关于水文测量中GPS应用的探讨

　　摘要：文章结合GPS 在水文测量中的应用, 探讨在仪器设备先进的情况下, 如何更有效地提高水下地形测量的精度和工作效率, 介绍流态观测和流量测量定位的新方法, 总结GPS 在水文测量中值得注意的几个问题。

　　关键词：GPS测量;新方法;问题;

　　Abstract: This paper combine with the GPS application in the hydrographic survey, to explore in the case of state-of-the-art equipment, how to more effectively improve the measurement accuracy and efficiency of the underwater terrain, and on the flow pattern observation and the new method of flow measurement positioning, summed up the GPS several issues worthy of note in hydrographic surveying.

　　Key words: GPS measurements; new method; problem

　　中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)01-0020-02

　　一般地, 进行水文测量的内容是相当多的, 主要包括: 水下地形测量( 含礁石等碍航障碍物等) 、水位观测、流向、流速、流量观测、河道断面测量、以及悬移质和河床质取样分析等。同时根据河工模型试验的具体要求, 为获得真实有效的研究资料, 水文测量的各项内容不仅要求同步性, 而且测量工作水位也有严格要求。为此, 水文测量成果更注重真实、准确、及时。

　　1.什么是GPS

　　GPS(Global Positioning System)又称全球定位系统，是美国从20世纪70年代开始研制，于上世纪九十年代建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近10年在我国多部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大科技工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。

　　GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，(如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。)在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

　　2 .GPS测量的技术特点

　　相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：①测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。②定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10 ，而在100～500km的基线上可达10 ～10 。③观测时间短。观测时间短采用快速静态定位方法，观测时间短。例如使用Timble5700GPS接收机的RTK法可在1s以内求得测点坐标。④提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。⑤操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。⑥全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

　　3 .流态观测和流量测量定位的新方法

　　水文因素互相之间是密切关联的, 要获得准确的数据, 各项测量内容需要同步进行, 同时, 根据研究的需要, 水文测量的工作水位要求相当严格。这次任务也不例外, 瞬时比降观测、流速、流态观测、流量测量、含沙量观测及河床质取样均要在同一天内完成。过去, 为了解决该问题, 均采取/ 人海战术0,以人员来弥补仪器、方法和工艺等技术的不足。而在这次测量中, 我们根据实际情况, 经过有关的专业理论分析, 大胆抛弃某些传统的方法, 巧妙地对它进行改进, 不仅提高了测量的质量, 而且取得了很好的经济效益。

　　3.1 对于流速、流态观测, 传统的方法一般采用经纬仪( 或平板仪) 交会法进行, 该方法精度不高, 可行性条件苛刻, 劳动强度大, 常受人为因素影响。而在这次测量中, 我们利用DGPS( 或RT K- GPS) 定位系统进行流向测量点跟踪定位。该方法只需要一个板艇3 个人即可操作, 即一个测量技术人员操作GPS 移动台采集器( 或设定取点时间间隔, 由计算机自动采集数据) , 一人持GPS 接收天线跟踪水面浮标, 一人划艇。该方法不但操作灵活, 工作简便,而且大大减少了所需测量人员, 提高定位精度, 减轻劳动强度。同时, 为了保证全段测量的连续性, 我们将基准站布设在测区中部( 航道站楼顶上) , 并将发射天线尽可能地放置于高处, 这样不必迁移基准站,也能保证每条流线从滩头至滩尾跟踪定位观测都有

　　效。

　　3.2 流量测量、含沙量观测及河床质取样的关键工作是测船的导航定位, 以便准确按设计位置进行取样测量。如果按照传统方法, 一个点的位置放样需要岸上和船上多人配合, 在短时间内完成是根本不可能的, 特别在大洪水观测阶段, 不仅需要测量的断面和垂线增多, 而且水流湍急、紊乱, 定点的难度更加明显。为此, 我们利用GPS 的导航定位功能,便迅速地指挥测量船到达测量定位点上。该定位方法测量船舶的导航、放样等一系列指挥工作均在船上进行, 简化了许多作业程序, 作业人员间配合便显得默契, 作业就比较协调、有效。经实际测算, 比常规使用全站仪工作效率提高40% ~ 80% , 而且保证了测量定位点的位置准确, 提高了测量精度。

　　4.应用GPS 应注意的问题

　　4.1 GPS 基准站设置与常规光电仪器设站区别较大, 为了防止设站错误, 在每次设站后开始测量时, 均应先到其他已知点上进行测试比对, 确认无误后方可进行后续工作。

　　4.2 根据差分GPS 的工作原理, 为了保证测量的精度和差分数据链的正常传播, 特别是采用RTK- GPS 进行地形测量时, 需要严格控制基准站与移动站之间的距离。

　　4.3 GPS 是通过接收GPS 卫星信号来实现测量点位定位的, 其定位的实现和测量精度主要依赖于卫星的状况, 在卫星状况不良时段, 定位的误差会突然增大甚至GPS 信号失锁无法进行定位。鉴于所测量的每一碎部点均为相对独立的, 测量人员在数据采集时应密切注意卫星的状况, 发现所接收使用的卫星数目( 主要为共同采用数目) 过少或出现浮点解时应作特别记录或延长测量时间。

　　4.4 所有测量数据, 特别是水下地形测量数据均是自动采集并以电子文件形式记录在计算机或仪器内存里, 为防止数据丢失, 应及时进行数据备份和汇总工作, 或拷贝提供内业后处理和编辑成图使用。

　　4.5 在水文测量中, 不同的测量内容对精度的要求也不同, 由于GPS 的价格相对来说还比较高, 为此在满足测量精度的前提下, 应从各方面综合考虑,采用价值工程的原理进行分析, 尽可能地提高GPS测量的经济性和适用性。如在利用DGPS( 或RT K- GPS) 定位系统进行流向测量点定位时, 还要考虑到在小板艇上安置如此昂贵的仪器, 有欠安全; 同时在流态复杂河段容易发生因跟踪不上浮标而产生较大的测量误差。

　　5 .结论

　　实践证明, 利用GPS 进行水下地形测量和各种水文测量的导航与定位, 不仅操作简便、效率高, 而且精度比其他常规仪器和方法有较大的提高, 完全实现了外业数据采集的自动化和数字化。同时, 根据水文测量不同内容的精度要求, 运用价值工程的原理进行综合分析, 尽可能地提高GPS 在水文测量中应用的经济性和适用性是今后值得探讨的问题

　　参加文献：

　　[1]徐安雄 周刚炎《测量新技术在水文工作中的应用》

　　[2] 何习平.GPS高差测量精度探讨[J].水电自动化与大坝监测,2002,26(6):29～32.

　　[3] 张高兴.GPS水准法测量高程的精度研究[J].龙岩学院学报,2006，24(3):36～37.