GPS技术在水文水资源监测中的应用研究

梁久龙,李 莉,李润武

(陕西省水文水资源勘测中心,陕西 西安 710068)

0 引言

水文水资源监测的主要目的是通过水体、水量、水质及其空间变化的量测,为水资源的合理开发、利用、节约和保护提供技术参数和可靠依据。在传统监测手段下,水文水资源监测不仅人力耗损较大,而且只是简单局限于对地表径流、降水量和蒸发量的监测,难以准确、实时获取水下和地下数据。GPS-RTK技术的应用,通过目标定位、导航和精密测量,不仅实现了水域数据的精准采集和量测,而且还探明了水质和水下等情况,大大提高了监测效率和监测范围,极具实践意义和发展前景。

1 GPS-RTK技术原理

GPS-RTK为实时动态载波相位差分技术,是一种新型卫星定位测量方法。在已知点建立基准站后,借助卫星与通信网络,将采集的载波相位实时发送给用户接收机后,通过联合求差解算,以此获得基准站和流动站间的三维坐标增量,进而求得待测点的坐标信息。GPS-RTK技术的测量精度属于厘米级,30 km站间距平面精度可达1～2 cm。

在水文水资源监测应用中,为测量水下高程、探明水下地形,GPS-RTK技术借助高精探测仪和RTK三维坐标,通过实测实量,可将采集到的数据实时传送至控制中心,从而在第一时间进行数据处理和分析。如下图1所示,在航船测量场景中,基于85高程的基准面标高H85与其它参数的关系可表示为:

图1 GPS-RTK水下地形测量原理示意图

H85=H-§ h=S+d+L-H85

式中:H85为85高程,实测所得;H为WGS84地心坐标系参考椭球面与RTK天线间的铅锤距离;h为当地基准面与海底泥面间的垂直距离,该参数反映水下地形起伏情况;S为换能器与海底泥面间的距离,由探测器实时探测所得;L为静态水面与RTK天线间的垂直距离,尺量所得;d为船舶静态吃水深度,尺量所得;§为WGS84地心坐标系参考椭球面与当地基准面间的距离。

注:上述单位均以m计。

需要说明的是,利用GPS-RTK所测高程为大地高程,实际应用中需构建转换模型,将大地高程转换为85高程。

2 GPS-RTK技术特征

2.1 连续作业性强

在24颗卫星全球98%覆盖率的支撑下,GPS-RTK设备不管在何时何地,均可同时观测到4颗卫星,由此实现全球范围内24 h不间断作业。

2.2 测量精度高

在动态测量情况下,GPS-RTK可达到5 mm+1 ppm的测量精度,并且可实时传输测量数据,有效保证了数据的可靠性和准确性。

2.3 测量耗时短

目前,GPS流动观测时间一般为1～2 min,20 km范围内静态定位需15～20 min,而GPS-RTK单点观测仅需5～10 s,单人即可完成。利用GPS-RTK建立控制网,可大幅提升作业效率,有效节约了时间成本。

2.4 适用范围广

利用GPS-RTK实施监测,各测点间无通视要求,只要有信号即可自由、灵活作业。而且在观测过程中,工作人员只需要架设好仪器,调节好天线,输入好参数,设备便可自动、高效完成作业任务,效率高且节约劳力。

需要强调的是,GPS-RTK技术的上述特征和应用优势会随着测量距离的增加而更加突出。

3 GPS-RTK技术在水文水资源监测中的应用

3.1 洪水调度

利用GPS-RTK数据自动采集和传输系统,可将不同环境、不同时段下监测区域内的水位变化和流量变化及时传送至控制中心,经计算机对数据分析与处理后,便可绘制出动态水位曲线图,管理者借此可实时判断洪水推进情况,及时掌握水情变化和洪区淹没情况,为防洪决策、计划制定和指令下达提供可靠依据。

3.2 水位采集

在水位监测中,GPS-RTK技术可在采集水位数据后实时传输至监控中心,同时借助专业软件,可对采集间隔、数据内容、频率及模式实现自动处理,如下图2所示。目前,针对GPS-RTK已开发出滤波算法并制作了滤波模型,将该模型制作成软件导入手持机中,可使水位数据采集更加准确,传输更加实时。

