GPS在水文大斷面測量中的應用研究

◎魏曉莉 甘肅省武威水文站

GPS技術能夠借助地面控制單元、空間數(shù)據(jù)傳遞中心及其與用戶端連接組成的完整體系，將地面系統(tǒng)設備所采集到的各項數(shù)據(jù)信息測定完畢后，借助三維坐標體系將空間點的坐標數(shù)據(jù)由靜止狀態(tài)轉變?yōu)閯討B(tài)變化狀態(tài)，再將動態(tài)數(shù)據(jù)信息處理、傳遞并加工后實現(xiàn)對地面某一點空間位置的實時定位。隨著GPS技術在各行各業(yè)應用范圍的進一步拓寬，其載波相位差分法的應用精度也隨之提高，在測繪工程的參數(shù)測定與空間位置定位等方面有著明顯優(yōu)勢。在水文大斷面測量工作中，依托于GPS技術，工作人員能夠對水文數(shù)據(jù)信息進行采集處理，從而為研究分析河道、水庫、湖泊沖淤演變規(guī)律，制定整治規(guī)劃，進行水利工程規(guī)劃設計等提供重要依據(jù)。

1.測量項目概況

蔡旗水文站，位于內陸河流域石羊河水西石羊河下游民勤縣蔡旗鄉(xiāng)，地理位置在我國東經102度、北緯38度左右，整個水文站測站以上水面積為10209km，屬于我國重要的水文站和中央報訊站，更是國家水質監(jiān)測站和大河控制站之一，隸屬于甘肅省水文水資源局威武水文水資源勘測局管理，其直轄管轄區(qū)域內水位站共計一處，地下水觀測井一眼，水質監(jiān)測斷面一處。蔡旗水文站始建于1992年11月，由原有石家莊水文站撤銷后下遷5km建成。在蔡旗水文站的待檢測區(qū)域范圍內，其待測試河段長約100m左右，處于基本順直狀態(tài)，河床由細沙組成，主流左右擺動，沖淤變化頻繁，流向有時并不順直，水面的實際寬度達100m左右，高水漂浮物體較多。紅河洪水河從河段右岸匯入，800m處有西營河向民勤調水專用輸水渠從河段左岸匯入，基下方5m處有跨河吊橋一座，約25km處建設有紅崖山水庫，其地理位置示意如圖1所示。

圖1 地理位置示意圖

在蔡旗水文站的整個待檢測區(qū)域內，區(qū)域內洪水主要由上游黃羊河、雜木河、金塔河、西營河洪水及水庫下泄水量疊加而成，中高水期時斷面控制良好，低水位時則受到沖淤變化的較大影響，水位流量關系呈現(xiàn)出多線條狀態(tài)，圖2即為2020年該水文站大斷面監(jiān)測示意圖。

圖2 水文站大斷面監(jiān)測示意圖

2.GPS測量的技術特點

與傳統(tǒng)的常規(guī)測量方法相比，GPS在大段面水文監(jiān)測中的應用優(yōu)勢包括以下六個方面：

首先，GPS在測量大斷面時并不需要相互通視，測點之間的相互通視一直都是水文監(jiān)測的難題，GPS能夠憑借其空間位置的互聯(lián)性，使測站之間的選點位置更加靈活方便，但利用該方法對水文大斷面進行測量，必須保證待檢測轄區(qū)范圍內上空處于開闊狀態(tài)，便于接收GPS信號。其次，是具備定位精確度較高特質，通常情況下，GPS接收機的基礎解精度高達5mm+1ppm以上，而紅外線的實際精度僅僅為5mm+5ppm等級，GPS的測量精度和紅外線測量精度在短距離時相當，但隨著待檢測距離的不斷延長，GPS測量技術的優(yōu)越性將會更加顯著。第三，GPS測量觀測時間較短，在水文大斷面檢測過程中，利用GPS技術可以實現(xiàn)快速靜態(tài)定位，這一方法的觀測時間較以往縮短很多，從而在較快時間內求得待監(jiān)測點的坐標。第四，GPS測量技術能夠在觀察測量點平面位置的基礎上，提供更加精確的觀測點的大地高程參數(shù)。第五，GPS測量技術的整個操作過程較為便捷，趨近于智能化操作，工作人員只需在天線對齊的狀態(tài)下即可實現(xiàn)系統(tǒng)自動觀測，并對數(shù)據(jù)進行處理，并求得待檢測點的三維坐標。第六，GPS測量技術能夠實現(xiàn)全天候作業(yè)，在任何地點和任何位置能夠二十四小時不間斷地進行位置觀測，并不受到外界天氣的影響。

