差分GPS技術(shù)在大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積測(cè)量中的應(yīng)用

劉 驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店 116300)

差分GPS技術(shù)在大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積測(cè)量中的應(yīng)用

劉 驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店 116300)

水庫(kù)庫(kù)容和淤積量是水庫(kù)調(diào)度的重要參數(shù)，水庫(kù)淤積測(cè)量是保證水庫(kù)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)性工作，在對(duì)水庫(kù)淤積進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量手段的選擇對(duì)數(shù)據(jù)精度、時(shí)效性影響巨大，本文運(yùn)用差分GPS技術(shù)對(duì)大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積情況進(jìn)行測(cè)量，為類似工程提供借鑒。

水庫(kù)淤積；差分GPS技術(shù)；測(cè)量

1 概 述

1.1 差分GPS定位技術(shù)

包括GPS定位系統(tǒng)的衛(wèi)星傳輸誤差、接收儀器誤差、觀測(cè)失誤誤差和測(cè)站誤差等在內(nèi)的許多誤差深層次原因都是由同一區(qū)域內(nèi)用戶的公共性所引起，諸如此類的公共性固定誤差，都可以通過(guò)差分補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行測(cè)量及定位。在差分GPS定位技術(shù)下，首先建立差分基準(zhǔn)臺(tái)，并將其接收機(jī)安裝在預(yù)先設(shè)定的精確坐標(biāo)點(diǎn)上，以便接收連續(xù)不斷的精確GPS信號(hào)，所獲取的數(shù)據(jù)還要與同類基準(zhǔn)站已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較以確定誤差大小，并進(jìn)行精準(zhǔn)修正，將修正值采用數(shù)據(jù)連接方式傳輸給區(qū)域用戶，用戶借此修正定位解并改善自身定位精度。

1.2 超聲數(shù)字測(cè)深技術(shù)

位于水面位置的換能器發(fā)出聲波，聲波經(jīng)由河流到達(dá)水底并反射回來(lái)，換能器接收到聲波信號(hào)后進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，假設(shè)從換能器發(fā)出聲波到其再次接收到聲波之間的時(shí)間為T(mén)，這樣就可以計(jì)算出水深，公式為：

式中H——水深，m；C——聲波在水中傳播的速率，m/s。

測(cè)船在水上勻速航行過(guò)程中，事先布設(shè)在船上的測(cè)深儀會(huì)監(jiān)測(cè)到一條連續(xù)不斷的水深線，通過(guò)觀察研究和比對(duì)水深線的變化便可提取到水下有關(guān)的地形地貌數(shù)據(jù)，并將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出與資源共享。

當(dāng)移動(dòng)站移動(dòng)至水庫(kù)庫(kù)區(qū)某一既定位置，便可通過(guò)GPS定位技術(shù)將其所處位置的平面坐標(biāo)、高程、水深等數(shù)據(jù)測(cè)量出來(lái)，并以此確定出水庫(kù)庫(kù)底反射點(diǎn)位置的三維坐標(biāo)，這種方法與常用方法相比，測(cè)量精確度更高、測(cè)深速度更快、工作量大大減少、定位更加準(zhǔn)確可靠。

1.3 庫(kù)區(qū)測(cè)量系統(tǒng)組成

大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)差分GPS淤積測(cè)量中，平面定位選用的是SR510 RTD GPS接收機(jī)，并選用SDH—13超聲數(shù)字測(cè)深儀作為數(shù)據(jù)采集的主要手段，并輔之以全站儀、測(cè)距儀及數(shù)碼攝影攝像機(jī)對(duì)兩岸及水下地形地貌進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)導(dǎo)航軟件對(duì)庫(kù)區(qū)淤積情況進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并與測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行同步傳輸與記錄，利用庫(kù)區(qū)基礎(chǔ)控制網(wǎng)進(jìn)行全過(guò)程解算與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)測(cè)量系統(tǒng)如右圖所示)。

