GNSS技術(shù)在河面水位信息采集方面的應(yīng)用研究

周俊華，梁曉東，熊 用，雷夢飛，孔 超

（湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長沙 410000）

一般，當(dāng)洪澇等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，地面的電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等基建設(shè)施都會受到一定程度的損壞，受災(zāi)的地表環(huán)境也復(fù)雜多變，進(jìn)行河流水文信息采集的各類設(shè)備和裝置都會受到影響，嚴(yán)重的甚至無法正常工作。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁?4h全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，可以不依賴河邊的固定設(shè)備而精確獲得水位高度等水文信息，能為防范洪澇災(zāi)害提供有力的保障。文章主要介紹近年來GNSS技術(shù)在水位信息采集方面的研究和進(jìn)展，并提出后續(xù)的應(yīng)用研究及發(fā)展方向。

1 利用GNSS技術(shù)測量水位高度

GNSS技術(shù)主要目的為精確獲取地表待測物體的三維坐標(biāo)，一般原理是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測量，配合用戶鐘差，計(jì)算得出物體的三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息。由于水面對衛(wèi)星信號具有很強(qiáng)的反射作用，因此一般處在水面附近的衛(wèi)星接收天線可以同時(shí)收到同一顆衛(wèi)星的多個(gè)信號，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。在利用水面反射衛(wèi)星信號的研究上，吳繼忠等[1]給出了一種利用單臺GPS接收機(jī)接受水面反射信號來測量水面高度的方法，其結(jié)果表明，在觀測條件良好的情況下，利用反射信號測得水面高度的標(biāo)準(zhǔn)差在±3cm，在觀測條件較差的海面上得到的結(jié)果也與驗(yàn)潮儀一致。

白偉華等[2]研究了如何利用GNSS-R技術(shù)測量水面高度，一種方法是利用信號的直接傳輸和反射傳輸?shù)拇a延遲來測高，測量結(jié)果表明，在水面較粗糙時(shí)GNSS散射信號的相關(guān)性很差、相干分量很小，接收機(jī)無法完成鎖相從而得不到有效的相位數(shù)據(jù)，尤其在空基或星載高動(dòng)態(tài)的情況下效果更加不理想；另一種方法是利用載波相位差分來測量，在岸基情況下以直接信號作為參考頻率，采用開環(huán)跟蹤方法來跟蹤反射信號從而得到附加載波信息，通過使用空間中心的CSSAAR GNSS-R海洋反射軟件接收機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證。通過使用碼測高和開環(huán)相位測高兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，高度測量數(shù)據(jù)和雙頻GPS差分定位的結(jié)果一致，精度均達(dá)到厘米級。

在利用直接衛(wèi)星信號定位方面，王弼松等[3]針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量高度誤差過大的不足，研究從平面定位數(shù)據(jù)到高度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法，引入三角形觀測模型，把由衛(wèi)星定位得到地面兩點(diǎn)的經(jīng)緯度所獲得的水平距離轉(zhuǎn)化為高度。通過測試結(jié)果表明，河流水位變化的測量誤差在±0.8m以內(nèi)，誤差過大不具備實(shí)際應(yīng)用意義。

在利用GNSS技術(shù)測量水位高度上，由于GNSS測量得到的數(shù)據(jù)是大地高程，而水位測量通常采用國家“85”高程，因此需要建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。同時(shí)，為確保水位數(shù)據(jù)測量結(jié)果的精度，需引入相關(guān)的濾波模型，通過對短時(shí)間內(nèi)的水位測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，消除觀測誤差的干擾。另外，水位高度是指水體面高出固定基面的高程，而固定基面有兩種：一種是絕對基面，采用規(guī)定高程系統(tǒng)的零點(diǎn)為基準(zhǔn)，得到的水位為水面海拔；另一種是相對基面，即以河流歷年最低點(diǎn)或河床最低點(diǎn)為零點(diǎn)面。在防汛方面，一般需要防范的是由于水面過高導(dǎo)致的水底壓強(qiáng)過大，進(jìn)而引發(fā)管涌和堤壩受壓坍塌。因此，第二種相對水位高度的實(shí)際應(yīng)用意義更大。利用GNSS測量水位信息需要綜合河流的地理信息才能得到有效的水位高度。

2 基于北斗的水上監(jiān)測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)研究

為了實(shí)現(xiàn)水位的采集，一般直接在各種水文采集系統(tǒng)上集成GNSS以獲得精準(zhǔn)定位，如蘇天放[4]以北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種智能化的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括信息收集終端、北斗定位通信模塊、電源模塊等。王嘉鑫[5]設(shè)計(jì)了一種北斗信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信標(biāo)機(jī)、接收裝置、定位軟件組成。該系統(tǒng)具有功耗低、體積小、不受傳輸距離限制的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)3級海況的工作需求，在風(fēng)浪中漂浮，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。黃盛霖等[6]針對傳統(tǒng)浮標(biāo)聲吶（常集群應(yīng)用于航空反潛作業(yè)，依靠GPS定位）受結(jié)構(gòu)和體積所限，導(dǎo)致單枚浮標(biāo)所攜帶的能量有限的不足，設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉的電源管理模塊，有效提高了浮標(biāo)聲吶的工作時(shí)間。陳鋼[7]通過對中小河流流域水文信息的分析，提出以通過設(shè)立遠(yuǎn)程水文監(jiān)測模塊配合大量無線傳感器的方法，構(gòu)建中小河流流域的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合北斗定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對被監(jiān)測區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

