北斗变形监测系统在水电站的应用探究

钱 伟，周 健

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225000）

北斗精密定位系统是我国自主研发的定位系统，在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等领域得到了广泛的应用。北斗系统具有连续、实时、定位精度高、全天候运行、自动化程度高等优点，在很大程度上实现了水电站变形的监测[1]。该监测系统能够直观地显示水电站变形状态，并提供预警指令，对预防水电站变形灾害监测起到了重要作用。

1 北斗变形监测系统在水电站变形监测中的工作原理

基于北斗定位北斗变形监测系统是测量水电站变形的专业监测系统，该系统充分利用北斗卫星定位技术和信息传输技术，与计算机处理软件相结合，实现对水电站变形的准确实时监测。

北斗变形监测系统主要由四部分组成，即参考点、监测点、数据处理中心、远程监测中心和通信网络。其中，参考点承担为监测系统提供参考的任务，监测系统需要建立在相对稳定的基础上[2]。监测点应设在变形发生的关键位置，参考点提供的参考与其收集的数据应能够反映水电站的变形情况。数据处理中心是连接各参考点和监测点的信息处理设备，根据预设的算法处理获得变形信息，从而获得水电站变形的具体数据，并通过通信网络传输至远程监测中心。通信网络是连接参考点、监控点、数据处理中心和远程监控中心的数据传输设施，起到快速、准确传输数据的作用。

北斗变形监测系统的核心部分是系统的软件部分，大致可分为三个部分：数据处理模块、数据传输与存储模块和数据分析模块，负责采集、整理和分析采集得到的数据。在自检并存储本地测试数据、配置参数并实现采样控制后，将获得数据传输到处理服务器。在处理服务器中，数据处理软件将自动计算接收到的数据，并根据处理和统计结果对水电站变形情况进行评估和预警。北斗变形监测系统是监测水电站变形的有力手段，为水电站变形控制提供了充分的信息依据。图1为北斗系统已发射的卫星轨道详情。

图1 北斗系统已发射的卫星轨道详情

2 项目举例

某水库库容4 000万m3，最大蓄水面积可达3 km2，水库为粘土心墙土石坝，坝高40 m，坝顶高程约450 m，坝顶长4 000 m，坝宽8 m，农业灌溉区的蓄水量为20 m3/s。

由于对水电站变形监测的精度要求越来越高，在利用北斗进行监测的同时，应建立北斗监测网，制定合理的水电站变形监测方案，并在北斗观测处理中采用适当的措施和方法，以满足水电站变形监测的要求。为了了解水库水电站的变形程度，确保汛期的安全，在水库上游安装带有八个位移标点的视线，同时在位移标点下方设置了八个水准点。

在坝顶和上下游坝坡上安装30个工作基点、18条视准线和180个地表位移标点，监测主坝的变形程度。在初始设计方案中，有四个倒置装置配合外部变形监测控制网监测工作基点的参考值。由于施工难度大，成本相对较高，很难满足变形要求。经过专家组讨论，该计划被取消。设计常规测量与北斗相结合的方案，定期监测工作基点的参考值或利用北斗监测地表标点的水平位移和垂直沉降位移，并按规定实施观测方法。

3 北斗变形监测系统设计

3.1 基准网设计方案

设计基准网的目的是提高变形监测基准值的精度，以便引入精确地心坐标，减少基准点坐标误差的影响。借鉴我国一些大型水库水电站的北斗变形监测方案，设计变形监测试验基准的观测方案和布设情况，最终确定水库变形监测试验基准网。考虑到水库水电站的优缺点，建立二级水平位移监测网，并在一级参考网上安装特殊的三级北斗网，包括三个工作基点和五个参考点。

3.2 参考网现场观测

在仪器设备方面，采用了五个徕卡350北斗接收机和相应北斗处理软件。对水电站进行监测前，根据库区的水平高度、经纬度，编制卫星几何图形强度预报表和卫星能见度预报表，确定水电站的观测周期。现有五个北斗接收机用于同时监测五个站点的时间段，每个时间段的观测时间应在8 h以上。

在处理观测数据时，首先用软件对现场监测数据进行处理，然后确认数据观测记录正常，保证没有严重的周跳等异常，再进行数据处理和分析；然后进行数据计算，为了降低基线计算误差，提高初始数据的精度，获得高精度的地心坐标，需要相关跟踪站的精确坐标和该跟踪站的观测数据。以水库参考网的一个点和跟踪站的数据求解长基线，保证得到该点的高精度地心坐标，并将该点作为参考网内所有事物基线计算的起点。

4 应用前景

北斗变形监测水电站是北斗定位系统的典型应用，如果用北斗进行水电站变形监测，通常包括两种方法：第一种监测方法是北斗接收机，即定期在指定的监测点进行观察，并对采集的数据进行处理和分析；第二种监测方法是无人北斗监测系统，即把系统安装在监测站，其实时监测和变形分析工作在软件控制下自动完成。第一种方法成本相对较低，但劳动强度相对较大，自动化程度相对较低，无法实时监控；第二种方法不仅可以实时监控，而且自动化程度高。然而，北斗监测系统必须安装在每个监测点，这导致系统建设成本大幅增加。

除上述两种方法外，我国还自主开发了北斗多天线水电站变形监测系统，使北斗接收机与多个天线相连，不仅提高自动化程度，降低了劳动强度，实现实时监测，而且降低成本，验证北斗多天线水电站变形监测系统具有突出的优势。

5 结论

北斗定位技术是一种先进的高科技手段，其可应用于水电站变形监测中。目前，世界上许多国家的水电站都非常重视这种监测方法，并投入人力物力进行研究。目前，我国北斗定位系统已经开始应用到各个领域，极大方便生活和工作。运用北斗定位技术进行水电站变形监测，不但提高了监测精度，还降低了监测成本，促进了水电站变形监测技术的发展。