差分GPS技術在大連市小水庫庫區淤積測量中的應用

劉 驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店 116300)

差分GPS技術在大連市小水庫庫區淤積測量中的應用

劉 驥

(瓦房店市河道管理處，遼寧 瓦房店 116300)

水庫庫容和淤積量是水庫調度的重要參數，水庫淤積測量是保證水庫正常運行的基礎性工作，在對水庫淤積進行測量過程中，測量手段的選擇對數據精度、時效性影響巨大，本文運用差分GPS技術對大連市小水庫庫區淤積情況進行測量，為類似工程提供借鑒。

水庫淤積；差分GPS技術；測量

1 概 述

1.1 差分GPS定位技術

包括GPS定位系統的衛星傳輸誤差、接收儀器誤差、觀測失誤誤差和測站誤差等在內的許多誤差深層次原因都是由同一區域內用戶的公共性所引起，諸如此類的公共性固定誤差，都可以通過差分補償技術進行測量及定位。在差分GPS定位技術下，首先建立差分基準臺，并將其接收機安裝在預先設定的精確坐標點上，以便接收連續不斷的精確GPS信號，所獲取的數據還要與同類基準站已經獲取的數據進行橫向比較以確定誤差大小，并進行精準修正，將修正值采用數據連接方式傳輸給區域用戶，用戶借此修正定位解并改善自身定位精度。

1.2 超聲數字測深技術

位于水面位置的換能器發出聲波，聲波經由河流到達水底并反射回來，換能器接收到聲波信號后進行記錄統計，假設從換能器發出聲波到其再次接收到聲波之間的時間為T，這樣就可以計算出水深，公式為：

式中H——水深，m；C——聲波在水中傳播的速率，m/s。

測船在水上勻速航行過程中，事先布設在船上的測深儀會監測到一條連續不斷的水深線，通過觀察研究和比對水深線的變化便可提取到水下有關的地形地貌數據，并將信息轉換成數字量輸出與資源共享。

當移動站移動至水庫庫區某一既定位置，便可通過GPS定位技術將其所處位置的平面坐標、高程、水深等數據測量出來，并以此確定出水庫庫底反射點位置的三維坐標，這種方法與常用方法相比，測量精確度更高、測深速度更快、工作量大大減少、定位更加準確可靠。

1.3 庫區測量系統組成

大連市小水庫庫區差分GPS淤積測量中，平面定位選用的是SR510 RTD GPS接收機，并選用SDH—13超聲數字測深儀作為數據采集的主要手段，并輔之以全站儀、測距儀及數碼攝影攝像機對兩岸及水下地形地貌進行測量。通過導航軟件對庫區淤積情況進行實時定位，并與測深儀測深數據進行同步傳輸與記錄，利用庫區基礎控制網進行全過程解算與數據轉換(大連市小水庫庫區測量系統如右圖所示)。

2 工程概況

大連市小水庫數目眾多，包括盛臺堡水庫、駝峰水庫、雙龍水庫、達英水庫、青年水庫等8個小(1)水庫和東山水庫、龍口水庫、韓廟水庫、梁屯水庫、南石盆水庫等68個小(2)水庫，為給小(1)、小(2)型水庫的安全性復核提供詳盡的地形資料，受大連市水利建筑設計院委托，瓦房店市河道管理處承擔了瓦房店、長興島地區小水庫庫區淤積測量任務，于2013年3月10日至10月30日完成了全部測繪任務。

