GPS在水利工程中的应用与分析

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摘要：水利工程是国家的经济命脉,提高其工作效率、保障其安全运营是头等大事。全球定位系统以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在水利工程中的应用越来越广泛。本文概述了gps技术及其特点和在水利工程中的应用现状,然后对目前GPS在水利工程应用中存在的问题进行了分析,最后展望了GPS技术在水利工程中的应用前景。

关键词：GPS;水利工程;应用现状;存在问题;应用前景

全球定位系统是美国从上世纪70 年代开始研制,于1994 年全面建成,具有在海陆空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息,它充分利用全球24 颗导航定位卫星系统来提供全天候长期连续全免费的标准定位服务(SPS) 。GPS由3 部分组成: ①空间部分由24 颗GPS卫星组成,卫星以6 个轨道均匀地分布在20200 km的高空中,运行周期约为12 h ,可以保证在全球的任何位置、任何时间均可以同时观测到4 颗以上卫星; ②地面监控部分由监测站、主控站和注入站组成,主要完成对卫星的监视对卫星数据的获取以及将卫星星历注入卫星的存贮系统等功能; ③用户设备主要是GPS接收机,接收机采用空间距离交会的方式,在接受到卫星发来的信号后经过数据处理即可解算出基线向量以及点位坐标。

GPS具有以下特点：1.测量精度高,全天候作业GPS技术能为用户提供连续,实时的三维位置、三维速度和精密时间,不受天气的影响而全天候工作。采用差分定位,测量精度可达到mm级。目前的GPSRTK技术可以保证在动态的情况下解算的点位精度达cm级,这完全可以满足水下地形点的平面位置精度要求。2.劳动强度大大降低，首先,既要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好结构,这一直是常规测量在实践方面的难题之一。GPS测量无需通视,可以省去常规测量所需要的造价费用。其次,GPS的观测无需进行边角的观测,只需量取天线高及简单的记录、开机关机即可,同理,水准测量也不用一个站到另一个站地连续观测,只需在测站进行简单的操作即可。3.能丈量不规则区域GPS技术能对不规则的待测区域及较大区域的面积,通过航迹测量面积的方法来测量,沿着运行线路画出一条轨迹,从而计算出该轨迹所围区域的面积。

一、应用现状

传统的测量仪器和方法不仅难以保证在困难地区获得的数据的精度,而且效率低下,不能了解水利工程的实时变化情况。GPS的出现和应用使这些问题迎刃而解。

截流施工，截流的工期一般都比较紧张,其中,最难的是水下地形测量,水下地形复杂,水上作业条件差,水下地形资料的准确性对水利工程建设十分重要。传统测量采用人工采集数据,精度不高,测区范围有限,工作量大,时间上不能满足要求。而GPS技术能大大提高保证施工生产的效率,保证顺利进行。利用静态GPS测量系统进行施工控制测量,选点主要考虑控制点能方便施工放样,其次是精度问题,尽量构成等边三角形,不必考虑点和点之间的通视问题。另外,用实时差分法GPS测量系统可实施水下地形测量,系统自动采集水深和定位数据,采集完成后,利用后处理软件,可数字化成图。

滑坡监测，GPS高程监测需解决的问题是:精确测定GPS测得的大地高与我国常用的正常高之间的差值(即高程异常值) 。大地高是地面点沿参考椭球面的法线到参考椭球面的距离;正常高是地面点沿铅垂线方向到大地水准面或似大地水准面的距离。高程异常值实际上是参考椭球面与大地水准面或似大地水准面之间的高程差。如能精确测定高程异常值,则可以任意转换两高程系统,就能用GPS高程测量代替几何水准测量。在滑坡监测方面,只需求出监测点的相对位移量,所以只需测出监测点大地高的精确变化,就能正确反映滑坡形变情况。

变形监测，GPS在水利工程中最大的贡献是将这项技术应用到坝体的变形监测当中。竣工后的运营期间对大坝进行变形监测是现在大型水利工程必不可少的一个重要环节,世界各国因溃坝而造成的经济损失和人员伤亡的事故不胜枚举。以往的交会或极坐标的测量方式测量过程中应用的是点位垂线到达似大地水准面的正常高,精度低、周期长,而且无法实现连续观测。这样有限的、周期性的变形数据实时性差,同时也为变形分析增加了难度。GPS因为其高精度、全天候的特点,为建立大坝的实时连续变形监测系统和获取长时间大量的变形监测数据以进行变形分析提供了有力地保证。 二、GPS应用于水利工程中,已取得许多试验研究成果,但实际应用中还存在一些问题。

