GPS在河湖普查中的應用

趙本龍，李明然，曹曉彬

（1.河北省保定水文水資源勘測局，河北保定 071000；2.河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲 056000）

GPS在河湖普查中的應用

趙本龍1，李明然1，曹曉彬2

（1.河北省保定水文水資源勘測局，河北保定 071000；2.河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲 056000）

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是美國研制使用的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，其技術(shù)應用已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。在測量領(lǐng)域中，GPS已廣泛用于大地測量、工程測量以及地形測量等多個方面。本文將以河湖普查中采集水文站、水位站和河源河口地理坐標等為例，概略敘述GPS在河湖普查中的應用。

GPS定位系統(tǒng)；河湖普查；應用

河流的河源、河口位置及地理坐標和水文站、水位站及各測驗斷面位置，是國家基本地理信息數(shù)據(jù)。河湖普查［1－3］工作的重要內(nèi)容之一就是采集水文站、水位站及各測驗斷面的地理坐標信息，判斷和確定河流的河源、河口位置及坐標。保定地區(qū)共有16處水文站和6處水位站，水位觀測斷面和歷史洪水斷面共44處。本地區(qū)內(nèi)河流在普查標準（流域面積大于50 km2，下同）以上有174條，其中山地河流71條，平原區(qū)河流93條，混合型河流10條。河湖普查中填表項目中水文站、水位站及各測驗斷面的地理位置及坐標是通過外業(yè)調(diào)查獲取的，這些內(nèi)容是必須進行外業(yè)調(diào)查。按照國務院第一次水利普查辦公室河湖工作組的要求“對本區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量的（不低于5條）、具備現(xiàn)場查勘條件的、主要的河流進行外業(yè)實地查勘工作”。針對保定地區(qū)部分河流的河源、河口位置和平原區(qū)河流走向內(nèi)業(yè)不能確定或者存在疑問，進行了外業(yè)調(diào)查。

河湖普查外業(yè)調(diào)查工作是通過手持GPS完成的，采用南方公司最新的750G2型儀器進行作業(yè)。GPS方法確定地理坐標便捷、準確，采集的數(shù)據(jù)彌補了河湖普查內(nèi)業(yè)水系提取的不足，為河流的河源、河口位置和河流走勢的綜合評判提供第一手資料。

2 GPS全球定位系統(tǒng)簡介［4］

全球定位系統(tǒng)（GPS）是20世紀70年代由研制的空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。這是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。

2.1 GPS的組成

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群、地面控制系統(tǒng)和用戶設備三部分組成。

（1）空間衛(wèi)星群。GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬km的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4～11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號，并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。

（2）地面控制系統(tǒng)。GPS的地面控制系統(tǒng)由1個主控站、3個地面控制站和5個全球監(jiān)測站組成。

（3）用戶設備部分。用戶設備部分即GPS信號接收機，接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設備。接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。

2.2 GPS的工作原理

根據(jù)測量學中距離交會確定點位的方法，GPS定位原理［5］也是利用測距交會的原理確定點位。雖然用于激光測距的衛(wèi)星是在不停地運動中，但總可以利用固定于地面上三個已知點上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離，應用測距交會的原理便可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置。如此，可以確定三個已上衛(wèi)星的空間位置。如果在第四個地面點（坐標未知）也有一臺衛(wèi)星激光測距儀同時參與測定了該點至三個衛(wèi)星的空間距離，則利用所測定的三個衛(wèi)星的空間距離可以交會出該地面點的位置。將無線電信號發(fā)射臺從地面搬到衛(wèi)星上，組成一個衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，應用無線電測距交會的原理，便可由三個以上地面已知點（控制站）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三個以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點（用戶接收機）的位置，這便是GPS測量的基本原理

2.3 GPS的技術(shù)特點

相對于常規(guī)的測量方法來講，用GPS進行測量有以下特點。

（1）定位精度高。750G2型手持機定位精度達到亞米級。

（2）觀測時間短。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15 km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1～2 min，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

（3）測站間無須通視。GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可。

（4）可提供三維坐標。經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。

（5）操作簡便。隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達“傻瓜化”的程度；接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度，使野外工作變得輕松愉快。

（6）天候作業(yè)。目前GPS觀測可在一天24小時內(nèi)的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。

3 GPS在河湖普查中的應用

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用750G2手持式GPS進行外業(yè)地理坐標數(shù)據(jù)的采集［6］，其主要工作步驟如下：

（1）開機后啟動HandStar，在主菜單里選擇工程，二級菜單中選擇新建工程，命名工程名稱，工程名稱一般定義為當天日期和地點；

（2）在配置選項中進行記錄設置、GPS設置、實時設置和坐標系統(tǒng)設置等內(nèi)容，根據(jù)實際情況進行符合當?shù)販y量的設置；

（3）在狀態(tài)選項中，當衛(wèi)星數(shù)量達到6顆及以上且最大標準殘差小于1時，按下“ENT”鍵，進行數(shù)據(jù)采集，此時采集的數(shù)據(jù)精度較好，能夠達到厘米級；

