GPS技术在水文水资源监测方面的应用

李春光

摘要：指出了水文水资源监测是一项专业性较强的工作，通过该项工作能够为水资源管理部门相关工作的开展提供依据。GPS技术以其自身诸多的优势，被广泛应用于多个领域。简要阐述了水文水资源监测的重要意义，分析了GPS技术的定位原理及其应用优势，论述了水文水资源监测中GPS技术的应用，以期能够对水文水资源监测效率及质量的提升有所帮助。

关键词：GPS技术；水文；水资源；监测

中图分类号：X143

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08017902

1 水文水资源监测的重要意义

水是人类社会发展过程中不可或缺的物质基础，如果没有水，人和动物无法生存，植物则会枯萎死去，由此不难看出水的重要性。近年来，全球很多国家都在大力发展农业和工业，由此导致了用水量急剧上升，水资源紧缺的问题日趋严峻，这已经引起了全球性的关注。我国虽然水资源比较丰富，但由于人口众多，使得人均水资源占有量非常少，仅为世界人均水量的1/4左右。国家为了解决水资源方面的问题，对《水法》进行了多次的修改，最新的《水法》中提出应当制定全国水资源战略规划，同时还提出限制污水排放总量等意见，并着重强调了在对水资源进行开发利用的过程中，要加强生态环境保护，以上种种规定的落实与实施，都离不开水文水资源的监测工作。就水资源监测而言，其主要目的是对水体、水量、水质及其空间变化情况进行了解，这里所指的水质变化既包括水体本身的变化，也包含人类活动造成的水质变化，水资源监测所得的信息能够为相关部门开展水资源保护工作提供可靠的依据。但从目前来看，这方面的信息是比较欠缺的，所以，当务之急是要进一步加强水文水资源的监测工作。传统的水文监测工作一般都是以降水量、蒸发量、地表及地下径流作为主要的监测对象，而水资源监测的重点是人类对地下水、地表水及空中水的抽取情况，以及对这三种水所造成的污染状况进行监测分析，通过监测所得的数据，对水资源进行评价，进而预测出未来一段时期水资源的变化趋势，为水资源的开发利用提供依据。可见，对水文水资源的监测具有非常重要的现实意义。

2 GPS技术的定位原理及应用优势

GPS是全球卫星定位系统的英文缩写形式，该系统是由美国军方研发，最初的目的是用其进行卫星导航，通过该系统可以为用户提供高精度的导航信息。

2.1 GPS的定位原理

为了进一步加深对GPS的了解，下面对其定位原理进行简介：测出卫星与用户接收端的距离，由多颗卫星数据，便可得到用户接收端所处的位置。在整个定位过程中，需要先知道卫星的准确位置，其位置可通过星载时钟记录的时间在星历中查出，用户与卫星之间的距离，可利用卫星发出的信号传至用户接收端上所用的时间乘以光速来获得。在此必须着重阐明的是，由于卫星信号在传输的过程中需要从大气层及电离层中穿过，由此会使卫星信号受到一定程度的干扰，所以卫星与用户接收端之间的距离并不是真实距离，而是伪距。GPS卫星处于正常工作状态时，它会利用二进制码元组成的伪随机码发射导航电文，图1是伪随机码的测距原理。

GPS所使用的伪随机码分为民用和军用两种，前者为C/A码，其频率为1.023 MHz，后者为P码，其频率为10.23 MHz。当处于地面上的用户通过接收终端收到来自于GPS卫星发射的导航电文时，终端接收机可以提取出卫星时间，用户通过该时间与自己的时钟进行比对后，便可获知卫星与接收终端之间的距离，然后再借助导航电文中的星历数据，可以推算出卫星发射导航电文时所在的位置，由此便可得知用户在大地坐标系中的位置。

2.2 GPS的应用优势

2.2.1 能够进行全球性24 h不间断定位

目前，GPS卫星的总数量高达24颗之多，其全球覆盖率高达98%以上，基本可以保证在任意时间和地点能同时观测到4颗GPS卫星，由此确保了全球性24 h不间断的导航定位服务。

2.2.2 超高的定位精度

通过对大量GPS的应用实践进行研究分析后发现，它的相对定位精度非常之高，相关数据显示，其在50 km以内的相对定位精度能够达到1 m。

2.2.3 观测耗时短

美国自上个世纪70年代研发出GPS系统之后，其在数十年里获得了进一步完善，与之相关软件也在不断更新，目前的GPS系统完成20 km以内的相对静态定位只需要15～20 min左右，流动站的观测时间更短，一般只需1-2min左右，利用GPS-RTK进行观测时，每个测站的观测时间仅需5～10 s左右。由于GPS系统观测耗时较短，因此通过它来建立控制网，可以使作业效率获得大幅度提升。

