GPS技術在水文水資源監測中的應用研究

梁久龍,李 莉,李潤武

(陜西省水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068)

0 引言

水文水資源監測的主要目的是通過水體、水量、水質及其空間變化的量測,為水資源的合理開發、利用、節約和保護提供技術參數和可靠依據。在傳統監測手段下,水文水資源監測不僅人力耗損較大,而且只是簡單局限于對地表徑流、降水量和蒸發量的監測,難以準確、實時獲取水下和地下數據。GPS-RTK技術的應用,通過目標定位、導航和精密測量,不僅實現了水域數據的精準采集和量測,而且還探明了水質和水下等情況,大大提高了監測效率和監測范圍,極具實踐意義和發展前景。

1 GPS-RTK技術原理

GPS-RTK為實時動態載波相位差分技術,是一種新型衛星定位測量方法。在已知點建立基準站后,借助衛星與通信網絡,將采集的載波相位實時發送給用戶接收機后,通過聯合求差解算,以此獲得基準站和流動站間的三維坐標增量,進而求得待測點的坐標信息。GPS-RTK技術的測量精度屬于厘米級,30 km站間距平面精度可達1～2 cm。

在水文水資源監測應用中,為測量水下高程、探明水下地形,GPS-RTK技術借助高精探測儀和RTK三維坐標,通過實測實量,可將采集到的數據實時傳送至控制中心,從而在第一時間進行數據處理和分析。如下圖1所示,在航船測量場景中,基于85高程的基準面標高H85與其它參數的關系可表示為:

圖1 GPS-RTK水下地形測量原理示意圖

H85=H-§ h=S+d+L-H85

式中:H85為85高程,實測所得;H為WGS84地心坐標系參考橢球面與RTK天線間的鉛錘距離;h為當地基準面與海底泥面間的垂直距離,該參數反映水下地形起伏情況;S為換能器與海底泥面間的距離,由探測器實時探測所得;L為靜態水面與RTK天線間的垂直距離,尺量所得;d為船舶靜態吃水深度,尺量所得;§為WGS84地心坐標系參考橢球面與當地基準面間的距離。

注:上述單位均以m計。

需要說明的是,利用GPS-RTK所測高程為大地高程,實際應用中需構建轉換模型,將大地高程轉換為85高程。

2 GPS-RTK技術特征

2.1 連續作業性強

在24顆衛星全球98%覆蓋率的支撐下,GPS-RTK設備不管在何時何地,均可同時觀測到4顆衛星,由此實現全球范圍內24 h不間斷作業。

2.2 測量精度高

在動態測量情況下,GPS-RTK可達到5 mm+1 ppm的測量精度,并且可實時傳輸測量數據,有效保證了數據的可靠性和準確性。

2.3 測量耗時短

目前,GPS流動觀測時間一般為1～2 min,20 km范圍內靜態定位需15～20 min,而GPS-RTK單點觀測僅需5～10 s,單人即可完成。利用GPS-RTK建立控制網,可大幅提升作業效率,有效節約了時間成本。

2.4 適用范圍廣

利用GPS-RTK實施監測,各測點間無通視要求,只要有信號即可自由、靈活作業。而且在觀測過程中,工作人員只需要架設好儀器,調節好天線,輸入好參數,設備便可自動、高效完成作業任務,效率高且節約勞力。

需要強調的是,GPS-RTK技術的上述特征和應用優勢會隨著測量距離的增加而更加突出。

3 GPS-RTK技術在水文水資源監測中的應用

3.1 洪水調度

利用GPS-RTK數據自動采集和傳輸系統,可將不同環境、不同時段下監測區域內的水位變化和流量變化及時傳送至控制中心,經計算機對數據分析與處理后,便可繪制出動態水位曲線圖,管理者借此可實時判斷洪水推進情況,及時掌握水情變化和洪區淹沒情況,為防洪決策、計劃制定和指令下達提供可靠依據。

3.2 水位采集

在水位監測中,GPS-RTK技術可在采集水位數據后實時傳輸至監控中心,同時借助專業軟件,可對采集間隔、數據內容、頻率及模式實現自動處理,如下圖2所示。目前,針對GPS-RTK已開發出濾波算法并制作了濾波模型,將該模型制作成軟件導入手持機中,可使水位數據采集更加準確,傳輸更加實時。

