GPS在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

付曉婷,曹佳云,賀 丹

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127)

由于全球定位系統(tǒng)具有精度高、速度快、全天候、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),所以在水土保持調(diào)查、監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。特別是SA政策的取消,給水土保持監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)蓬勃的生機(jī)。水土保持監(jiān)測(cè)方法也層出不窮,究竟哪一種方法更適用于實(shí)地監(jiān)測(cè),需要進(jìn)行對(duì)比探索。對(duì) GPS接收機(jī)的正確選擇也是進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)的前提。

1 水土流失監(jiān)測(cè)概述

水土流失是指在自然和人為作用下特定地塊上水和土的損失。與水土流失相關(guān)聯(lián)的術(shù)語(yǔ)有土壤流失和土壤侵蝕等。土壤流失單指土的損失,不包括水的損失;土壤侵蝕是指自然和人為作用對(duì)土壤的破壞和移動(dòng)。一般能夠監(jiān)測(cè)到的是土壤流失量。水土流失的影響因子有坡度、坡長(zhǎng)、土壤可蝕性、降雨和降雨侵蝕力、植被覆蓋度、耕作措施、徑流等。

水土流失監(jiān)測(cè)主要包括水的流失、土的流失和養(yǎng)分流失。水流失監(jiān)測(cè)主要是小區(qū)和小流域觀測(cè)。水土流失監(jiān)測(cè)按空間尺度不同分為小區(qū)、小流域和區(qū)域監(jiān)測(cè)。小區(qū)和小流域監(jiān)測(cè)成果主要用于水土保持規(guī)則和小流域綜合治理,并且主要通過(guò)建立土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。區(qū)域水土流失定量監(jiān)測(cè)成果主要用于土地資源的利用與保護(hù)、國(guó)家和地區(qū)生態(tài)與環(huán)境建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃等。

目前的區(qū)域土壤流失監(jiān)測(cè)主要有 3類(lèi)：

(1)抽樣調(diào)查。按一定原則和比例在區(qū)域范圍內(nèi)抽樣,調(diào)查抽樣單元或地塊的侵蝕因子狀況,再利用土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型估算土壤流失量,進(jìn)而根據(jù)不同的目的進(jìn)行各層次管理或自然單元匯總。

(2)網(wǎng)格估算。按一定空間分辨率將趨于劃分網(wǎng)格,基于 GIS技術(shù)支持,,利用土壤侵蝕匯報(bào)模型估算各柵格土壤流失量,進(jìn)而根據(jù)不同目的進(jìn)行不同層次的單元匯總。

(3)遙感調(diào)查?；谶b感影像資料和 GIS技術(shù),按照一定的空間分辨率,利用全數(shù)字作業(yè)的人際交互判讀方法,通過(guò)分析地形、土地利用、植被覆蓋等因子,確定土壤侵蝕類(lèi)型及其強(qiáng)度與分布。其中抽樣調(diào)查方法是我國(guó)水土流失監(jiān)測(cè)常采用的方法。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)水土流失及其影響因子進(jìn)行了大量、廣泛而較深入的觀測(cè)和研究,建立了諸多土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型,并對(duì)各自的適應(yīng)條件進(jìn)行了較深入的探討。通過(guò)對(duì)土壤侵蝕的產(chǎn)生過(guò)程、成因機(jī)理,尤其是水土流失的影響因子進(jìn)行分析研究,為水土流失的監(jiān)測(cè)、防治提供了理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

2 GPS在水土保持中的應(yīng)用概述

由于全球定位系統(tǒng)(GPS)具有精度高、速度快、全天候、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),所以在水土保持調(diào)查、監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。

林永賢(2000)將 GPS在水土保持方面的應(yīng)用概括為以下三個(gè)方面：

(1)在土壤工程侵蝕調(diào)查中的應(yīng)用。在土壤侵蝕調(diào)查中,利用 GPS進(jìn)行測(cè)量定位,可以快速、高效、方便地把調(diào)查的樣本單元落實(shí)到地面上進(jìn)行測(cè)量和調(diào)查。同時(shí),貯存在GPS接收機(jī)中的樣地坐標(biāo)及調(diào)查數(shù)據(jù)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化直接形成數(shù)據(jù)庫(kù),從而有利于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)。