3.GPS在水文大斷面測量中的應用

3.1 測前準備

在水文大斷面GPS測量過程中，首先應做好準備工作，主要包括對待檢測地區(qū)控制點資料的收集、轉換參數(shù)的求解及參考站位置的設置、流動站位置的設置等環(huán)節(jié)。以參考站和流動站位置的設置為例，在選擇參考站時，應根據(jù)待檢測點的測量目的，建立項目坐標管理體系，根據(jù)坐標系進行系統(tǒng)化管理。其次，在基準站選項設置過程中，應通過控制軟件對其菜單內部水準機轉移的相關參數(shù)和電臺頻率參數(shù)進行設置，還應在基準站中輸入站名坐標位置和天線高度等，待基準站啟動完成后，基準站臺面上的指示燈將處于正常閃爍狀態(tài)。在流動站的設置過程中，主要是根據(jù)代檢測項目的坐標管理體系，設置相應的參數(shù)選項，其操作方式基本與參考站的設置方式相同。

3.2 數(shù)據(jù)采集測量

在利用GPS技術對水文大斷面進行數(shù)據(jù)采集測量時，可通過坐標測量法和方向測量法獲得待檢測區(qū)域的相關參數(shù)。以坐標測量法分析可知，當待檢測的水文大斷面河道地形圖和大斷面結構確定后，可選擇坐標測量方法進行參數(shù)設置。啟動基準站后，設置流動站中的相應參數(shù)，接著開始GPS作業(yè)，同時應在GPS手簿中設置和觀測地點相關的參數(shù)，如自動設置增加補償質量、存儲空間、自動存儲點等，將相應的參數(shù)坐標保存于手簿，表1即為蔡旗水文站大段面參數(shù)水文特征統(tǒng)計表。

表1 水文特征統(tǒng)計表

3.3 數(shù)據(jù)處理

對水文數(shù)據(jù)進行處理時，需將野外測得并存儲于手簿中的數(shù)據(jù)導入計算機。接著，可對文件格式進行變換，根據(jù)采集到的參數(shù)計算出相關點的坐標，利用計算機進行文件的導出和計算，但并不需要進行機械計算和網平差計算。當需要采用CAD或GIS方面的數(shù)據(jù)格式時，可以直接改變導出文件的格式，點擊功能選項卡獲得想要的數(shù)據(jù)類型，從而使數(shù)據(jù)參數(shù)格式符合預期，圖3即為蔡旗水文站徑流量及輸沙量處理后的年際變化圖。

圖3 蔡旗水文站徑流量及輸沙量年際變化圖

3.4 測量精度及誤差分析

在對測量精度和誤差進行分析時，首先應該確保大斷面測量過后的相關參數(shù)能夠滿足GPS測量的規(guī)范的D級精度要求?？筛鶕?jù)GPS接收機實際所標稱得到的精度中的固定誤差參數(shù)、接收機標稱精度中的比例誤差參數(shù)和相鄰待測點之間的極限長度，進行計算后得到GPS測量過后的精度誤差。在獲得接收機標準精度固定誤差比例、誤差系數(shù)及本次測量的最大距離的基礎上，得到最終的D級精度誤差標準參數(shù)值，對比不同監(jiān)測點的測量高程誤差和規(guī)范所要求的高程誤差，將測量誤差控制在預測方法允許的范圍內。在測量精確度的保障過程中，蔡旗水文站的水位測量可利用雷達水位計和直立式水尺等工具，借助人工觀測數(shù)據(jù)的方式測得，流量數(shù)據(jù)的獲取，可采用水文纜道、橋測、涉水等進行精準觀測，借助流速儀法、浮標法等得到參數(shù)數(shù)據(jù)，單樣含沙量采用模式采樣器取樣的方法，利用過濾法獲得準確數(shù)據(jù)，以此保障蔡旗水文站測試過程中的測量精度符合預期，圖4即為蔡旗水文站月徑流量和輸沙量多年平均后的分配圖。

圖4 蔡旗水文站月徑流量和輸沙量多年平均分配圖

4.結論

4.1 優(yōu)勢分析

利用GPS技術對水文大斷面進行測量和監(jiān)測，具有測量速度快、定位精確度較高、數(shù)據(jù)可靠性較高以及工作難度降低、測量費用降低等優(yōu)勢。同時，GPS測量技術還能提供三維坐標，達到大斷面水文測量的成果可視化目的。通過一段時間對蔡旗水文站大斷面水文監(jiān)測應用GPS技術效果的分析，可以證明該技術能夠實現(xiàn)大斷面監(jiān)測資料在GPS地圖上的可視化編輯和顯示，利用測量成果可以達到符合建設規(guī)劃、工程管理設計及防洪決策設計等多項目的，可謂實現(xiàn)一舉多得的目的。

4.2 局限性

盡管GPS技術在水文大斷面監(jiān)測的應用中有著諸多優(yōu)勢，但仍然存在著一定缺陷。如利用該技術對大斷面河道進行測試時，往往會受到外界環(huán)境的影響，必須在整個測量過程中避開周邊的強電磁干擾，也必須確保待監(jiān)測范圍區(qū)域的上部處于空曠狀態(tài)，避免高大建筑物或高大樹木遮擋GPS衛(wèi)星接收信號，進而影響最終的測量精度。針對這些問題，業(yè)內人士仍需要深入研究，以便更快提高該技術水平。