北斗卫星定位系统在水利工程变形监测中的应用与实践

一、引言

水利工程是国家基础设施建设的关键部分，对防洪、灌溉等意义重大，其安全运行关乎人民生命财产安全。变形监测是评估水利工程安全性的重要手段，传统监测方法受地形、天气制约大，监测精度与实时性不足。北斗卫星定位系统凭借高精度定位、实时通信等独特优势，为水利工程变形监测提供创新方案，对提升水利工程安全管理水平意义深远。

二、北斗卫星定位系统概述

2.1 系统组成

北斗卫星定位系统由空间段、地面段和用户段构成。空间段的多类型卫星协同实现全球信号覆盖；地面段负责卫星运行监测与信息注入；用户段通过接收机接收信号获取位置等信息。

2.2 技术特点与优势

北斗系统定位精度可达厘米级，经处理可实现毫米级定位，能精准捕捉水利设施微小变形。其不受天气影响，可全天候作业，确保监测数据连续。在偏远无公网地区，利用短报文通信功能实现数据实时传输。此外，多频多星座兼容特性增强了信号可用性与定位可靠性。

三、水利工程变形监测需求及传统监测方法的局限性

3.1 水利工程变形监测的重要性

水利工程受水位、地质等因素影响易发生变形，及时监测变形可掌握设施结构状态，发现裂缝、滑坡等隐患，避免安全事故，保障工程正常运行。

3.2 变形监测的主要内容

监测内容涵盖水平位移、垂直位移、倾斜和裂缝监测，分别用于测量设施水平移动、垂直沉降、倾斜角度及裂缝发展情况，为工程安全评估提供依据。

3.3 传统监测方法的局限性

传统的大地测量、光学测量和机械式测量方法，受地形限制大，在复杂区域难以开展，且人工操作强度大、监测频率低，恶劣天气下测量精度与可靠性差，无法满足现代水利工程监测需求。

四、北斗卫星定位系统在水利工程变形监测中的应用原理

4.1 基于卫星定位的变形监测原理

利用北斗卫星信号，通过接收机测量卫星与接收机距离，结合卫星轨道信息定位。在水利工程监测中，在监测点与基准站安装接收机，采用差分定位技术消除误差，获取监测点高精度三维坐标，对比坐标变化得出位移量，实现变形监测。

4.2 数据采集与传输流程

监测点和基准站的北斗接收机采集数据，有公网时用有线或无线网络快速传输；无公网区域依靠北斗短报文通信保障数据回传。数据汇聚到控制中心后，经专业软件处理分析，以报表和图表展示变形情况。

五、北斗卫星定位系统在水利工程变形监测中的具体应用

5.1 大坝变形监测

某大型水库大坝依据结构与地质条件，在坝顶、坝肩及关键断面布设监测点，于数公里外地质稳定处设基准站，构建监测网络。北斗系统以秒级频率采集数据，借多频信号接收与差分定位技术，实现毫米级定位精度。

在一次持续强降雨中，系统监测到坝顶某点24 小时内产生 3 毫米水平位移与2 毫米垂直沉降，控制中心结合历史数据和力学模型分析，判定大坝处于安全可控状态，同时加强后续监测。基于长期监测，总结出大坝在不同水位、季节下的变形规律：高水位蓄水期坝体下游面水平位移增加，冬季坝顶垂直沉降速率变慢，为维护调度提供科学依据。

5.2 边坡变形监测

某水利枢纽周边高陡边坡地质复杂，传统监测难覆盖且时效性差。工程团队在坡顶、潜在滑动面及坡面易变形处设监测点，构建三维网络，于稳固区域设基准站。

台风过境时，强降雨与大风加剧边坡风险。北斗系统以分钟级频率采集数据，通过短报文通信回传。某边坡中部监测点在台风登陆 6 小时内，水平位移速率从

0.5 毫米/小时增至 3 毫米/小时，超预警阈值。系统立即通过短信、APP 推送警报。工程人员依据数据精准定位危险区域，采取锚固、削坡减载等措施，避免滑坡灾害。

北斗系统不受地形限制，在复杂区域也能开展监测，高精度定位可捕捉毫米级位移，实时传输确保预警及时，实现从局部到整体、静态到动态的全方位监测，提升边坡灾害预警能力，保障工程与周边安全。

六、应用中存在的问题及解决对策

6.1 信号干扰问题

在水利工程实际监测场景中，北斗卫星信号易受建筑物遮挡与电磁干扰的双重影响。部分水利设施周边存在高耸建筑或山体，导致卫星信号被遮挡，信号强度大幅衰减甚至中断，严重影响定位精度与数据连续性。同时，水利工程中常见的大型机电设备、高压输电线路等会产生强电磁干扰，致使卫星信号出现噪声，数据解算误差增大。

针对这些问题，可采取多维度应对策略。在监测点布局上，通过前期地形勘察与信号模拟分析，优先选择视野开阔、无明显遮挡的位置设置监测设备，如将大坝监测点布置在坝顶中央而非靠近坝肩建筑物处。同时，安装高增益抗干扰天线，其内置的滤波电路与自适应调零技术，可有效抑制干扰信号，提升有用信号的接收能力。在软件层面，利用卡尔曼滤波等算法对原始信号进行处理，实时剔除噪声干扰，确保监测数据的准确性与稳定性。

6.2 数据处理与分析的复杂性

北斗系统在水利工程变形监测中，每日会产生海量的监测数据，且数据格式多样、结构复杂，传统数据处理方法难以满足高效分析需求。以一座大型水库为例，其部署的北斗监测网络每日产生的数据量可达 GB 级，包含卫星观测数据、定位解算数据等多种类型，若采用人工分析，不仅效率低下，还容易出现数据解读偏差。

为此，需构建智能化数据处理体系。引入大数据分析技术，通过分布式存储与并行计算框架，实现对海量数据的快速存储与处理。开发水利工程专用的北斗数据处理软件，集成数据自动清洗、多源数据融合、变形趋势预测等功能，可一键生成可视化分析图表。同时，结合水利工程结构力学模型与历史监测数据，建立机器学习预测模型，如基于 LSTM 的时间序列预测模型，能够精准预测水利设施的变形趋势，为安全评估提供科学依据。

6.3 系统成本与维护

建设基于北斗的水利工程变形监测系统，涉及设备采购、网络搭建、软件部署等多项成本，后期的设备维护与升级也需持续投入。对于中小型水利工程而言，动辄数十万元的初期建设成本成为应用推广的阻碍。同时，设备老化、软件故障等问题，若依赖人工巡检与现场维护，成本高且效率低。

七、结论

北斗卫星定位系统在水利工程变形监测中优势显著，能有效提升监测精度与效率，保障工程安全，虽存在问题但可通过对策解决。未来，北斗系统精度将进一步提升，与物联网、大数据、人工智能等技术融合，构建智能化监测体系，在水利工程领域应用将更广泛，为水利事业发展发挥更大作用。

参考文献

[1]刘岩,侯文昂,杜镇瀚,等.北斗系统在水利工程安全监测中的适用性思考[J].水利水运工程学报,2024(6):169-176.

[2]王伟,马建新,周少良.GNSS 系统在百色水利枢纽变形监测中的应用[J].中国水能及电气化,2023(1):26-31,70.

[3]李浩楠.基于高精度北斗卫星定位的大坝安全监测系统[J].山西电子技术,2024(6):55-58.

作者简介：秦显鹏（1988 年 5 月 1 日）性别：男、民族：汉，籍贯：山东省滕州市，现供职单位全称：，职称：副高级，学历：本科，研究方向：测绘专业。