普適型GPS用于黃河鹽鍋峽水位監(jiān)測(cè)分析

馬中民 張雙成,2 劉奇 黃觀文 康前程 彭繼輪

0 引言

黃河是中華民族的母親河．黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位．黃河發(fā)源于青藏高原,流經(jīng)9個(gè)省區(qū),全長(zhǎng)5 464 km,是我國(guó)僅次于長(zhǎng)江的第二大河．黃河流域省份2018年底總?cè)丝?.2億,占全國(guó)30.3%，地區(qū)生產(chǎn)總值23.9萬億元,占全國(guó)26.5%．但是,長(zhǎng)期以來,由于自然災(zāi)害頻發(fā),特別是水害嚴(yán)重,給沿岸百姓帶來深重災(zāi)難．習(xí)近平總書記在2019年9月18日召開的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的講話中提到“洪水風(fēng)險(xiǎn)依然是黃河流域的最大威脅”[1]．因此,作為獲取水文信息的第一手資料,水位監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值,在防洪抗汛、河道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面發(fā)揮著重要作用．如何準(zhǔn)確高效地觀測(cè)大范圍流域水位變化成為近年來的研究熱點(diǎn)[2]．

傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)方法包括水尺、懸垂式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、電子水尺、超聲波水位計(jì)等．它們均能滿足一般水位監(jiān)測(cè)要求,但都存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測(cè)精度不足、時(shí)間分辨率不夠等缺點(diǎn)[3]．

利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)直射信號(hào)與反射信號(hào)的干涉,獲取反射面物理參數(shù)的技術(shù)稱為全球定位系統(tǒng)干涉反射測(cè)量(Global Positioning System Interferometric Reflectometry,GPS-IR)技術(shù)．該技術(shù)屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(hào)遙感技術(shù)(Global Navigation Satellite System-Reflection,GNSS-R)的一個(gè)分支,它憑借著信號(hào)來源豐富、全球覆蓋、成本低、數(shù)據(jù)量大、擁有自定位優(yōu)勢(shì)、功耗小、長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[4-6]．

目前,國(guó)內(nèi)外在GPS-IR技術(shù)應(yīng)用于水位監(jiān)測(cè)方面取得了一系列的研究成果．Larson等[7-9]系統(tǒng)性地提出并推廣了GPS-IR技術(shù)．2012年,吳繼忠等[10]給出一種采用一臺(tái)普通大地測(cè)量型GPS接收機(jī)反射信號(hào)進(jìn)行水面高度變化反演的方法,即利用振幅與信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的關(guān)系,建立SNR與接收機(jī)天線相位中心到水面的垂直距離的函數(shù)模型,實(shí)測(cè)結(jié)果表明采用反射信號(hào)中的SNR反演水面高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是±3 cm．2013年,Larson等[9]利用GPS-IR技術(shù)反演海面高度變化,通過與兩個(gè)鄰近的監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)對(duì)比,分別得到了RMSE為10 cm和5 cm的監(jiān)測(cè)精度．2016年,Strandberg等[11]在GPS-IR技術(shù)中融入B樣條方法,進(jìn)一步提升了GPS-IR技術(shù)用于潮位監(jiān)測(cè)的精度．張雙成等[12]利用靠海岸基CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行了分時(shí)段潮位變化監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)潮站結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均高于0.98．Jin等[13]提出了基于SNR觀測(cè)值和三頻組合和碼組合的BDS-R技術(shù),并用于潮位監(jiān)測(cè)．2017年,Wang等[14]利用小波分解方法,從SNR觀測(cè)量中準(zhǔn)確提取干涉信號(hào),進(jìn)而提升了GPS-IR技術(shù)的穩(wěn)定性,針對(duì)較短的SNR序列,結(jié)果更優(yōu)．

以上研究中所采用的儀器大多為特制天線或成本較高的扼流圈天線,雖然在水位監(jiān)測(cè)精度方面達(dá)到了預(yù)期要求,但成本較高的儀器設(shè)備并不適合做大面積推廣．此外,以上研究大多集中在平靜湖面,或水位變化較為規(guī)律的近海海面,而針對(duì)水情不明、含沙量大、水位變化劇烈的黃河，此前并未有學(xué)者做過此類研究．本文采用安置在黃河鹽鍋峽段的低成本GPS接收機(jī),利用SNR觀測(cè)值,探究GPS-IR技術(shù)用于長(zhǎng)周期黃河水位監(jiān)測(cè)的可行性．

