GPS在水利信息化中的運(yùn)用

陳首彬

（鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，也是我國(guó)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、現(xiàn)代化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水利信息化包括對(duì)水資源、水環(huán)境、防汛抗旱、抗災(zāi)、水土保持、農(nóng)田水利、河道整治、水利工程等一切工作的管理和決策的信息化。全球定位系統(tǒng)作為一種空間信息科學(xué)技術(shù)，在水利行業(yè)尤其水利信息化中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

1 GPS簡(jiǎn)述

1.1 GPS 概念

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)。GPS起始于1958年美國(guó)軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱(chēng)為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS。GPS可以提供車(chē)輛定位、防盜、反劫、行駛路線(xiàn)監(jiān)控及呼叫指揮等功能。要實(shí)現(xiàn)以上所有功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)三個(gè)要素。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為GPS是將現(xiàn)實(shí)虛擬化實(shí)現(xiàn)了物與物、物與人等大部分物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，使物品方便識(shí)別、管理和控制。

1.2 GPS 特點(diǎn)

（1）全球全天候定位；

（2）定位精度高；

（3）觀測(cè)時(shí)間短；

（4）測(cè)站間無(wú)需通視；

（5）儀器操作簡(jiǎn)便；

（6）可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)；

（7）應(yīng)用廣泛。

2 GPS在水工建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 水利工程測(cè)量控制網(wǎng)的建立

采用GPS定位技術(shù)不需要兩點(diǎn)之間的相互通視。只要求天空15°以上的錐體范圍內(nèi)，無(wú)障礙物存在，且點(diǎn)位選擇較靈活。觀測(cè)和記錄均由控制器自動(dòng)完成，觀測(cè)員只需輸入測(cè)站點(diǎn)號(hào)及儀器高等，操作十分簡(jiǎn)單，水利工程測(cè)量控制網(wǎng)建立速度快，且控制網(wǎng)的精度滿(mǎn)足國(guó)家4等三角測(cè)量的技術(shù)要求。

2.2 水工隧洞的貫通

對(duì)于落差大、流量小的山區(qū)河流，往往建造引水式電站，這時(shí)擋水建筑物(壩、閘)往往與發(fā)電建筑物相距較遠(yuǎn)，水庫(kù)中的水通過(guò)引水隧洞到發(fā)電站廠房，當(dāng)引水隧洞很長(zhǎng)時(shí)，施工控制網(wǎng)的作用就是保證正確貫通。用GPS建立施工控制網(wǎng)將大大簡(jiǎn)化測(cè)量工作，因用常規(guī)方法所建立的控制網(wǎng)點(diǎn)并非都有用，其中有許多點(diǎn)是過(guò)渡點(diǎn)，或者為增加圖形強(qiáng)度而設(shè)置的，而采用GPS測(cè)量就可以直接測(cè)定洞口點(diǎn)的相對(duì)位置，無(wú)須測(cè)定其他過(guò)渡點(diǎn)。這樣就節(jié)省了大量的外業(yè)工作，使隧洞貫通，測(cè)量變得十分簡(jiǎn)單有效，且精度得到較大提高。

2.3 與航測(cè)結(jié)合在輸送電線(xiàn)路選、定線(xiàn)中的應(yīng)用

GPS以其快速、高精度、不受條件的限制等特點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)線(xiàn)路航測(cè)外業(yè)中的種種問(wèn)題，極大的提高了工作效率。

2.4 水道和湖泊水下地形測(cè)量

應(yīng)用常規(guī)方法進(jìn)行一次長(zhǎng)程水道地形測(cè)量，從外業(yè)測(cè)量到內(nèi)業(yè)成圖需要2～3年的時(shí)間，并且湖區(qū)水系復(fù)雜、洲灘密布，湖中圍墾的廢堤、斷堤多，洲灘上樹(shù)林、蘆葦套種，地形相當(dāng)復(fù)雜。但是應(yīng)用靜態(tài)GPS施測(cè)兩岸控制，實(shí)時(shí)差分水道測(cè)量系統(tǒng)施測(cè)水下部分，僅需要半年時(shí)間，大大縮短了成圖周期，提高了水道地形圖的時(shí)效性。

3 GPS專(zhuān)題應(yīng)用規(guī)劃

3.1 GPS在水土保持的應(yīng)用規(guī)劃

全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)方案中明確要求，在全國(guó)水土流失監(jiān)測(cè)中，尤其對(duì)地面監(jiān)測(cè)，要充分利用GPS全球定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、對(duì)象屬性的實(shí)時(shí)分析。GPS在水土保持、生態(tài)建設(shè)中可應(yīng)用以下方面：