2 工程概況

大連市小水庫(kù)數(shù)目眾多，包括盛臺(tái)堡水庫(kù)、駝峰水庫(kù)、雙龍水庫(kù)、達(dá)英水庫(kù)、青年水庫(kù)等8個(gè)小(1)水庫(kù)和東山水庫(kù)、龍口水庫(kù)、韓廟水庫(kù)、梁屯水庫(kù)、南石盆水庫(kù)等68個(gè)小(2)水庫(kù)，為給小(1)、小(2)型水庫(kù)的安全性復(fù)核提供詳盡的地形資料，受大連市水利建筑設(shè)計(jì)院委托，瓦房店市河道管理處承擔(dān)了瓦房店、長(zhǎng)興島地區(qū)小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積測(cè)量任務(wù)，于2013年3月10日至10月30日完成了全部測(cè)繪任務(wù)。

3 測(cè)量步驟

3.1 建立GPS控制網(wǎng)

每個(gè)水庫(kù)建立一個(gè)GPS控制網(wǎng)。以《各水庫(kù)起算點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)表》中的控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，以三角形為基本形式采用邊連接方式組成GPS控制網(wǎng)。每個(gè)水庫(kù)不少于3個(gè)待定點(diǎn)。編號(hào)分別為R1、R2、R3，待定點(diǎn)全部設(shè)置永久性標(biāo)志。GPS控制網(wǎng)的觀測(cè)采用4臺(tái)南方北極星9600型GPS測(cè)量系統(tǒng)，靜態(tài)基線精度為±5mm(+1ppm)、高程精度為±10mm(+2ppm)。GPS控制網(wǎng)采用靜態(tài)載波相位相對(duì)定位模式進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的接收，衛(wèi)星截止高度角為15°，采樣間隔為10″,同步觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)大于5顆，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度大于90min，精度因子GDOP值小于4。儀器高在觀測(cè)開(kāi)始前和結(jié)束后，分別用小鋼尺量取，兩次較差不超過(guò)3mm，取其平均值。外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，使用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行平差計(jì)算，GPS控制網(wǎng)平面約束平差必須滿足表1要求。GPS接收機(jī)的天線必須與測(cè)深儀換能器一同安裝在垂直的位置，且兩臺(tái)設(shè)備之間平面與垂直距離應(yīng)為同一數(shù)值，這樣便可以將荷載、航速、水流及風(fēng)力等引發(fā)測(cè)量船測(cè)量誤差的所有不利因素控制在可控范圍內(nèi)，減小誤差。

大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)測(cè)量系統(tǒng)流程圖

表1 GPS控制網(wǎng)點(diǎn)平面約束誤差統(tǒng)計(jì)

從表1可見(jiàn)，隨著誤差橢圓區(qū)間的不斷增大，GPS控制網(wǎng)點(diǎn)平面約束誤差逐漸遞減，說(shuō)明控制網(wǎng)精度在逐漸提升。

3.2 斷面測(cè)量

3.2.1 大壩斷面

大壩測(cè)3處橫斷。位置：大壩中心處，測(cè)1條大壩橫斷；以大壩中心與左右壩頭之間取中心點(diǎn)處分別測(cè)大壩橫斷1條。橫向遠(yuǎn)端為兩側(cè)壩腳以為20m?？v橫向比例為1∶100。

3.2.2 溢洪道斷面

溢洪道位置在壩一端，以壩軸線往上游20m處為起點(diǎn)，至尾水渠以外30m測(cè)縱斷；溢洪道在山體里的，以控制段斷面最前點(diǎn)往上游20m處為起點(diǎn)，至尾水渠以外30m測(cè)縱斷?？v斷縱橫向比例為1∶100。

溢洪道橫斷面間距20m。在溢洪道堰頂處增加斷面。縱橫向比例為1∶100。

3.2.3 成圖

內(nèi)業(yè)整理斷面成果表，采用測(cè)繪軟件CASS7.0地形成圖軟件繪制斷面圖。

4 庫(kù)容成果精度評(píng)價(jià)