图2 GPS数据处理流程图

3.3 水质监测

在水质监测应用中,利用GPS-RTK技术在监测船上通过对江、河、湖、海、水库等水体进行坐标采样和信息收集,借助计算机软件经数据分析处理后,便可绘制出动态监测图,以反映监测水域的水质情况、污染面积和扩散动向,实时监测水体污染情况,从而为水环境的科学治理提供客观、精确的水质信息依据。

4 应用实例(水下测量)

4.1 测区概况

某运河航道疏浚工程因南段较为狭长,对水下地形测量不便采用传统技术,经实地勘察与研究,决定采用GPS-RTK与测深仪配合作业的方式进行航道断面测量。断面布置垂直于水流方向,间距按50.0 m控制,每断面内测点间距为2.0 m。

4.2 测量准备

本次高程测量采用三等水准测量,平面坐标采样使用静、动态结合方法。根据职能分工,共设置七个测量小组,即GPS-RTKⅠ组、GPS-RTKⅡ组、GPS-RTKⅢ组、全站仪Ⅰ组、全站仪Ⅱ组、水准Ⅰ组和水准Ⅱ组。GPS-RTKⅠ组和GPS-RTKⅡ组负责静态测量,其中Ⅰ组作为Ⅲ组动态测量参考站,Ⅱ组作为Ⅲ组动态测量流动站;GPS-RTKⅢ组基于Ⅰ、Ⅱ组负责动态测量;全站仪两组负责碎步测量;水准Ⅰ组负责测区内控制点高程测量;水准Ⅱ组负责河底高程测量。

4.3 控制网布设

本次测区线路长、范围大,为保证测量精度,根据已知控制点,按照五等边连式布网要求,沿河道两边布设一级控制点12个,同时联测布设二级控制点5个。此次一级控制网最大边长8 123.4 m,最小边长1 892.2 m,平均边长4 857.4 m,满足规范要求。此外,将控制网中的长边构成大地四边形或中点多边形,对一级控制点应联测至少2个地方坐标系控制点或高等级国家控制点。

4.4 碎步测量

碎步测量由全站仪两组和GPS-RTKⅢ组负责完成,采用三等水准高程和GPS平面坐标(包括全站仪),以保证测量精度。碎步测量实施前,对测站与后视点距离和高程进行全面检查,测量过程依据地形图测量规范,按要求控制高程变化。通过联合测量,最终根据测量结果绘制出河道断面图。

为保证测绘结果的精密性,测量过程中若遇大坑或深沟等复杂地形,当相邻两测点高差大于0.2 m时,需进行加密测量,同时标明各测点地形特征。此外,以0.5 m等高线为基准进行测绘。

4.5 桩界测设

测区范围内功埋设界址点244个,采用GPS-RTK动态法进行测图,测量流程如下:

架设基准站,精确对中接收机天线,对中误差≤2 mm,量取天线高度,读数精确至1 mm;

选择电台频率,确保不串频,流动站有效卫星不少于5个,PDOP<6且采用固定解成果;

选择测量模式,设置基准参数、转换参数和数据链通讯频率,并与参考站保持一致;

在开阔地带初始化流动站,同时远离建(构)筑物和水域,以防造成多路径影响;

(5)实施外业测量,填写测量记录。

4.6 数据分析

本次GPS-RTK平面坐标采样、高程测量和水准高程测量精度均满足对应要求,随机抽取两个断面进行GPS-RTK高程和水准高程比较,见表1。

表1 GPS-RTK高程与水准高程比对表 m

5 结语

数据对比可知,GPS-RTK测量高程和水准测量高程最大相差不足2.5 cm,由此说明GPS-RTK碎步测量高程数据真实可靠,测量结果可作为河道疏浚工程实施的重要依据。

为了进一步推广GPS-RTK技术在水文水资源监测中的应用,笔者结合实践经验的总结和理论知识的学习,提出以下4点建议:

(1)建立完善的水文水资源监测系统,以进一步突出GPS-RTK技术的可扩展性;

(2)针对监测数据,着力构建更为完善的分析模型,以提升计算结果的精确性;

(3)增强技术开放性,通过与RS、GIS、IT等技术的结合,以提升GPS-RTK技术的适用性和先进性,从而进一步扩大应用范围和监测场景;

(4)将GPS-RTK技术与网络关联,利用信息网络来弥补自身技术在智能化与自动化方面的不足,同时实现资源共享,提供综合信息的网络化服务,以真正实现水文水资源监测的全面覆盖。