GPS在水文大断面测量中的应用研究

◎魏晓莉 甘肃省武威水文站

GPS技术能够借助地面控制单元、空间数据传递中心及其与用户端连接组成的完整体系，将地面系统设备所采集到的各项数据信息测定完毕后，借助三维坐标体系将空间点的坐标数据由静止状态转变为动态变化状态，再将动态数据信息处理、传递并加工后实现对地面某一点空间位置的实时定位。随着GPS技术在各行各业应用范围的进一步拓宽，其载波相位差分法的应用精度也随之提高，在测绘工程的参数测定与空间位置定位等方面有着明显优势。在水文大断面测量工作中，依托于GPS技术，工作人员能够对水文数据信息进行采集处理，从而为研究分析河道、水库、湖泊冲淤演变规律，制定整治规划，进行水利工程规划设计等提供重要依据。

1.测量项目概况

蔡旗水文站，位于内陆河流域石羊河水西石羊河下游民勤县蔡旗乡，地理位置在我国东经102度、北纬38度左右，整个水文站测站以上水面积为10209km，属于我国重要的水文站和中央报讯站，更是国家水质监测站和大河控制站之一，隶属于甘肃省水文水资源局威武水文水资源勘测局管理，其直辖管辖区域内水位站共计一处，地下水观测井一眼，水质监测断面一处。蔡旗水文站始建于1992年11月，由原有石家庄水文站撤销后下迁5km建成。在蔡旗水文站的待检测区域范围内，其待测试河段长约100m左右，处于基本顺直状态，河床由细沙组成，主流左右摆动，冲淤变化频繁，流向有时并不顺直，水面的实际宽度达100m左右，高水漂浮物体较多。红河洪水河从河段右岸汇入，800m处有西营河向民勤调水专用输水渠从河段左岸汇入，基下方5m处有跨河吊桥一座，约25km处建设有红崖山水库，其地理位置示意如图1所示。

图1 地理位置示意图

在蔡旗水文站的整个待检测区域内，区域内洪水主要由上游黄羊河、杂木河、金塔河、西营河洪水及水库下泄水量叠加而成，中高水期时断面控制良好，低水位时则受到冲淤变化的较大影响，水位流量关系呈现出多线条状态，图2即为2020年该水文站大断面监测示意图。

图2 水文站大断面监测示意图

2.GPS测量的技术特点

与传统的常规测量方法相比，GPS在大段面水文监测中的应用优势包括以下六个方面：

首先，GPS在测量大断面时并不需要相互通视，测点之间的相互通视一直都是水文监测的难题，GPS能够凭借其空间位置的互联性，使测站之间的选点位置更加灵活方便，但利用该方法对水文大断面进行测量，必须保证待检测辖区范围内上空处于开阔状态，便于接收GPS信号。其次，是具备定位精确度较高特质，通常情况下，GPS接收机的基础解精度高达5mm+1ppm以上，而红外线的实际精度仅仅为5mm+5ppm等级，GPS的测量精度和红外线测量精度在短距离时相当，但随着待检测距离的不断延长，GPS测量技术的优越性将会更加显著。第三，GPS测量观测时间较短，在水文大断面检测过程中，利用GPS技术可以实现快速静态定位，这一方法的观测时间较以往缩短很多，从而在较快时间内求得待监测点的坐标。第四，GPS测量技术能够在观察测量点平面位置的基础上，提供更加精确的观测点的大地高程参数。第五，GPS测量技术的整个操作过程较为便捷，趋近于智能化操作，工作人员只需在天线对齐的状态下即可实现系统自动观测，并对数据进行处理，并求得待检测点的三维坐标。第六，GPS测量技术能够实现全天候作业，在任何地点和任何位置能够二十四小时不间断地进行位置观测，并不受到外界天气的影响。