基于GNSS技術(shù)的水上監(jiān)測系統(tǒng)，一般由浮標(biāo)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等模塊組成。其基本功能容易實(shí)現(xiàn)，但是要實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確、低功耗、長續(xù)航、通信穩(wěn)定可靠，則還需要不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究。

3 利用3S技術(shù)建立防汛減災(zāi)系統(tǒng)的研究

由于GNSS技術(shù)只能單純地獲取被測物體的三維坐標(biāo)，而水面測量的很大一部分作用是防汛。在防汛減災(zāi)方面，地理信息系統(tǒng)GIS、遙感技術(shù)RS、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的綜合運(yùn)用即3S技術(shù)，是未來發(fā)展的一大趨勢。

周富春等[8]利用3S集成技術(shù)，研究了通過RS及時(shí)接收衛(wèi)星云圖和氣象信息資料，借助基于GIS的綜合信息平臺，查看不同流域水文信息。并借助模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等理論和方法，對降水、洪峰流量及其持續(xù)時(shí)間和范圍等各水文要素等進(jìn)行科學(xué)、合理預(yù)測，可以有效地為水量調(diào)度和防汛抗災(zāi)提供依據(jù)。

李觀義[9]通過研究3S技術(shù)將基于GPS的大氣可降水量反演、洪水監(jiān)測、災(zāi)情評估等各子系統(tǒng)在地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺上進(jìn)行集成，并將研究成果應(yīng)用于北江流域和北江大堤保護(hù)區(qū)等地區(qū)，取得了很好的科研和應(yīng)用效果。

周全保[10]認(rèn)為GPS在防汛搶險(xiǎn)工作中的應(yīng)用主要有如下幾方面：險(xiǎn)工險(xiǎn)段的快速定位；防汛搶險(xiǎn)車輛和險(xiǎn)區(qū)群眾撤離指揮的調(diào)度；出險(xiǎn)工程的準(zhǔn)確觀測，如大壩形變或滑坡的高精度、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測；洪水行進(jìn)和淹沒范圍的快速測量等。

黃喜良等[11]通過GPS衛(wèi)星提供準(zhǔn)確經(jīng)、緯度位置信息后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問Internet進(jìn)行防汛抗旱形勢圖的上報(bào)、決策草圖的下載，提供了一種方便、快捷、精確、統(tǒng)一的獲取信息、輔助決策、指揮、調(diào)控的工作模式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)從省級到地方各地市級防辦的上下級聯(lián)動(dòng)。

姜龍等[12]依據(jù)堤防工程線路長、類型多、范圍廣、標(biāo)準(zhǔn)高、任務(wù)重和分工雜細(xì)等工程特點(diǎn)，結(jié)合高精度定位PAD、智能巡檢系統(tǒng)的信息化優(yōu)勢，建立實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、高效的三維信息化管理平臺。并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端“巡檢、發(fā)現(xiàn)、上報(bào)、反饋”和決策端“下載、處理、派遣、反饋”相結(jié)合的“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題”信息化管理模式。

安慶市在2015年有59座中小型水庫加入了GPS定位巡查系統(tǒng)，系統(tǒng)建成運(yùn)行后，省、市、縣三級防汛抗旱指揮部人員均可通過平臺對轄區(qū)內(nèi)的水庫巡查人員進(jìn)行GPS定位并呼叫對講，能實(shí)時(shí)掌握巡查人員的動(dòng)態(tài)，還可回放其行動(dòng)軌跡；巡查人員亦可通過應(yīng)急終端將水庫的實(shí)時(shí)照片、視頻影響資料上傳至調(diào)度平臺，供上級實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場狀況，實(shí)現(xiàn)全天候的監(jiān)測管理，保障水庫安全度汛。

當(dāng)前，關(guān)于3S技術(shù)的研究非常廣泛，也形成了許多的可用案例，其應(yīng)用效果在某些具體的方面表現(xiàn)突出，但是在整個(gè)3S技術(shù)的集成及數(shù)據(jù)綜合處理運(yùn)用上還需要研究突破。

4 結(jié)束語

利用GNSS技術(shù)測量河面水位信息，在防汛減災(zāi)上具有重要的應(yīng)用意義；關(guān)于衛(wèi)星信號利用上的研究，有分析直接接收信號、分析反射接收信號、分析兩種信號綜合處理等多種方案；測量的結(jié)果其誤差大小不一，數(shù)據(jù)處理的方法也多種多樣。但是此種方法得到的只是基礎(chǔ)的位置數(shù)據(jù)，后續(xù)需要引入多種模型以消除水面固有的波動(dòng)誤差、流速帶來的精度影響，水面各種反射信號導(dǎo)致的干擾等，只有綜合考慮多種干擾因素并消除，才能得到真實(shí)反映水面水位信息的有效數(shù)據(jù)。

在測量設(shè)備的研究方面，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了多種經(jīng)過實(shí)際測試的裝備。該類設(shè)備基本都能完成測量工作，但是在性能上需要優(yōu)化改進(jìn)，包括提高其定位精度、降低設(shè)備功耗、確保通信穩(wěn)定性等，否則很難具備生產(chǎn)實(shí)際上的應(yīng)用價(jià)值。

為了綜合有效利用河面水位信息，集成3S技術(shù)是未來的一個(gè)發(fā)展趨勢，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域級別的大數(shù)據(jù)綜合利用，為了挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，可以開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)可視化分析平臺、預(yù)警平臺、調(diào)度平臺等，在實(shí)際應(yīng)用方面具有非常廣闊的前景。