多路径效应，在水利工程中其绝大部分面积为水域,其对接收卫星信号的多路径效应非常严重,这将是制约GPS在水利工程中广泛应用的一个主要因素。对于多路经效应所带来的误差可以采用在天线下面增加抑径板或抑径圈的方法加以减弱,该方法可减少30%左右的多路经误差;由加拿大诺瓦泰公司研制的多路经误差消除技术可使多路径误差减少60%;而随后开发的消除多路径延迟的锁相环路技术则可使接收机减少90%的多路径误差,虽然这两项技术的应用在国内还未见详细报道,但是它却说明了GPS可以广泛用于水利工程的可能性。

垂直位移精度较低，目前GPS监测水平位移的精度较高,而监测垂直位移的精度较低(约比水平位移的监测精度低2 倍) ,这种状况使得在水利工程勘测阶段、高精度变形监测中还难以利用GPS同时精确测定水平和垂直位移。因而,目前国内外应用GPS建立各类控制网时,高程控制仍用常规的几何水准测量方法来测定。GPS高程测定的精度较低的主要原因是高程异常的不确定性影响了GPS测高的精度。目前可以采用GPS水准、曲面拟合的方法(如修正的BP 网络拟合) 来提高GPS高程测量的精度,如果对于变形监测不考虑高程系统的差别而只考虑相邻两次的高差变化,则直接使用大地高差精度会有进一步改善。

精度受距离影响，单基准站(DGPS) 和差分GPS网所提供的差分改正信号不区分各种误差源及其影响的大小。在一定的范围内基准站和流动站的伪距观测值存在相关性。随距离的增加,定位精度有逐渐下降的趋势。广域差分(WADGPS) 对定位误差源加以分析,并将各种误差源模型化。计算卫星星历修正、卫星钟差修正和区域大气延迟(电离层和对流层模型参数取代参考站伪距修正信号发送给用户,从而使动态用户定位精度在更大范围内不受基准站与流动站距离的影响。

噪声干扰，对于动态变形监测,由于监测点在很短时间内的变形是微小的,表现为一种弱信号,而误差却成为强噪声,如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息,以提高变形监测的精度是GPS动态监测系统应解决的一个关键技术问题。目前,该问题通常是采用数据平滑或卡尔曼滤波的方法在时域内进行处理。对于变形的频率和幅值等主要变形特征的分析,则通常采用频谱分析法将时域内的数据序列通过Fourier级数转换到频域内进行分析。但由于这些方法本身存在的缺陷,对于非平稳、非等时间间隔观测信号的变形特征提取存在局限性。

三、应用前景

根据对国内外GPS在水利工程的应用现状分析,可将GPS在水利工程中应用的高精度的变形监测的发展趋势概括为以下几个方面:

1.建立GPS变形监控在线实时分析系统对大坝进行变形监测,研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这种系统由数据采集、传输和处理与分析等几个主要部分组成可以使监测数据得到及时地分析和处理,从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势,为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据,这对处于活跃阶段的滑坡体及大坝变形监测具有特别重要的意义。由于建立连续运行的GPS网络系统进行大坝和滑坡等变形监测,成本较为昂贵,因此,研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测分析系统也是一个颇有实际意义的研究方向。

2.建立GPS与其它变形监测技术集成组合的综合变形监测系统。为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性,根据变形监测的对象和目的,将GPS与其它变形监测技术(如测量机器人、INSAR、数字近景摄影测量和特殊变形测量技术等) 集成组合形成综合变形监测系统,可实现不同监测技术之间的优势互补。例如,将GPS与SAIl 集成组合成GPS/ INS 变形监测系统,可从离散点位测定进入到四维形变场的整体动态精确测定使GPS变形监测技术应用范围更加广阔。

3.建立误差改正模型:误差改正模型是通过对误差的特性、机制及产生的原因进行研究分析、推导建立起来的理论公式也可以是对大量观测数据的分析、拟合建立起来的经验公式,经过误差改正模型的处理可以提高GPS定位的精度。

4.加强对各种方法和模型的使用性研究。高精度的GPS数据必须要采用更为合适的模型进行研究分析才可以为大坝等变形体提供更为准确的预报。比如将小波分析理论应用于大坝的变形监测将会在其数据处理和分析方面发挥重要作用。总之,随着测量技术的发展必将出现更多数据分析的新方法。