1 普適型GPS接收機(jī)性能分析

1.1 普適型接收機(jī)終端設(shè)計(jì)

接收機(jī)是GNSS系統(tǒng)中的重要組成部分．傳統(tǒng)接收機(jī)主要由基帶信號(hào)處理和導(dǎo)航位置解算兩部分組成．常見測(cè)量接收機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸多依賴于接收機(jī)本身和局域網(wǎng),而帶有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的接收機(jī)造價(jià)通常達(dá)數(shù)萬元[15],且由于黃河流量流速等影響,對(duì)于GNSS遙感應(yīng)用難以大范圍推廣,因此利用GPS-IR技術(shù)觀測(cè)水位變化更需要具有云存儲(chǔ)(無線傳輸)功能的低成本接收機(jī)．

基于此,國(guó)內(nèi)多家儀器開發(fā)商研發(fā)了具有云存儲(chǔ)功能的GPS接收機(jī),其體積僅為傳統(tǒng)接收機(jī)的25%,還具有性能穩(wěn)定和可擴(kuò)展的特點(diǎn)．它的成本降至傳統(tǒng)售價(jià)的10%,功耗也大為降低,約為5 W·h-1．低成本接收機(jī)與傳統(tǒng)接收機(jī)的詳細(xì)對(duì)比參數(shù)如表1所示,接收機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖1所示．

表1 接收機(jī)采集設(shè)備比較

圖1 GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 普適型GPS觀測(cè)值質(zhì)量分析

為實(shí)現(xiàn)GNSS遙感技術(shù)的大范圍推廣,長(zhǎng)安大學(xué)在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有接收機(jī)研究基礎(chǔ)上自主開發(fā)了普適型接收機(jī)．采用物聯(lián)網(wǎng)“傳感器+云”的思維,將傳統(tǒng)GNSS監(jiān)測(cè)終端中的非必要功能模塊,如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電池等進(jìn)行剝離,僅保留數(shù)據(jù)采集和通信模塊．在數(shù)據(jù)傳輸方面使用4G等通信手段將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回云端,在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)云儲(chǔ)存和云計(jì)算[16]．為保證低成本接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和有效性,首先對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

圖2展示了本次實(shí)驗(yàn)所用普適型GPS測(cè)站在2020年第193天的可見衛(wèi)星分布,從圖2中可以看出普適型GPS接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好,一天中絕大部分時(shí)刻都可以同時(shí)觀測(cè)到8顆以上衛(wèi)星．

圖3展示了普適型GPS測(cè)站在2020年第193天內(nèi)的信噪比、多路徑和高度角．從圖3中可以看出信噪比SNR和多路徑效應(yīng)隨衛(wèi)星高度角變化明顯,當(dāng)接收衛(wèi)星高度角變小時(shí),信噪比SNR數(shù)值變小,多路徑效應(yīng)增大;反之,當(dāng)接收衛(wèi)星高度角變大時(shí),信噪比SNR數(shù)值變大,多路徑效應(yīng)減?。?/p>

為進(jìn)一步探究普適型GPS測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,隨機(jī)挑選實(shí)驗(yàn)期內(nèi)任意2天觀測(cè)文件進(jìn)行TEQC質(zhì)量分析．表2給出了普適型GPS測(cè)站2020年7月11日和8月9日TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析情況．

表2 普適型GPS測(cè)站2020年7月11日、2020年8月9日TEQC數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖2 普適型GPS測(cè)站可見衛(wèi)星分布(年積日193天)

圖3 信噪比/多路徑/高度角分布(年積日193天)

可以看出,測(cè)站這2天內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)利用率均為92%,L1和L2多路徑誤差分別為0.33、0.31和0.49、0.46,觀測(cè)數(shù)據(jù)與周跳比分別為1 069和1 135,整體來看,普適型接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠有效．

2 GPS-IR提取水位基本原理

GPS-IR技術(shù)監(jiān)測(cè)水位高度變化利用了導(dǎo)航衛(wèi)星定位中的多路徑效應(yīng)．GPS信號(hào)經(jīng)反射表面反射后會(huì)被接收機(jī)接收,反射后的信號(hào)由沿鏡像傳播的相干分量和無規(guī)律的散射分量組成．GPS-IR技術(shù)的核心就是利用直射信號(hào)和反射信號(hào)的相干分量部分發(fā)生的干涉作用．根據(jù)信號(hào)反射原理,反射面越光滑,相干分量部分的功率越強(qiáng);而介質(zhì)表面越粗糙,相干分量部分的功率越弱[17]．