（4）數(shù)據(jù)采集之后，按照點類要素的類型對數(shù)據(jù)進行保存；

（5）保存數(shù)據(jù)完成后，進入下一個作業(yè)點進行數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)輸出

通過專用的數(shù)據(jù)線將手簿連接到電腦上，在Windows XP（含）系統(tǒng)以下的電腦需要安裝驅(qū)動之后才能進行連接，Windows 7（含）系統(tǒng)以上的電腦可以直接連接。找到數(shù)據(jù)存儲的位置，將其復制出來即可。之后對復制出來的數(shù)據(jù)進行加工處理，數(shù)據(jù)是以文本格式存儲的，里邊的內(nèi)容很多，我們僅選取我們需要的地理坐標等信息即可，其余的可以刪除。地理坐標的信息為＊＊.＊＊＊＊＊°的格式，在需要的時候可以將其轉(zhuǎn)換成＊＊°＊＊′＊＊.＊″的格式。

4 應用實例

河湖普查中要求填寫水文站和水位站情況普查表與實測和調(diào)查最大洪水情況普查表，其中測站地點和歷史洪水斷面位置的坐標需外業(yè)采集獲??；還有就是部分河流在河湖普查中內(nèi)業(yè)不能確定，對河流的河源、河口位置和走向有疑義的河流進行外業(yè)調(diào)查工作。

2011年4～5月份，保定河湖普查工作組利用GPS完成保定水文局所屬的16處水文站、6處水位站位置以及各站歷史洪水斷面共44處的地理坐標采集工作，并搜集各站站房和測驗斷面的圖像資料，對采集的地理坐標數(shù)據(jù)進行了整理、填報和上報工作。2012年1月初，開始河湖特征清查外業(yè)查勘復核工作，對內(nèi)業(yè)無法準確判別的河源、河口、河流走向等進行外業(yè)調(diào)查，主要涉及拒馬河河源、入白洋淀8條河流（白溝引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河與潴龍河）河口以及平原水網(wǎng)區(qū)部分河流走向確定等內(nèi)容。通過河湖普查外業(yè)查勘和內(nèi)業(yè)分析，提出了河流河源、河口的位置以及河流走向的界定建議。

5 結(jié)語

利用GPS采集的地理坐標數(shù)據(jù)，為河湖普查普的填表上報工作提供了真實的數(shù)據(jù)，也對原有水文站、水位站的地理坐標進行了修正，對部分河流河源、河口的地理坐標進行了補充。目前GPS已經(jīng)開始深入水文工作中，除了水文站、水位站地理坐標的采集，在引據(jù)水準點位置標定、抗洪搶險實時監(jiān)測、河道地形測量、湖泊水下地形測量、流量測驗等方面得到了廣泛地應用，但如何將此技術(shù)應用于水文情報采集、預報、傳輸將是今后研討的一個重要課題及方向。

［1］ 中華人民共和國水利部水文司.水文普通測量規(guī)范［S］.北京：中國水利電力出版社，1993，12－15.

［2］ 國務院第一次全國水利普查領(lǐng)導小組辦公室.水利普查總體方案［S］.北京：中國水利水電出版社，2010：45－48.

［3］ 國務院第一次全國水利普查領(lǐng)導小組辦公室.河湖基本情況普查［S］.北京：中國水利水電出版社，2010：120－123.

［4］ 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社，2000：4－20.

［5］ 韓艷麗.GPS在水文大斷面測量中的應用［J］.中國西部科技，2009（19）：55－56.

［6］ 張文培.GPS及其在水文工作中的應用［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院學報，2002（3）：33－34.

Application of GPS in Greneral Survey of Rivers and Lakes

ZHAO Ben－long1，LI Ming－ran1，CAO Xiao－bin2
（1.Baoding Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，071000，Baoding，Hebei，China；2.Handan Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，056000，Handan，Hebei，China）

GPS（Global Positioning System）is a satellite navigation and positioning system which is developed in USA.The technology has been applied in many fields of national economy.In the field of measurement，GPS has been widely used in many aspects of geodetic survey，engineering survey and topographic survey.Taking the acquisition of the geographical coordinates of hydrological station，gauging station，the source of the river and estuary in the census of rivers and lakes as an example，the paper describes briefly the application of GPS in the general survey of rivers and lakes.

global positioning system；general survey of rivers and lakes；application

郝海森）

TV211

A

1008－3782（2014）01－0051－03

2013－01－10

趙本龍（1980－），男，河北省唐山市人，河北省保定水文水資源勘測局工程師。