3.GPS在水文大断面测量中的应用

3.1 测前准备

在水文大断面GPS测量过程中，首先应做好准备工作，主要包括对待检测地区控制点资料的收集、转换参数的求解及参考站位置的设置、流动站位置的设置等环节。以参考站和流动站位置的设置为例，在选择参考站时，应根据待检测点的测量目的，建立项目坐标管理体系，根据坐标系进行系统化管理。其次，在基准站选项设置过程中，应通过控制软件对其菜单内部水准机转移的相关参数和电台频率参数进行设置，还应在基准站中输入站名坐标位置和天线高度等，待基准站启动完成后，基准站台面上的指示灯将处于正常闪烁状态。在流动站的设置过程中，主要是根据代检测项目的坐标管理体系，设置相应的参数选项，其操作方式基本与参考站的设置方式相同。

3.2 数据采集测量

在利用GPS技术对水文大断面进行数据采集测量时，可通过坐标测量法和方向测量法获得待检测区域的相关参数。以坐标测量法分析可知，当待检测的水文大断面河道地形图和大断面结构确定后，可选择坐标测量方法进行参数设置。启动基准站后，设置流动站中的相应参数，接着开始GPS作业，同时应在GPS手簿中设置和观测地点相关的参数，如自动设置增加补偿质量、存储空间、自动存储点等，将相应的参数坐标保存于手簿，表1即为蔡旗水文站大段面参数水文特征统计表。

表1 水文特征统计表

3.3 数据处理

对水文数据进行处理时，需将野外测得并存储于手簿中的数据导入计算机。接着，可对文件格式进行变换，根据采集到的参数计算出相关点的坐标，利用计算机进行文件的导出和计算，但并不需要进行机械计算和网平差计算。当需要采用CAD或GIS方面的数据格式时，可以直接改变导出文件的格式，点击功能选项卡获得想要的数据类型，从而使数据参数格式符合预期，图3即为蔡旗水文站径流量及输沙量处理后的年际变化图。

图3 蔡旗水文站径流量及输沙量年际变化图

3.4 测量精度及误差分析

在对测量精度和误差进行分析时，首先应该确保大断面测量过后的相关参数能够满足GPS测量的规范的D级精度要求。可根据GPS接收机实际所标称得到的精度中的固定误差参数、接收机标称精度中的比例误差参数和相邻待测点之间的极限长度，进行计算后得到GPS测量过后的精度误差。在获得接收机标准精度固定误差比例、误差系数及本次测量的最大距离的基础上，得到最终的D级精度误差标准参数值，对比不同监测点的测量高程误差和规范所要求的高程误差，将测量误差控制在预测方法允许的范围内。在测量精确度的保障过程中，蔡旗水文站的水位测量可利用雷达水位计和直立式水尺等工具，借助人工观测数据的方式测得，流量数据的获取，可采用水文缆道、桥测、涉水等进行精准观测，借助流速仪法、浮标法等得到参数数据，单样含沙量采用模式采样器取样的方法，利用过滤法获得准确数据，以此保障蔡旗水文站测试过程中的测量精度符合预期，图4即为蔡旗水文站月径流量和输沙量多年平均后的分配图。

图4 蔡旗水文站月径流量和输沙量多年平均分配图

4.结论

4.1 优势分析

利用GPS技术对水文大断面进行测量和监测，具有测量速度快、定位精确度较高、数据可靠性较高以及工作难度降低、测量费用降低等优势。同时，GPS测量技术还能提供三维坐标，达到大断面水文测量的成果可视化目的。通过一段时间对蔡旗水文站大断面水文监测应用GPS技术效果的分析，可以证明该技术能够实现大断面监测资料在GPS地图上的可视化编辑和显示，利用测量成果可以达到符合建设规划、工程管理设计及防洪决策设计等多项目的，可谓实现一举多得的目的。

4.2 局限性

尽管GPS技术在水文大断面监测的应用中有着诸多优势，但仍然存在着一定缺陷。如利用该技术对大断面河道进行测试时，往往会受到外界环境的影响，必须在整个测量过程中避开周边的强电磁干扰，也必须确保待监测范围区域的上部处于空旷状态，避免高大建筑物或高大树木遮挡GPS卫星接收信号，进而影响最终的测量精度。针对这些问题，业内人士仍需要深入研究，以便更快提高该技术水平。