GPS测量技术在水库测量中的应用分析

邵 燕

（乌鲁木齐水业集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830049）

0 引言

随着科学技术的发展，水利工程测量技术不断进步，GPS测量技术在水利工程测量中的应用越来越广泛。在水利工程测量中应用GPS测量技术有着诸多优势，其主要表现为效率高、成本低、精度高，无需通视等。目前，RTK实时动态差分法可以在数秒内获得由基准站所发出的GPS高精度定位数据，在未来水利工程测量中，GPS测量技术有着广阔的应用前景。

1 工程概况

乌拉泊水库是乌鲁木齐河中游的一座兰河水库，该水库于1961年8月建成并投入使用，水库主要建筑物包括大坝、放水涵洞、泄水渠、溢洪道等组成部分。水库大坝长1050 m，坝顶高程1089.6 m，防浪墙高1.2 m，墙顶高程1090.8 m，坝顶宽6 m，最大坝高27.6 m。该水库先后经历过4次除险加固，前期一直未设置大坝表面变形观测设施，本次除险加固结束后，在坝顶布设11个观测横断面，用于观测大坝的水平位移和垂直位移，监测大坝表面变形状态。

2 GPS测量技术特点以及注意事项

2.1 GPS测量技术特点

GPS技术是一种无线式的导航系统，其工作原理是通过从GPS全球定位系统中卫星发射的信息进行工作。GPS测量技术主要有以下几点优势：定位的精度高、观测耗时较短，并且测站之间不需要进行通视，且在测量时能够提供三维坐标，方便操作。除此之外，GPS技术的续航能力十分出众，能够进行全天候野外作业。同时，其自动化水平也是其他测量技术无法比拟的，测量人员在使用上易于上手。

2.2 GPS测量技术注意事项

（1）防止恶劣冰雪气象环境干扰GPS测量

恶劣冰雪天气、环境会对GPS测量形成干扰，甚至导致GPS测量设备无法接收到卫星提供的坐标信息数据。除此之外，测量工程所处的环境也会对测量形成干扰，特别是大面积的水域或者高大树木的遮挡都会对GPS测量形成干扰，影响测量精度。因此，在进行GPS测量时应该尽量选择在天气条件良好，并且在测量时应该避开大面积的水域或高大树木或者建筑物的干扰，提高精确度。

（2）GPS测量设备的两级组网不能单独测量

在测量时由于受到GPS测量设备的续航条件的限制，常常导致测量时测量到一半而不得不终止测量。因此，在进行测量时应该连续进行测量，不能只对其中的一组网进行单独测量，否则会导致数据无法衔接。

（3）测量设备故障与功能指示标志容易混淆

GPS测量设备的功能指示灯常常与故障灯混淆，导致设备出现故障时无法在第一时间确认其是否出现故障。在进行三级网测量时，GPS测量设备TRK初始化时，其指示灯为红色，而测量设备出现故障时其指示灯也是红色。

3 GPS测量技术在乌拉泊水库测量中的应用

3.1 水库大坝监测网布设

在对乌拉泊水库进行监测时，主要采用了GPS自动监测技术对水库大坝进行了安全监测。监测人员根据乌拉泊水库大坝的实际情况和设计规范，将综合标点作为位移观测标点，水库大坝位移观测分别进行了水平位移观测和竖向位移观测，本次水库安全监测采用的是网连式。测量人员在大坝坝顶一共布设了11个观测横断面22个观测墩，桩号分别为0+064、0+117、0+275、0+400、0+528、0+558、0+588、0+660、0+728、0+800 和 0+850，每个断面在坝顶防浪墙上游侧和下游侧各设1个测点。坝下游布设 4 个工作基点（K1、K2、K3、K4）。在监测时因为距离较短无法满足GPS测量精度要求的，监测人员必须按照专用平面控制网进行加密网布设，起算数据为首级基准网点。通过间隔点法增加观测网相邻间距。