水保生態(tài)工程，包括生態(tài)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工放樣、工程竣工驗(yàn)收；

水土保持地理信息系統(tǒng)(GIS)的建立和數(shù)據(jù)更新；

輔助遙感(RS)進(jìn)行土壤侵蝕調(diào)查；

水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

對(duì)人為水土流失監(jiān)測(cè)，一是可用GPS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量挖填方量、堆積量和棄土棄渣量，二是可以定期觀測(cè)開(kāi)挖面、堆積面的變化情況，三是可用GPS在最短時(shí)間內(nèi)比較準(zhǔn)確地確定開(kāi)荒、毀林及破壞水土保持設(shè)施的數(shù)量、面積等。對(duì)自然水土流失的監(jiān)測(cè)，一是可建立GPS控制網(wǎng)，在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，為航空遙感像片的定向提供加密點(diǎn)，用于宏觀區(qū)域和重點(diǎn)區(qū)域水土流失和土地利用信息的采集、提?。欢且部衫肎PS技術(shù)監(jiān)測(cè)溝頭前進(jìn)速度、溝底下切速度、溝緣線(xiàn)后退速度，甚至可以監(jiān)測(cè)典型樣點(diǎn)水土流失量(流失厚度)。

3.2 GPS在水資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用規(guī)劃

水資源的優(yōu)化配置是水資源管理的重點(diǎn)。對(duì)水資源的優(yōu)化配置的一個(gè)前提就是要求對(duì)水資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。實(shí)施對(duì)水資源動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的監(jiān)控以及優(yōu)化的配置，基礎(chǔ)是獲取大量的、動(dòng)態(tài)的水資源及相關(guān)信息。水量信息是瞬時(shí)變化，而水污染則是突發(fā)事件，地表水和地下水(水量、水位、水質(zhì)及水溫等)以及各種水資源信息是變化的、動(dòng)態(tài)的，這些變化表現(xiàn)在既具有信息本質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化性，也具有地理位置上的變化動(dòng)態(tài)性，從這一點(diǎn)講，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集時(shí)，信息的空間地理屬性也就顯得尤為重要。GPS的快速定位特性可應(yīng)用于水資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，特便是流動(dòng)的污染源的變換情況的監(jiān)測(cè)。GPS這一部分的應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是傳統(tǒng)的測(cè)量服務(wù)，如污染源的動(dòng)態(tài)定位，二是建立流動(dòng)的水資源監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室。

3.3 GPS在的在抗洪減災(zāi)中應(yīng)用規(guī)劃

GPS具有全球性、連續(xù)性和全天候的特點(diǎn)，是一種快速、高精度的測(cè)量技術(shù)。GPS靜態(tài)定位可達(dá)毫米級(jí)精度，動(dòng)態(tài)測(cè)量一般可達(dá)亞米級(jí)精度，配合先進(jìn)的測(cè)深系統(tǒng)和軟件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)成圖。對(duì)堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段、水庫(kù)大壩、滑坡泥石流的監(jiān)測(cè)顯示了其高新技術(shù)的優(yōu)越性，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)險(xiǎn)情，為防汛指揮部門(mén)提供決策依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

從水利工程設(shè)計(jì)、勘測(cè)、施工到工程竣工驗(yàn)收、工程狀態(tài)監(jiān)控，GPS在水利系統(tǒng)已經(jīng)有了初步應(yīng)用的實(shí)例，但這些應(yīng)用均只是在某個(gè)單位或局部工程中采用GPS。GPS的優(yōu)勢(shì)在于其快速動(dòng)態(tài)定位和高精度，僅僅在水利工程中應(yīng)用GPS沒(méi)有發(fā)揮其動(dòng)態(tài)定位、大范圍測(cè)量和宏觀管理決策的作用，應(yīng)大力推進(jìn)全球定位系統(tǒng)在數(shù)字防汛、水資源監(jiān)測(cè)和防汛物資物流監(jiān)控系統(tǒng)等方面專(zhuān)題應(yīng)用，進(jìn)而大力推動(dòng)水利信息化建設(shè)。

［1］趙園春.基于3S技術(shù)的可渡河流域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[D].西安科技大學(xué),2009.

［2］孟廣濤,方向京,和麗萍,等.3S技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水土保持研究,2007,14(2)：8-10.