3 測量步驟

3.1 建立GPS控制網

每個水庫建立一個GPS控制網。以《各水庫起算點情況統計表》中的控制點作為起算點，以三角形為基本形式采用邊連接方式組成GPS控制網。每個水庫不少于3個待定點。編號分別為R1、R2、R3，待定點全部設置永久性標志。GPS控制網的觀測采用4臺南方北極星9600型GPS測量系統，靜態基線精度為±5mm(+1ppm)、高程精度為±10mm(+2ppm)。GPS控制網采用靜態載波相位相對定位模式進行衛星信號的接收，衛星截止高度角為15°，采樣間隔為10″,同步觀測有效衛星數大于5顆，觀測時段長度大于90min，精度因子GDOP值小于4。儀器高在觀測開始前和結束后，分別用小鋼尺量取，兩次較差不超過3mm，取其平均值。外業觀測結束后，使用南方GPS數據處理軟件，進行平差計算，GPS控制網平面約束平差必須滿足表1要求。GPS接收機的天線必須與測深儀換能器一同安裝在垂直的位置，且兩臺設備之間平面與垂直距離應為同一數值，這樣便可以將荷載、航速、水流及風力等引發測量船測量誤差的所有不利因素控制在可控范圍內，減小誤差。

大連市小水庫庫區測量系統流程圖

表1 GPS控制網點平面約束誤差統計

從表1可見，隨著誤差橢圓區間的不斷增大，GPS控制網點平面約束誤差逐漸遞減，說明控制網精度在逐漸提升。

3.2 斷面測量

3.2.1 大壩斷面

大壩測3處橫斷。位置：大壩中心處，測1條大壩橫斷；以大壩中心與左右壩頭之間取中心點處分別測大壩橫斷1條。橫向遠端為兩側壩腳以為20m。縱橫向比例為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，至尾水渠以外30m測縱斷；溢洪道在山體里的，以控制段斷面最前點往上游20m處為起點，至尾水渠以外30m測縱斷。縱斷縱橫向比例為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

內業整理斷面成果表，采用測繪軟件CASS7.0地形成圖軟件繪制斷面圖。

4 庫容成果精度評價

4.1 庫容及淤積測量

利用繪圖軟件CASS7.0并結合DTM土方計算模型進行庫容與水庫淤積的測量計算。首先根據實際測點的相應坐標(x、y、h)，運用該繪圖軟件生成三角網，并分別計算各個三棱錐的體積，采用DTM計算模型便可求得相應范圍內的填方量與挖方量的累計值，其中填方量的累計值即為指定場高條件下的水庫庫容(相關計算過程及結果詳見表2)。

表2 大連市小水庫庫區庫容與預計量的計算 單位：萬m3

4.2 庫容成果精度的評價

運用差分GPS定位技術重新核定大連市小水庫庫區水位—庫容曲線，優化小水庫防洪調度的運行方式,進行洪水風險的客觀評價,并實現水庫調度的安全可靠運行，充分利用水庫水力資源等提供科學指導。

若橫斷面上σ+ε范圍內具有相同的水深，而斷面函數曲線的變動一般是由平面定位過程中產生的各種誤差引起，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，則根據斷面曲線所計算的斷面面積如下：

上式中L為斷面兩岸岸坡曲線的長度。根據監測數據可知，GPS基準站誤差σ應不大于5cm，流動站誤差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算：

=SΔD+DΔS+ΔSΔD

相對誤差為：

根據計算得，庫容成果所產生的相對誤差最大值為0.60%，完全符合規范對大連市小水庫庫區淤積測量精度的要求，這顯然與差分GPS定位技術的運用是分不開的，可見在小水庫庫區淤積測量過程中，該方法的運用具有極大的精度優勢，會大大提升測量的精確度。

在上述水庫庫容及淤積測量及分析模擬的過程中，定位、測深、采集獲取數據、處理、成圖等過程都是通過測量儀器及計算機系統自動完成，整個過程都是實時動態進行的，所以能夠獲取所有相關的數據信息，且數據精確度高、采集密度大，故測量結果比常規測量方式下的結果更加客觀真實。

5 結 語

本文對差分GPS定位技術與其他技術(如數字超聲波測深技術、導航軟件技術等)的有機結合進行了嘗試性探索，可以實現平面數據與水深數據之間的轉換與融合，并對大連市小水庫庫區淤積情況進行了測量，對小水庫庫容成果精度進行了科學合理的評價，可為類似工程提供指導借鑒。

[1] 秦曉東，任志峰.RTK技術在三門峽水庫淤積斷面測量中的應用[J].人民黃河，2011(1):14-25.

[2] 謝金明，吳寶生.水庫泥沙淤積管理綜述[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