4.1 庫(kù)容及淤積測(cè)量

利用繪圖軟件CASS7.0并結(jié)合DTM土方計(jì)算模型進(jìn)行庫(kù)容與水庫(kù)淤積的測(cè)量計(jì)算。首先根據(jù)實(shí)際測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)坐標(biāo)(x、y、h)，運(yùn)用該繪圖軟件生成三角網(wǎng)，并分別計(jì)算各個(gè)三棱錐的體積，采用DTM計(jì)算模型便可求得相應(yīng)范圍內(nèi)的填方量與挖方量的累計(jì)值，其中填方量的累計(jì)值即為指定場(chǎng)高條件下的水庫(kù)庫(kù)容(相關(guān)計(jì)算過(guò)程及結(jié)果詳見(jiàn)表2)。

表2 大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)庫(kù)容與預(yù)計(jì)量的計(jì)算 單位：萬(wàn)m3

4.2 庫(kù)容成果精度的評(píng)價(jià)

運(yùn)用差分GPS定位技術(shù)重新核定大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)水位—庫(kù)容曲線，優(yōu)化小水庫(kù)防洪調(diào)度的運(yùn)行方式,進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)的客觀評(píng)價(jià),并實(shí)現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度的安全可靠運(yùn)行，充分利用水庫(kù)水力資源等提供科學(xué)指導(dǎo)。

若橫斷面上σ+ε范圍內(nèi)具有相同的水深，而斷面函數(shù)曲線的變動(dòng)一般是由平面定位過(guò)程中產(chǎn)生的各種誤差引起，用f1(x)表示斷面面積變大的最不利情況，f2(x)表示斷面面積變小的最不利情況，則根據(jù)斷面曲線所計(jì)算的斷面面積如下：

上式中L為斷面兩岸岸坡曲線的長(zhǎng)度。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，GPS基準(zhǔn)站誤差σ應(yīng)不大于5cm，流動(dòng)站誤差ε一般固定在30cm位置。

斷面與斷面之間的體積誤差可以用下式計(jì)算：

=SΔD+DΔS+ΔSΔD

相對(duì)誤差為：

根據(jù)計(jì)算得，庫(kù)容成果所產(chǎn)生的相對(duì)誤差最大值為0.60%，完全符合規(guī)范對(duì)大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積測(cè)量精度的要求，這顯然與差分GPS定位技術(shù)的運(yùn)用是分不開(kāi)的，可見(jiàn)在小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積測(cè)量過(guò)程中，該方法的運(yùn)用具有極大的精度優(yōu)勢(shì)，會(huì)大大提升測(cè)量的精確度。

在上述水庫(kù)庫(kù)容及淤積測(cè)量及分析模擬的過(guò)程中，定位、測(cè)深、采集獲取數(shù)據(jù)、處理、成圖等過(guò)程都是通過(guò)測(cè)量?jī)x器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成，整個(gè)過(guò)程都是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，所以能夠獲取所有相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，且數(shù)據(jù)精確度高、采集密度大，故測(cè)量結(jié)果比常規(guī)測(cè)量方式下的結(jié)果更加客觀真實(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)差分GPS定位技術(shù)與其他技術(shù)(如數(shù)字超聲波測(cè)深技術(shù)、導(dǎo)航軟件技術(shù)等)的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行了嘗試性探索，可以實(shí)現(xiàn)平面數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換與融合，并對(duì)大連市小水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積情況進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)小水庫(kù)庫(kù)容成果精度進(jìn)行了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，可為類似工程提供指導(dǎo)借鑒。

[1] 秦曉東，任志峰.RTK技術(shù)在三門(mén)峽水庫(kù)淤積斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].人民黃河，2011(1):14-25.

[2] 謝金明，吳寶生.水庫(kù)泥沙淤積管理綜述[J].泥沙研究，2011(6):71-77.

Application of differential GPS technology in sedimentation measurement in Dalian small reservoir area

LIU Ji

(WafangdianRiverManagementOffice,Wafangdian116300,China)

Reservoir storage and sedimentation are important parameters of reservoir scheduling.Reservoir sedimentation measurement is the basic work to ensure normal operation of the reservoir.The selection of measurement means has huge influence on data precision and timeliness during reservoir sedimentation measurement.In the paper, differential GPS technology is applied to measure the sedimentation of Dalian small reservoir area, thereby providing reference for similar projects.

reservoir sedimentation; differential GPS technology; measurement

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.020

TV697.3+1

B

1005-4774(2017)05-0075-03