(2)在水土保持監(jiān)測(cè)中的作用。利用 GPS導(dǎo)航功能,輸入固定監(jiān)測(cè)樣地坐標(biāo),由 GPS接收機(jī)引導(dǎo)調(diào)查員到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn),不僅定位速度快、精度高,而且可以將原有的明標(biāo)改為暗標(biāo)。通過(guò)不同時(shí)期連續(xù)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的植被、土壤、流失面積等變化,建立全市范圍內(nèi)廣泛的水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

(3)在水土保持專(zhuān)題制圖的應(yīng)用。GPS徹底改變了傳統(tǒng)專(zhuān)題圖在制作上手工繪制、成圖慢、精度低、投入高的缺點(diǎn),配合地理信息系統(tǒng)可以滿(mǎn)足多種專(zhuān)題圖制作的要求,實(shí)現(xiàn)出圖準(zhǔn)確、高效和自動(dòng)化。如：以 ACCESS為數(shù)據(jù)平臺(tái),利用省林學(xué)院編制的“土壤工程侵蝕調(diào)查”計(jì)算機(jī)管理程序,結(jié)合各市(縣、區(qū))的行政圖可繪制出不同比例尺的省、市(縣、區(qū))土壤工程侵蝕現(xiàn)狀圖。

3 GPS在水土保持監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

GPS在平面測(cè)量控制、建立各種等級(jí)的控制網(wǎng)(三角網(wǎng)或?qū)Ь€(xiàn)網(wǎng)),多采用靜態(tài)和快速靜態(tài)或用動(dòng)態(tài)后處理方式處理采集到的數(shù)據(jù)。對(duì)于勘界、高精度放樣以及水保措施野外驗(yàn)收、水庫(kù)斷面測(cè)量等的應(yīng)用,需要當(dāng)場(chǎng)知道測(cè)量結(jié)果或精度的應(yīng)用場(chǎng)合,利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的RTK(Real TimeK i-nematic)測(cè)量技術(shù)是解決這類(lèi)問(wèn)題的最好辦法,可提供厘米級(jí)測(cè)量精度。

隨著時(shí)間的推移,3S技術(shù)在水利水保工作中必將占有其重要的位置,GPS作為獲取野外第一手資料的手段,將以其快速、準(zhǔn)確、不受地理位置限制、成圖容易的優(yōu)勢(shì)進(jìn)入 21世紀(jì)的水保動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中。隨著 GIS在水土保持工作中得到廣泛運(yùn)用,水土保持管理工作也正在由定性描述、不定位逐步走向量化、定位管理。

隨著GSM網(wǎng)在全國(guó)絕大部分地區(qū)的覆蓋,數(shù)據(jù)傳輸、短消息等 GSM業(yè)務(wù)的開(kāi)通,利用 GSM網(wǎng)絡(luò),將 GPS和GIS有機(jī)的結(jié)合在一起,從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確的 GPS水土保持監(jiān)測(cè)和管理。

3.1 RTK技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(real time kinenatic,RTK)測(cè)量系統(tǒng),是GPS測(cè)試技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。RTK技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分 GPS測(cè)量技術(shù),它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)自動(dòng)化、集成化程度高、測(cè)繪功能強(qiáng)大;降低了作業(yè)條件要求;定位精度高,數(shù)據(jù)安全可靠,沒(méi)有誤差積累;作業(yè)效率高;操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)的方法多是利用不同年份的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)計(jì)算水土流失面積和水土流失量,進(jìn)而采取保護(hù)措施。這種方法成本較高,更新速度較慢,且計(jì)算的結(jié)果精度較低,不能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。利用 GPS快速RTK技術(shù)就可以將地面變化部分的數(shù)據(jù)在野外采集到,并通過(guò)計(jì)算機(jī)處理輸入GIS,使得利用 GIS管理水土保持工作成為可能,且利用 GPS采集數(shù)據(jù)比原來(lái)更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)。

用 GPS快速 RTK技術(shù)可為水土保持治理工作提供大量可靠信息和依據(jù),并且可將外業(yè)測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成圖放到土地利用圖和數(shù)據(jù)庫(kù)中。為流域水土保持管理信息系統(tǒng)提供科學(xué)數(shù)據(jù),為水土流失治理效益評(píng)價(jià)、土壤侵蝕預(yù)測(cè)、工礦開(kāi)發(fā)及修路棄土量、水土保持措施驗(yàn)收、管理、決策提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 GPS靜態(tài)單點(diǎn)定位與快速 RTK技術(shù)的結(jié)合方法