2.2.4 设备易于操作

接收机是GPS系统重要的组成部分之一，随着GPS的不断发展，接收机的性能也逐步完善，这使得设备的操作变得更加简单方便。应用GPS进行观测作业时，测量人员一般只需要在合适的位置上安装好仪器，并量取天线的高度即可，其余的观测作业设备能够自行完成，由此不但提高了工作效率，还减轻了劳动强度。

3 水文水资源监测中GPS技术的应用

3.1 GPS水位采集与传输系统在洪水调度中的应用

3.1.1 构建转换模型

在对水位进行测量的过程中，一般都是以国家“85”高程為准，而GPS所测出却是大地高程，鉴于两者之间无法通用，所以必须将大地高程转换为国家“85”高程，这个过程可以利用转换模型来实现。

3.1.2 水位的实时提取

通过在掌上电脑（PDA）上进行软件编制，便可对RTK高程数据进行实时提取，同时借助转换模型，可以获取由国家“85”高程所表达出来的水位。

3.1.3 水位数据的滤波算法

为了使所测得的水位数据达到足够的精确度，应当对水位数据进行滤波处理，故此需要建立一个滤波模型，并通过渐进式的滤波算法，消除水位观测时误差对结果的影响。可将滤波模型及软件一并植入到PDA当中，由此能够保证水位测量时所得数据结果的正确性。

3.1.4 模块嵌入

当PDA接收到来自于GPS卫星观测到的水位数据后，需要将这些数据传输给监控中心，整个传输过程可以通过手机中的GPRS通讯模块来完成，因此，可将GPRS模块嵌入到PDA当中，这样PDA便可以对水位数据进行编码，并由GPRS模块进行数据传输。

3.1.5 接收单元

当水位数据经由GPRS模块发送出去之后，监控中心需要对这些数据进行实时接收。数据的接收可以由接收单元来完成，并由中央处理器负责对所接收到水位数据进行储存和管理。

3.1.6 智能监控

为了使水位数据的采集与传输实现智能化和自动化，可以通过编写相关的软件程序，实现监控中心对野外观测单元的监测与管理，从而达到对野外观测单元智能化控制的目的。

通过以上几个步骤，可以构建起一套完整的GPS水位采集与传输系统，利用该系统能够对水位的变化进行实时监测，并将不同位置的水位数据传输给计算机，计算机会根据实时的水位情况，绘制出相应的水位曲线，同时，还能以动态的形式将洪水推进及蓄洪区淹没等情况显示出来。相关管理人员依据这些信息能够对水情有一个详细的了解，有助于防洪决策指令的准确下达。

3.2 GPS技术在流量与水质监测中的应用

传统的水文巡测作业中，对河流断面的定位难度相对较大，而通过GPS卫星定位系统，可以使这一问题得到有效的解决，借助GPS对河流断面进行施测，能够采集到洪峰期的水文资料，这在一定程度上提升了水文巡测的作业效率。在水质监测方面，可通过结合GPS技术的河道、湖面及海洋的采样工作，迅速确定出各采样点的水位数据、水体污染程度和采样点坐标，利用这些数据信息，可将水质的监测结果制成动态监测图，由此能够反映出水质的污染程度、污染面积、污染物扩散方向等信息，为水资源的有效治理提供了依据。

4 结语

在简要阐述水文水资源监测重要意义的基础上，分析了GPS技术的定位原理及其应用优势，最后从洪水调度、流量与水质监测两个方面对GPS技术在水文水资源监测中的应用进行了论述。结果表明，通过GPS技术能够有效地进行水文水资源的监测工作，GPS技术的应用大幅度提升了作业效率，这对于促进我国水文事业的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]许 峰.水文水资源领域技术需求及其实践应用[J].河南水利与南水北调，2015（9）：65～67.

[2]周迎颖.现代信息技术在水文领域的应用研究[J].河南科技，2015（12）：45～46.

[3]王红涛，王 铭，邢杰炜.水文水资源领域技术的推广及应用分析[J].河南科技，2015（8）：48～51.

[4]张卫国.试论水文监测系統建设在新疆中小河流治理中的作用[J].内蒙古水利，2014（10）：101～103.

[5]吴 巍，刘梅群.解析水文测量中GPS-RTK测量技术应用[J].低碳世界，2015（12）：34～36.

[6]丁 涛，祝丽萍.水文测验现代化技术应用分析[J].能源与节能，2016（1）：20～21.