GPS技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

周鶯　李蘭蘭

摘 要：隨著各種新技術(shù)的層出不窮，全球衛(wèi)星定位技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展與進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在水文工程監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。基于此，本文首先分析水文監(jiān)測的重要性和必要性，然后闡述傳統(tǒng)水文監(jiān)測方法和GPS檢測技術(shù)的優(yōu)越性，最后探討GPS技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測；GPS；應(yīng)用

中圖分類號：P228.4；P332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0093-02

Application of GPS Technology in Hydrological Engineering Monitoring

ZHOU Ying LI Lanlan

（Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Xinxiang Henan 453000）

Abstract ： With the emergence of various new technologies， global positioning technology has also made unprecedented development and progress， and has been widely applied in various fields， especially in hydrological engineering monitoring. Based on this， this paper first analyzed the importance and necessity of hydrological monitoring， then expounded the superiority of traditional hydrological monitoring methods and GPS detection technology， and finally discussed the application of GPS technology in hydrological monitoring， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： hydrological monitoring；GPS；application

1 水文監(jiān)測的重要性和必要性

水是人類不可或缺的重要自然資源，如果沒有水，人類也將無法生存。我國是水資源短缺的國家之一，隨著工業(yè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水資源短缺問題進(jìn)一步凸顯，而這使得監(jiān)測新的水文環(huán)境成為有關(guān)部門需要重點(diǎn)研究的問題。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測工作一般都是以降水量、蒸發(fā)量、地表和地下徑流作為主要監(jiān)測對象，而水資源監(jiān)測的重點(diǎn)是人類對地下水、地表水及空中水的抽取情況，以及對這三種水所造成的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測分析。根據(jù)監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)，對水資源進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而預(yù)測出未來一段時(shí)期水資源的變化趨勢，為水資源的開發(fā)利用提供依據(jù)。GPS是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為地球表面絕大部分地區(qū)提供準(zhǔn)確的定位。目前，其在水文水資源監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)的水文監(jiān)測方法

傳統(tǒng)的水文監(jiān)測方法主要分為人工監(jiān)測和自動監(jiān)測兩種。其中，人工監(jiān)測主要采用的是人工觀測的方式觀察水文變化，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和傳輸。該方式具有以下缺點(diǎn)：其一，數(shù)據(jù)處理基本依靠人工，費(fèi)時(shí)易錯；其二，水文信息的采集、整理、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差。自動監(jiān)測技術(shù)是目前較為常用的水文監(jiān)測手段，對水位監(jiān)測主要采用浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)等，比傳統(tǒng)的人工監(jiān)測有了較大提升，自動化程度高，但也存在較大局限性：電類傳感器易受電磁干擾，運(yùn)行不穩(wěn)定；數(shù)據(jù)傳輸采用中國移動無線傳輸，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，信號較差[1]。

3 GPS檢測技術(shù)的優(yōu)越性

GPS系統(tǒng)起始于1958年美國軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)搜集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通信等。

GPS檢測方法是在使用的過程中利用GPS衛(wèi)星收集信息，測量用戶接收衛(wèi)星的距離，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提供準(zhǔn)確的位置信息等。整個(gè)工作過程需要明確定位衛(wèi)星的精確位置、用戶與衛(wèi)星之間的距離，工作過程是由衛(wèi)星信號傳送到用戶的衛(wèi)星接收機(jī)上，整個(gè)過程需要花費(fèi)一定的時(shí)間。

GPS信號有兩種偽隨機(jī)碼，分別是提供給民用的C/A碼和供軍事應(yīng)用的P碼。其中，C/A碼以1.023MHz的頻率調(diào)制在L1載波上，P碼以10.23MHz的頻率調(diào)制在L1和L2載波上。在地球上，用戶通過接收機(jī)終端接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號，借鑒終端用戶的時(shí)間，通過衛(wèi)星的時(shí)間和他們的手表比較之后，可以確定衛(wèi)星終端接收字符串之間的距離，然后利用通信導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以計(jì)算發(fā)射衛(wèi)星的位置和導(dǎo)航時(shí)間。由此，就可以確定在地球坐標(biāo)系中用戶的精確位置。目前，GPS衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到24個(gè)，其全球覆蓋率達(dá)到98%以上，基本可以保證在任何時(shí)間和地點(diǎn)同時(shí)接收到4顆以上GPS衛(wèi)星觀測信號，從而向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息。另外，許多GPS系統(tǒng)可以在幾分鐘甚至幾秒鐘實(shí)現(xiàn)精確定位。利用GPS技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)管理將會大大提高水文水資源觀察效率。GPS接收機(jī)是整個(gè)監(jiān)測設(shè)備的重要組成部分，其功能、性能都在不斷完善。當(dāng)使用GPS作業(yè)時(shí)，只需一定數(shù)量的安裝觀測儀的員工和少量天線高度觀察員工，不需要其他專業(yè)技術(shù)人員，大大降低了勞動強(qiáng)度及財(cái)力和物力消耗。