在水土保持監(jiān)測(cè)時(shí),如果碰到新增加的水土流失區(qū)域,常用 RTK技術(shù)測(cè)量其流失面積,為了與衛(wèi)星遙感影像的坐標(biāo)系一致,必須先與國(guó)家控制點(diǎn)聯(lián)測(cè),然后進(jìn)行地類(lèi)邊界和地形測(cè)量等工作。這種方法常因國(guó)家已知點(diǎn)被破壞而受數(shù)量與分布的限制和誤差積累的影響,工作效率有待提高。

解決問(wèn)題的思路,是利用一套(2臺(tái))雙頻 GPS進(jìn)行靜態(tài)單點(diǎn)定位與快速 RTK技術(shù)的結(jié)合來(lái)測(cè)量。即：先用GPS單點(diǎn)定位測(cè)量已知控制點(diǎn)的坐標(biāo),求得測(cè)量值與已知坐標(biāo) X、Y的偏差值—接近一常數(shù),然后在測(cè)區(qū)任意地方兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)定位,考慮偏差值,計(jì)算控制點(diǎn)的坐標(biāo),從而完成控制測(cè)量的工作;最后一邊對(duì)水土流失的邊界實(shí)施 RTK測(cè)量,一邊進(jìn)行控制點(diǎn)的加密(單點(diǎn)定位),即在哪里超出 RTK測(cè)量的有效范圍,就在哪里進(jìn)行單點(diǎn)定位測(cè)量。單點(diǎn)定位技術(shù)是這種方法的關(guān)鍵。

當(dāng)用 RTK方法和單點(diǎn)定位加密控制點(diǎn)時(shí),應(yīng)固定移動(dòng)站的天線(xiàn),遠(yuǎn)離各種強(qiáng)電磁干擾源和大面積的信號(hào)反射物,以避免多路徑效應(yīng)帶來(lái)的較大誤差。所采用的衛(wèi)星數(shù)越多,分布越均勻,則 PDOP值越小,RTK的精確性和可靠性越高,且初始化的時(shí)間也越短。

在用 GPS的單點(diǎn)定位和RTK技術(shù)進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)之后,需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。一般野外移動(dòng)站 GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)(WGS一 84坐標(biāo))由掌上電腦控制,首先需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京 54坐標(biāo)。通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接,將掌上電腦中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭话汶娔X中,并采用 Ez-office軟件將其轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)據(jù)格式,然后根據(jù)地類(lèi)界的主要特點(diǎn),對(duì)地類(lèi)界的屬性進(jìn)行標(biāo)注與編輯。最后需要用 GIS軟件 ARCView等成圖,并與之前的、土地利用圖、地形圖等進(jìn)行疊加分析,計(jì)算水土流失量和水土流失面積。

3.3 “3S”技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

“3S”技術(shù)是遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的統(tǒng)稱(chēng)?！?S”技術(shù)正處在日新月異的發(fā)展階段?！?S”技術(shù)于 20世紀(jì) 70年代引入我國(guó)后,在土壤侵蝕研究應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,目前在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土保持管理信息化建設(shè)等方面應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。

比如,深圳市建立了水土保持管理信息系統(tǒng),這是將 3S應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)中的一個(gè)典型實(shí)例(肖衛(wèi)國(guó) 2003)。在該系統(tǒng)中,GPS實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①運(yùn)用現(xiàn)時(shí)遙感數(shù)據(jù)與歷史遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合分析,能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)土地利用的變化區(qū)域,再用后差分 GPS技術(shù)精確測(cè)量土地利用的變化數(shù)據(jù),可以得到變化的定量數(shù)據(jù)。②GPS測(cè)量數(shù)據(jù)都是以數(shù)字形式存儲(chǔ),可以直接輸入或經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后進(jìn)入 GIS系統(tǒng)成圖,避免了傳統(tǒng)方法中多次轉(zhuǎn)繪、清繪帶來(lái)的誤差,可加快數(shù)據(jù)采集過(guò)程,有利于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。③GPS精度較高,可以作為地理信息系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的精度校核系統(tǒng)。④在土壤侵蝕調(diào)查中,利用 GPS進(jìn)行測(cè)量定位,快速、高效、方便把調(diào)查的樣本單元落實(shí)到地面上進(jìn)行測(cè)量和調(diào)查。同時(shí),貯存在GPS接收機(jī)的樣地坐標(biāo)及調(diào)查數(shù)據(jù)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化直接形成數(shù)據(jù)庫(kù),從而有利于數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)。⑤通過(guò)不同時(shí)期連續(xù)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的植被、土壤、流失面積等變化,建立全市范圍廣泛的水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。⑥GPS作為一門(mén)應(yīng)用技術(shù),有助于大大提高工作效率,加速水土保持科研從定性向定量發(fā)展,為水土保持的規(guī)劃、調(diào)查、監(jiān)測(cè)等方面提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。通過(guò)本系統(tǒng),可以把差分后的數(shù)據(jù)文件在遠(yuǎn)程客戶(hù)端通過(guò) Internet或局域網(wǎng)導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生新圖斑,并提示輸入相應(yīng)的屬性信息,自動(dòng)計(jì)算出此圖斑的面積。