3.2 仪器选择及检验

本次乌拉泊水库测量中，测量仪器选用的是拓普康公司生产的GPS设备，该设备是HiPer GA型双频接收。该GPS设备的测距标称准确度为3 mm+0.5×10-6D(D为实测距离，单位mm)；强制对中装置选用四川飞翔F-1A型通用强制对中底盘。GS09天线上有发光二级管指示器，这些指示器能够指示基本的天线状态。在测量时，测量人员根据指示灯的显示颜色，就可以判断GPS设备当前的工作状态。GPS测量设备的指示灯状态见表1。

表1 GPS测量设备指示灯颜色与状态对应一览表

3.3 GPS外业测量

为提高水库监测资料的连续性和准确性，在监测时测量人员必须建立与原坐标系统一致的GPS变形监测坐标系，然后通过国家三角点实施首级变形监测网坐标传递。监测人员首先应该按照实际需求设置GPS观测控制指标，具体操作如下：

（1）卫星高度截止角不小于15℃；

（2）同时观测卫星有效个数大于等于4个；

（3）有效观测卫星总数大于等于4个；

（5）观测时段大于等于90 min；

（6）采样间隔为30 s；

（7）GDP小于等于6个；

（8）任一卫星有效观测时段大于等于15 min。

其次，乌拉泊水库的测量人员在新疆水利水电科学研究院的协助下，从新疆水利水电学院获取了4个控制点以及22个观测墩的初始值。但是在多次测量中，测量人员解算的数据与原始数据始终存在100多米的差距。为了能够得到更加准确的数据，乌拉泊水库的测量人员在新疆地震局的专业技术人员的帮助下，测量人员对乌拉泊水库测量进行了改进和优化，具体内容如下：

（1）测量中的优化网型布置及测量时长

测量人员对乌拉泊水库的网型进行了重新布置和优化，重新优化后其网型共分为一、二、三级网，并且规定了每级网的测量时长。一级网主要包括四个控制点K1、K2、K3、K4，每次测两个小时，测满两小时后关机，再开机测两小时；二级网主要是从22个观测墩中选取了4个观测墩和4个控制点组成了三个四边形的网型，每组测2小时；三级网包括坝顶上的11组观测墩，每组测1.5 h。最先开机的最后关机，要充分保证每级网测量的测量时长。

（2）优化调整部分GPS设置内容

①将GPS的采样率设置，从原先的10 s提高至30 s；

②高度角设置修改为15。

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③附加输出——“残差”；

④自动处理——“基线重算”；

⑤投影——中央子午线——“9改87”；

⑥带宽——“3.00.0”。

3.4 GPS数据处理

为了对GPS观测数据基线向量和观测结果质量进行校对，测量人员必须对获取的GPS数据进行预处理，并且结合预处理结果分析测量结果的准确性和精度。测量人员使用Leica Geo Office处理软件对本次GPS数据进行了坐标转换等处理，GPS的具体处理步骤如下：

（1）新建项目与原始数据输入；

（2）基线处理；

（4）坐标转换；

（5）困难数据分析及处理。

3.5 GPS数据结果分析

（1）各观测点左右岸方向位移

在乌拉泊水库的主坝段(0+064—0+528)m，其中4组观测墩均两两左右岸同方向发生位移；另外TP2、TP3、TP4这三组均向右岸发生了位移，TP5、TP16这一组均向左岸发生了位移；副坝段(0+558—0+850)m，TP6、TP17这一组观测墩均同向左岸发生了位移，TP10与TP21这一组观测墩是反方向发生位移的。

（2）各观测点上下游方向位移

乌拉泊水库从总体上看,主坝段（0+064—0+528）断面上、下游两观测墩位移较大,主坝段5组观测墩均同向下游发生了位移，副坝段TP6、TP17这一组同向下游发生了位移，TP10、TP18这两个观测墩与原始值相比为无变化，（TP8、TP9、TP11）这三组上下游观测墩是反方向发生位移的。副坝段位移相对主坝段要小。详细数据见表2。

表2 22个观测墩水平位移方向

4 结语

综上，在本次对乌拉泊水库的测量中，各测点的观测值与原始值之间的变化除个别点较大外，其余测点的变化均在毫米之间。从总体上讲乌拉泊水库大坝虽然发生了一定的位移，但是其稳定状态并没有受到较大影响。