如圖4所示,GPS信號(hào)經(jīng)黃河水面后發(fā)生反射,紅色部分為反射信號(hào)相干分量與直射信號(hào)之間的路徑差,E指GPS接收機(jī)天線相位中心到水面的垂直距離,h是指GPS衛(wèi)星的高度角．

圖4 GPS-IR水位監(jiān)測(cè)技術(shù)示意

本次實(shí)驗(yàn)中,GPS接收機(jī)接收到的是衛(wèi)星的直射信號(hào)與經(jīng)河水反射后的反射信號(hào)的合成信號(hào),設(shè)接收到的直射信號(hào)和反射信號(hào)的振幅分別為Ad和Ar．根據(jù)電磁波反射原理,直射信號(hào)和反射信號(hào)的振幅存在如下關(guān)系[12,18]:

Ad?Ar.

(1)

由式(1)可以看出,在接收到的合成信號(hào)Ac中,直射信號(hào)Ad占主導(dǎo)地位,決定著合成信號(hào)的變化趨勢(shì),即在低高度角時(shí)SNR觀測(cè)值的趨勢(shì)項(xiàng)(圖5a),反射信號(hào)Ar則表現(xiàn)為局部的周期性的震蕩(圖5b)．需要指出的是,與圖5a相比,圖5b中的橫坐標(biāo)為隨高度角變化的重采樣時(shí)間點(diǎn),縱坐標(biāo)為信噪比值的線性變化值(伏特),而非圖5a中的指數(shù)變化．SNR與信號(hào)振幅存在如下關(guān)系:

(2)

圖5 某GPS衛(wèi)星SNR變化和去除趨勢(shì)的SNR殘差序列

式中:RSNR為SNR的量值；Ac為合成信號(hào)的振幅,cosθ為接收到的直射信號(hào)與反射信號(hào)夾角的余弦值．

GPS-IR技術(shù)用于水位監(jiān)測(cè)時(shí),需要獲取SNR觀測(cè)值中因水面反射而引起的多路徑效應(yīng)變化信息,為此,需要把SNR觀測(cè)值中的多路徑效應(yīng)提取出來,由式(1)及前面的討論可知,當(dāng)衛(wèi)星處于低高度角時(shí)多路徑效應(yīng)對(duì)信噪比觀測(cè)值的影響很小,即Ad?Ar,因此可以使用低階多項(xiàng)式來去除趨勢(shì)項(xiàng)Ad．

設(shè)受多路徑影響的SNR殘差序列振幅可表示為

(3)

Ar=Acos(2πft+φ),

(4)

式(4)中頻率f中包含垂直反射距離參數(shù)h.若對(duì)式(4)進(jìn)行Lomb-Scargle頻譜分析,便可求取頻率f,進(jìn)而可獲取天線相位中心至瞬時(shí)水位的垂直距離h．

通過對(duì)SNR殘差序列進(jìn)行LSP譜分析可得到SNR殘差序列的頻率f,由f=2h/λ即可得到垂直反射距離h,再將h的變化轉(zhuǎn)化為水位的變化．由此,實(shí)現(xiàn)了由SNR觀測(cè)值進(jìn)行水位變化的監(jiān)測(cè)．

3 實(shí)測(cè)算例分析

3.1 數(shù)據(jù)源

黑方臺(tái)區(qū)域位于甘肅省蘭州市西部約40 km處,靠近鹽鍋峽水庫．如圖6a和圖6b(黃色圖釘)所示,監(jiān)測(cè)站布設(shè)在黃河黑方臺(tái)流域的岸邊,此處視野開闊,無樹木建筑遮擋,可大量接收來自河面的GPS衛(wèi)星反射信號(hào)．

圖6 普適型GPS測(cè)站外觀及菲涅爾反射圖

圖7 普適型GPS測(cè)站黃河水位反演結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇為2020年年積日第186天至第252天(2020-7-04—2020-9-08),接收機(jī)采樣間隔為1 s,因本文僅探究普適型GPS用于長(zhǎng)時(shí)間水位監(jiān)測(cè)的能力,因此只使用GPSL1頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,本文只選取位于接收機(jī)方位為45°～135°區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