卜兆宏(2005)介紹了 GPS實(shí)測(cè)更新 GIS陳舊處數(shù)據(jù)的實(shí)用方法研究及其在水土流失定量檢測(cè)中的應(yīng)用,也是 3S在水土流失中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。該方法由 GPS軟硬件接收設(shè)備組裝的實(shí)測(cè)儀器、實(shí)施實(shí)測(cè)的要點(diǎn)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換與對(duì) GIS陳舊處數(shù)據(jù)的更新處理等部分組成。它在實(shí)測(cè)更新土地利用圖的應(yīng)用效果,與測(cè)繪屆所采用的 RTK技術(shù)比,更為經(jīng)濟(jì)、快速和實(shí)用,而其所定位置和更新的 GIS數(shù)據(jù)結(jié)果在消除系統(tǒng)誤差后更為可信。

研究的應(yīng)用區(qū)是地跨江蘇省南京溧水縣和鎮(zhèn)江句容市的方便水庫(kù)流域。最終的應(yīng)用結(jié)果分為直接應(yīng)用結(jié)果和間接應(yīng)用結(jié)果。直接應(yīng)用結(jié)果是更新了產(chǎn)沙小流域的土地利用圖,并獲得近幾年該小流域上游和整個(gè)產(chǎn)沙流域的土地利用變化。利用實(shí)測(cè)更新圖,對(duì)全流域的土地利用圖、水系圖和交通圖的原 GIS數(shù)據(jù)做了更新。間接應(yīng)用結(jié)果,是將 GPS實(shí)測(cè)更新 GIS數(shù)據(jù)后應(yīng)用于水土流失定量監(jiān)測(cè)所取得的結(jié)果。監(jiān)測(cè)前后的變化幅度比較大。所以用GPS實(shí)測(cè)更新 GIS數(shù)據(jù)是很必要的。

3.4 “3G”技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

由于水土保持要求 GPS測(cè)量具有比較高的時(shí)效性和測(cè)量精度,因此,GPS技術(shù)在水土保持中通常采用快速靜態(tài)測(cè)量方法和動(dòng)態(tài)差分測(cè)量方法,使用較為頻繁的是動(dòng)態(tài)差分測(cè)量方法。對(duì)于水土保持領(lǐng)域中動(dòng)態(tài)差分定位要求的米級(jí)精度而言,理所當(dāng)然要采用偽距或載波相位的差分技術(shù)。差分定位技術(shù)按時(shí)間狀態(tài)又可分為實(shí)時(shí)差分和事后差分。事后差分技術(shù)具有結(jié)果更可靠、精度有保證、易于實(shí)現(xiàn)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣大水土保持工作者認(rèn)同。但是,由于事后差分技術(shù)不具有實(shí)時(shí)性,而且內(nèi)業(yè)處理耗時(shí)太長(zhǎng),從而制約了事后差分技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

隨著 GSM網(wǎng)在全國(guó)絕大部分地區(qū)的覆蓋,數(shù)據(jù)傳輸、短消息等 GSM業(yè)務(wù)的開(kāi)通,上述要求就有了一個(gè)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的方法：就是利用 GSM網(wǎng)絡(luò),將 GPS和 GIS有機(jī)的結(jié)合在一起,從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確的 GPS水土保持監(jiān)測(cè)和管理。有人將這種由 GPS、GSM、GIS相結(jié)合構(gòu)成的水土保持監(jiān)測(cè)和管理技術(shù)稱(chēng)之為 3G"水土保持監(jiān)測(cè)和管理技術(shù)。

