数也均被损毁，如采用传统的大地测量方法进行观测，为了满足各控制测点之间相互通视的条件，需要在库区范围内砍伐大量树木以布设相应的基本控制网，施工作业工期长、劳动强度大，难于满足库区加固工程的进度要求。采用GPS测量技术对其进行观测，设计和布点都相对方便，同时也能够顾及到后续测量作业的需要。由于安装在测量船上的GPS接收机可直接从卫星传送的信号中获取各测点的三维定位信息，布设的测控网中各点之间不存在逐点推算，所以也就不存在误差积累，为高精度完成测量工作打下了坚实的理论基础。

进行实际测量时，采用D GPS实时差分动态定位技术，选择可兼顾到周边测控点的位置架设基准站，在进行水域内水下地形测量的同时，也充分发挥接收机的R TK功能［2］，配合使用全站仪对水库岸线和岸线附近具有一定高程的重要陆上地形进行观测，各种测量数据输入计算机后通过相应配套专用软件的处理，即可直接生成数字化的地形图，同时也为工程设计单位提供了库区面积和容积曲线，使设计单位及时获得准确的库区实测资料以确保水库的安全运营和发挥最大的经济效益提供了第一手实测资料。

2 应用中存在的问题

GPS定位测量技术应用于水利工程的各种项目测量，已经取得了许多试验研究成果和现场实测实践经验。但在现阶段，在分布有高山峡谷、地下埋深较大的建筑物以及密林深处，由于卫星传送信号的削弱以及多路径传输效应的影响，在某些特殊区域其测量精度不够高，甚至在某些地区也无法进行监测作业。尤其在海洋水利工程项目中，其巨大的水域面积对卫星信号接收过程中的多路径效应较严重［3］，是制约GPS定位测量技术在海洋水利工程项目中推广应用的一个重要因素。

3 结 语

GPS定位测量技术以其连续、实时、快速、准确和自动化、智能化程度高等众多优点，在水利工程项目及灾害监测中的应用将越来越普遍。但在使用过程中，应当对如何提高其在垂直位移上的监测精度进行深入研究，使之能与水平方向的位移监测精度相匹配；在大面积水域范围内如何降低卫星信号接收过程中的多路径效应，从而使GPS测量技术在水利工程测控中的作用能够得到更有效地发挥。

［1］李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理 ［M］.武汉：武汉大学出版社，2005

［2］卢萍.GPS—R T K技术在水利工程放样中的应用 ［J］.水利电力机械，2007，（11）：145

［3］李征航，吴云孙，李振洪等.隔河岩大坝外观变形数据的处理和分析 ［J］.武汉测绘科技大学学报，2000，（06）：25