此次實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在水利部全國(guó)水雨情信息網(wǎng)(http:∥xxfb.mwr.cn/)上獲得．水文測(cè)站位于甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)南濱河?xùn)|路,距黑方臺(tái)約60 km．設(shè)站目的是為監(jiān)測(cè)黃河干流水位與流量變化,數(shù)據(jù)每天早上8時(shí)更新．為獲取更準(zhǔn)確的水位變化信息,我們同時(shí)獲取了實(shí)驗(yàn)期內(nèi)的黃河流量變化數(shù)據(jù)．

3.2 GPS-IR提取水位結(jié)果及分析

圖7為實(shí)驗(yàn)期內(nèi)的水位反演結(jié)果．圖中藍(lán)色圓點(diǎn)代表歸零化反演值,紅色實(shí)線代表實(shí)測(cè)值．由于測(cè)站位于黃河堤岸邊,難以設(shè)置水位監(jiān)測(cè)基準(zhǔn),因此本文中所有數(shù)據(jù)均為實(shí)驗(yàn)期內(nèi)相對(duì)變化量．從圖7中可以看出,反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好,雖然在年積日第192天、第200天、第218天、第243天反演值較實(shí)測(cè)值出現(xiàn)了較大偏差,但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)間內(nèi),二者趨勢(shì)大致相同,驗(yàn)證了普適型GPS接收機(jī)用于水位監(jiān)測(cè)的能力．有較大偏差出現(xiàn)的原因可能是由于普適型GPS測(cè)站與水位實(shí)測(cè)站之間距離較遠(yuǎn),從而導(dǎo)致反演結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大．為進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)期內(nèi)反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性,將每一天的水位反演值歸一化后與同一天的水位實(shí)測(cè)值和流量實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較．

圖8為實(shí)驗(yàn)期內(nèi)水位反演結(jié)果與水位實(shí)測(cè)值相關(guān)性分析,圖中藍(lán)色小圓圈代表反演值,紅色實(shí)線代表水位實(shí)測(cè)值．計(jì)算得到,二者相關(guān)性R為0.81,RMSE為0.21 m．圖9為實(shí)驗(yàn)期內(nèi)水位反演結(jié)果與流量實(shí)測(cè)值相關(guān)性分析,為保持圖的可讀性,橫軸設(shè)為1/1 000流量變化值,圖中紅色小圓圈代表反演值,黑色實(shí)線代表流量實(shí)測(cè)值．計(jì)算得到,二者相關(guān)性R為0.81,RMSE為0.22 m．

從圖8和圖9可以看出,本次實(shí)驗(yàn)中得到的反演值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好,無論是水位實(shí)測(cè)值還是流量實(shí)測(cè)值,二者的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.8以上,同時(shí)RMSE均控制在0.2 m左右．反演結(jié)果表明普適型GPS接收機(jī)用于長(zhǎng)時(shí)間黃河水位觀測(cè)是可行的．

圖8 水位反演結(jié)果與水位實(shí)測(cè)值相關(guān)性

圖9 水位反演結(jié)果與流量實(shí)測(cè)值相關(guān)性

4 結(jié)束語

本文通過在黃河鹽鍋峽的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了普適型GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和其用于長(zhǎng)周期GPS-IR水位監(jiān)測(cè)的能力,獲得了均方根誤差為分米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度,驗(yàn)證了普適型GPS可用于長(zhǎng)周期黃河水位監(jiān)測(cè)的能力．GPS-IR技術(shù)是利用在傳統(tǒng)GPS測(cè)量中常常被剔除的多路徑誤差進(jìn)行反演的方法,能有效提高效率、節(jié)約成本,可以近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表環(huán)境的變化．隨著普適型GPS的不斷增加,可進(jìn)一步用于土壤濕度、積雪、植被等地表參數(shù)的監(jiān)測(cè),并將成為一種一機(jī)多功能的GPS探測(cè)儀,為地表環(huán)境探測(cè)提供重要補(bǔ)充．下一步的主要工作是改進(jìn)算法,提升反演結(jié)果質(zhì)量,使普適型GPS更好地應(yīng)用于監(jiān)測(cè)黃河水位變化．