3G水土保持監(jiān)測(cè)和管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是利用GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和短消息服務(wù)功能取代實(shí)時(shí)差分技術(shù)中的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈。它的作用距離僅受限于GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況,而且,重量輕、功耗低,數(shù)據(jù)傳輸和短消息的服務(wù)費(fèi)用也不高。

除了 GPS衛(wèi)星部分外,整個(gè)差分定位由三部分構(gòu)成(如圖 1)。第一部分是 GSM網(wǎng)絡(luò)部分,這部分可以利用中國(guó)移或中國(guó)聯(lián)通的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。另外兩部分為監(jiān)控中心站部和流動(dòng)站部分,由用戶(hù)建立。其中,流運(yùn)站通常由裝有 GSM數(shù)據(jù)模塊的測(cè)量型GPS接收機(jī)構(gòu)成,監(jiān)測(cè)中心通常由運(yùn)專(zhuān)業(yè)軟件的服務(wù)器和GPS接收機(jī)、GSM數(shù)據(jù)模塊構(gòu)成。流站GPS接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào),并將數(shù)據(jù)通過(guò) GSM模塊送出去,監(jiān)測(cè)中心接收到流動(dòng)站的數(shù)據(jù)后,與監(jiān)測(cè)中心內(nèi)GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行逆向差分解算,并將解算的結(jié)更新到GIS的數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí),還可將具有較高精度的逆差分結(jié)果反饋給流動(dòng)站。

圖1 利用GSM進(jìn)行差分定位

假如在一個(gè)城市建設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)中心,該市同時(shí)有 A、B、C、D、E等多個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn),給每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各配一臺(tái)帶有GSM數(shù)據(jù)模塊的 GPS接收機(jī),A、B、C、D、E等各個(gè)流動(dòng)站獨(dú)立工作,它們將 GPS接收機(jī)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過(guò) GSM網(wǎng)絡(luò)送入中心站進(jìn)行處理,中心站只需配置一臺(tái)測(cè)量型 GPS接收機(jī)以及相應(yīng)的 GSM數(shù)據(jù)模塊就幾乎可以同時(shí)對(duì)各個(gè)流動(dòng)站進(jìn)行逆向差分解算,并進(jìn)行 GIS系統(tǒng)的更新。使用起來(lái)既方便又經(jīng)濟(jì)。

將 GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 GPS準(zhǔn)實(shí)時(shí)逆向差分定位技術(shù)應(yīng)用在水土保持監(jiān)測(cè)中,可以大大提高差分定位的可靠性、及時(shí)性。同時(shí),又能在降低對(duì)測(cè)量人員技術(shù)要求的情況下,將 GIS與GPS更有機(jī)地結(jié)合在一起,從而增強(qiáng) GPS在水土保持監(jiān)測(cè)與管理中的應(yīng)用能力。雖然它在一定程度上受制于 GSM網(wǎng)絡(luò)的分布與服務(wù),但由于它具有可靠性、長(zhǎng)距離、使用簡(jiǎn)單、攜帶方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),可以在全國(guó)各地推廣使用。

4 GPS應(yīng)用于水土保持的精度測(cè)試

由于 GPS在水土保持行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,特別是SA政策的取消,給水土保持監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)蓬勃的生機(jī),因此為了滿(mǎn)足不同層次監(jiān)測(cè)和管理的需要,GPS的選擇和精度就成為一個(gè)重要的因素。水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心在 2001年對(duì) GPS應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)進(jìn)行了精度測(cè)試,并給出了進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)選擇 GPS要注意的關(guān)鍵問(wèn)題。

水土保持監(jiān)測(cè)工作的基本特點(diǎn)是時(shí)效性要求較高,測(cè)量精度要求較高。根據(jù)水土保持重點(diǎn)區(qū)域多為山丘地帶、地形起伏較大、通視條件差、水土保持措施分布較分散等特點(diǎn),當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)對(duì) GPS接收機(jī)的要求,可概括為：

(1)定位精度：動(dòng)態(tài)定位水平 2m,垂直 3m;快速靜態(tài)測(cè)量水平 0.5m,高程小于 1m.