GPS在水下地形監(jiān)測過程中的主要任務(wù)是完成水下位置的導(dǎo)航定位和測量。因此，在實(shí)際測量過程中，測繪尺度和精度成為選擇GPS的主要參考指標(biāo)。在地下水監(jiān)測過程中，測量設(shè)備是依靠聲吶測深儀來達(dá)到水深測量的目的，測量儀器的精度和測量誤差的大小與測量深度、水溫有直接關(guān)系，與測量區(qū)域無關(guān)。所以，當(dāng)選擇測量儀器時(shí)，應(yīng)根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。目前，水下地形測量的GPS接收機(jī)可分為差分型和非同步差分型兩種。多種類型的設(shè)備選擇滿足了連續(xù)導(dǎo)航水下作業(yè)等工程的需要。如果水下測量范圍較大，可選擇非同步差分型的GPS接收機(jī)[2]。

4 GPS技術(shù)在水文水位監(jiān)測過程中的應(yīng)用

為了解決傳統(tǒng)水位觀測過程中存在的問題，研究人員采用集成的方法將GPS集成到監(jiān)測系統(tǒng)中，以提高監(jiān)測范圍，削弱傳統(tǒng)監(jiān)測方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的干擾。利用該方法，只需要將GPS接收器放置在測量區(qū)域附近，即可有效完成監(jiān)測工作。在測量開始之前，需要準(zhǔn)確定位監(jiān)測位置，并建立坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)值確定參考系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動進(jìn)入不同的操作模式。需要移動臺測量的工程，移動臺位置的GPS接收器的天線應(yīng)該安裝在水面和測量GPS天線的幾何中心位置，GPS通過天線和確定的表面水位來獲得水的實(shí)際高度。測量水位的過程中，一般依據(jù)國家“85”海拔標(biāo)準(zhǔn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，必須把地球高程轉(zhuǎn)換為國家“85”高度，這個(gè)過程可以使用轉(zhuǎn)換模型，在計(jì)算機(jī)編寫中，及時(shí)提取出高程數(shù)據(jù)，并且在測量模型的幫助下，測得當(dāng)?shù)氐乃弧榱吮ＷC測量的準(zhǔn)確性，水位數(shù)據(jù)通常要經(jīng)過濾波處理。因此，應(yīng)該建立一種濾波模型，在此模型中，采用漸進(jìn)算法來消除外界因素對水位觀測結(jié)果的影響。此外，在計(jì)算機(jī)中也可以安裝過濾器模型和軟件，以獲取實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步確保其結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)計(jì)算機(jī)接收GPS衛(wèi)星的水位數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，這使整個(gè)傳輸過程可以通過手機(jī)上的GPS通信模塊完成。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)有效解決了過去定位河道難度大的問題。在GPS監(jiān)測技術(shù)的幫助下，監(jiān)測到的峰值水文數(shù)據(jù)可以在一定程度上提高水文操作的效率。在水質(zhì)監(jiān)測方面，各采樣點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)、水質(zhì)污染程度和采樣點(diǎn)坐標(biāo)可由河流、湖泊、海洋的采樣工作者利用GPS技術(shù)快速確定。將采集到的數(shù)據(jù)信息和水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果納入動態(tài)監(jiān)測地圖中，可以反映水質(zhì)污染、污染區(qū)域、污染物擴(kuò)散方向等問題，為有效管理水資源提供了可靠的依據(jù)。當(dāng)水位數(shù)據(jù)通過GPS模塊發(fā)送出去時(shí)，監(jiān)測中心需要實(shí)時(shí)接收這些數(shù)據(jù)。

在未來的水文監(jiān)測過程中，可以通過GPS接收單元接收這些數(shù)據(jù)，中央處理器負(fù)責(zé)存儲和管理接收的水位數(shù)據(jù)。我們可以通過編寫相關(guān)軟件程序?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場觀測單元的監(jiān)測和管理，從而達(dá)到對現(xiàn)場觀測單元智能控制的目的。

5 結(jié)語

GPS技術(shù)在水文和水資源中的應(yīng)用，可以為水文和水資源監(jiān)測提供更實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確的定位幫助，提高水文和水資源監(jiān)測效率。因此，在水文監(jiān)測中，要合理使用GPS技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐飛.GPS在水文河道地形測量中的應(yīng)用探討[J].技術(shù)與應(yīng)用，2016（21）：65-66.

[2]耿毅.遙感技術(shù)在水文水資源方面的應(yīng)用及進(jìn)展[J].河南科技，2015（15）：8-9.

[3]廖瑋燦.GPS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測方面的應(yīng)用[J].河南科技，2015（16）：20-21.