圖2 GPS數據處理流程圖

3.3 水質監測

在水質監測應用中,利用GPS-RTK技術在監測船上通過對江、河、湖、海、水庫等水體進行坐標采樣和信息收集,借助計算機軟件經數據分析處理后,便可繪制出動態監測圖,以反映監測水域的水質情況、污染面積和擴散動向,實時監測水體污染情況,從而為水環境的科學治理提供客觀、精確的水質信息依據。

4 應用實例(水下測量)

4.1 測區概況

某運河航道疏浚工程因南段較為狹長,對水下地形測量不便采用傳統技術,經實地勘察與研究,決定采用GPS-RTK與測深儀配合作業的方式進行航道斷面測量。斷面布置垂直于水流方向,間距按50.0 m控制,每斷面內測點間距為2.0 m。

4.2 測量準備

本次高程測量采用三等水準測量,平面坐標采樣使用靜、動態結合方法。根據職能分工,共設置七個測量小組,即GPS-RTKⅠ組、GPS-RTKⅡ組、GPS-RTKⅢ組、全站儀Ⅰ組、全站儀Ⅱ組、水準Ⅰ組和水準Ⅱ組。GPS-RTKⅠ組和GPS-RTKⅡ組負責靜態測量,其中Ⅰ組作為Ⅲ組動態測量參考站,Ⅱ組作為Ⅲ組動態測量流動站;GPS-RTKⅢ組基于Ⅰ、Ⅱ組負責動態測量;全站儀兩組負責碎步測量;水準Ⅰ組負責測區內控制點高程測量;水準Ⅱ組負責河底高程測量。

4.3 控制網布設

本次測區線路長、范圍大,為保證測量精度,根據已知控制點,按照五等邊連式布網要求,沿河道兩邊布設一級控制點12個,同時聯測布設二級控制點5個。此次一級控制網最大邊長8 123.4 m,最小邊長1 892.2 m,平均邊長4 857.4 m,滿足規范要求。此外,將控制網中的長邊構成大地四邊形或中點多邊形,對一級控制點應聯測至少2個地方坐標系控制點或高等級國家控制點。

4.4 碎步測量

碎步測量由全站儀兩組和GPS-RTKⅢ組負責完成,采用三等水準高程和GPS平面坐標(包括全站儀),以保證測量精度。碎步測量實施前,對測站與后視點距離和高程進行全面檢查,測量過程依據地形圖測量規范,按要求控制高程變化。通過聯合測量,最終根據測量結果繪制出河道斷面圖。

為保證測繪結果的精密性,測量過程中若遇大坑或深溝等復雜地形,當相鄰兩測點高差大于0.2 m時,需進行加密測量,同時標明各測點地形特征。此外,以0.5 m等高線為基準進行測繪。

4.5 樁界測設

測區范圍內功埋設界址點244個,采用GPS-RTK動態法進行測圖,測量流程如下:

架設基準站,精確對中接收機天線,對中誤差≤2 mm,量取天線高度,讀數精確至1 mm;

選擇電臺頻率,確保不串頻,流動站有效衛星不少于5個,PDOP<6且采用固定解成果;

選擇測量模式,設置基準參數、轉換參數和數據鏈通訊頻率,并與參考站保持一致;

在開闊地帶初始化流動站,同時遠離建(構)筑物和水域,以防造成多路徑影響;

(5)實施外業測量,填寫測量記錄。

4.6 數據分析

本次GPS-RTK平面坐標采樣、高程測量和水準高程測量精度均滿足對應要求,隨機抽取兩個斷面進行GPS-RTK高程和水準高程比較,見表1。

表1 GPS-RTK高程與水準高程比對表 m

5 結語

數據對比可知,GPS-RTK測量高程和水準測量高程最大相差不足2.5 cm,由此說明GPS-RTK碎步測量高程數據真實可靠,測量結果可作為河道疏浚工程實施的重要依據。

為了進一步推廣GPS-RTK技術在水文水資源監測中的應用,筆者結合實踐經驗的總結和理論知識的學習,提出以下4點建議:

(1)建立完善的水文水資源監測系統,以進一步突出GPS-RTK技術的可擴展性;

(2)針對監測數據,著力構建更為完善的分析模型,以提升計算結果的精確性;

(3)增強技術開放性,通過與RS、GIS、IT等技術的結合,以提升GPS-RTK技術的適用性和先進性,從而進一步擴大應用范圍和監測場景;

(4)將GPS-RTK技術與網絡關聯,利用信息網絡來彌補自身技術在智能化與自動化方面的不足,同時實現資源共享,提供綜合信息的網絡化服務,以真正實現水文水資源監測的全面覆蓋。