(2)靈敏度：捕獲信號(hào)時(shí)間小于 1.5 min,定位冷啟動(dòng)時(shí)間小于 45 s,熱啟動(dòng)小于 15 s。

(3)容量：1M以上內(nèi)存,記錄坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)不小于 500個(gè)。

(4)能同時(shí)接收 8顆以上衛(wèi)星信號(hào),可調(diào)節(jié)采集歷元的頻率。

(5)山體遮擋時(shí)有跟蹤GPS衛(wèi)星的能力。

(6)具有幾何量算功能和記錄地物屬性的功能。

(7)操作簡(jiǎn)單,能方便地進(jìn)行不同坐標(biāo)系的整理轉(zhuǎn)換,配套軟件效率較高。

(8)體積小,重量輕,便于攜帶。

目前 GPS市場(chǎng)繁榮,用戶(hù)有很大的選擇余地。在應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究前,首先要清楚 GPS的基本功能是定位和導(dǎo)航,取消 SA政策后,精度應(yīng)為 15 m,不管產(chǎn)品的標(biāo)稱(chēng)精度為多少;其次,要清楚自己的工作環(huán)境與目的,不同的GPS接收機(jī)適應(yīng)于不同的環(huán)境,有的天線(xiàn)內(nèi)藏,靈敏度較低,適用于空中沒(méi)有遮擋、自然條件較好的工作中,而水保監(jiān)測(cè)的工作環(huán)境比較復(fù)雜,應(yīng)選擇靈敏度較高的天線(xiàn),最好選用測(cè)量型天線(xiàn),還要考慮機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能;再次,要仔細(xì)了解不同型號(hào) GPS接收機(jī)的性能,如捕獲時(shí)間、接口、顯示、坐標(biāo)系、容量大小、電池壽命及有無(wú)記憶電池、工作溫度、尺寸、重量等等;最后,應(yīng)考察所選儀器的生產(chǎn)廠(chǎng)家及其代理機(jī)構(gòu)的售后服務(wù)及技術(shù)支持情況。

水利局選擇了 7家(國(guó)外 4家、國(guó)內(nèi) 3家)知名品牌的便攜式 GPS事后差分設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括檢測(cè) GPS水平方向的定位精度、高程測(cè)量的絕對(duì)誤差、記錄地物屬性的功能以及能否按要求采集數(shù)據(jù)等幾方面。進(jìn)口儀器設(shè)備與國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品在精度上沒(méi)有顯著差異;從測(cè)量的絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)看,各家之間有較為顯著的差異。各家的軟件均存在不同程度的缺陷,內(nèi)業(yè)處理較為復(fù)雜,說(shuō)明配套軟件仍有進(jìn)一步改進(jìn)的必要。從測(cè)量的結(jié)果看,具有載波相位的事后差分設(shè)備的快速靜態(tài)測(cè)量及動(dòng)態(tài)軌跡測(cè)量基本均可滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了 GPS在水土保持中的應(yīng)用,總結(jié)并著重介紹了各種 GPS技術(shù)方法在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,它們的優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題,最后給出了在水土保持監(jiān)測(cè)中選擇 GPS的一些建議?？梢钥闯?采用這些監(jiān)測(cè)方法有一個(gè)共同點(diǎn),就是用與用 GPS相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行外業(yè)觀測(cè),內(nèi)業(yè)處理基本上都采用 GIS技術(shù),然后與之前的遙感影像或者土地利用等專(zhuān)題圖進(jìn)行疊加對(duì)比分析,最終得出水土流失量和水土流失面積?，F(xiàn)在不管應(yīng)用哪種方法,都離不開(kāi) GPS技術(shù)、GIS技術(shù)與 RS的結(jié)合,所以 3S技術(shù)依然是水土保持監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)方法。

在進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)的時(shí)候,可以根據(jù)監(jiān)測(cè)地的特點(diǎn)、經(jīng)費(fèi)以及可應(yīng)用到的技術(shù)水平來(lái)選擇應(yīng)用哪一種監(jiān)測(cè)技術(shù)以及何種 GPS接收機(jī)。也可以在試驗(yàn)區(qū)采用多種方法進(jìn)行對(duì)比分析,確定適合的監(jiān)測(cè)方法。在監(jiān)測(cè)之后,最好能對(duì)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià),使得監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以進(jìn)行正確的決策。希望本文能對(duì)水土保持的監(jiān)測(cè)工作起到一點(diǎn)借鑒作用。

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