◎魏曉莉 甘肅省武威水文站

GPS技術(shù)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(shè)備所采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息測(cè)定完畢后，借助三維坐標(biāo)體系將空間點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)變化狀態(tài)，再將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息處理、傳遞并加工后實(shí)現(xiàn)對(duì)地面某一點(diǎn)空間位置的實(shí)時(shí)定位。隨著GPS技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓寬，其載波相位差分法的應(yīng)用精度也隨之提高，在測(cè)繪工程的參數(shù)測(cè)定與空間位置定位等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。在水文大斷面測(cè)量工作中，依托于GPS技術(shù)，工作人員能夠?qū)λ臄?shù)據(jù)信息進(jìn)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(jìn)行水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供重要依據(jù)。

1.測(cè)量項(xiàng)目概況

蔡旗水文站，位于內(nèi)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(jīng)102度、北緯38度左右，整個(gè)水文站測(cè)站以上水面積為10209km，屬于我國重要的水文站和中央報(bào)訊站，更是國家水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)局管理，其直轄管轄區(qū)域內(nèi)水位站共計(jì)一處，地下水觀測(cè)井一眼，水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域范圍內(nèi)，其待測(cè)試河段長約100m左右，處于基本順直狀態(tài)，河床由細(xì)沙組成，主流左右擺動(dòng)，沖淤變化頻繁，流向有時(shí)并不順直，水面的實(shí)際寬度達(dá)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(diào)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(shè)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(gè)待檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)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(shí)斷面控制良好，低水位時(shí)則受到?jīng)_淤變化的較大影響，水位流量關(guān)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(cè)示意圖。

圖2 水文站大斷面監(jiān)測(cè)示意圖

2.GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量方法相比，GPS在大段面水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括以下六個(gè)方面：

首先，GPS在測(cè)量大斷面時(shí)并不需要相互通視，測(cè)點(diǎn)之間的相互通視一直都是水文監(jiān)測(cè)的難題，GPS能夠憑借其空間位置的互聯(lián)性，使測(cè)站之間的選點(diǎn)位置更加靈活方便，但利用該方法對(duì)水文大斷面進(jìn)行測(cè)量，必須保證待檢測(cè)轄區(qū)范圍內(nèi)上空處于開闊狀態(tài)，便于接收GPS信號(hào)。其次，是具備定位精確度較高特質(zhì)，通常情況下，GPS接收機(jī)的基礎(chǔ)解精度高達(dá)5mm+1ppm以上，而紅外線的實(shí)際精度僅僅為5mm+5ppm等級(jí)，GPS的測(cè)量精度和紅外線測(cè)量精度在短距離時(shí)相當(dāng)，但隨著待檢測(cè)距離的不斷延長，GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)越性將會(huì)更加顯著。第三，GPS測(cè)量觀測(cè)時(shí)間較短，在水文大斷面檢測(cè)過程中，利用GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速靜態(tài)定位，這一方法的觀測(cè)時(shí)間較以往縮短很多，從而在較快時(shí)間內(nèi)求得待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。第四，GPS測(cè)量技術(shù)能夠在觀察測(cè)量點(diǎn)平面位置的基礎(chǔ)上，提供更加精確的觀測(cè)點(diǎn)的大地高程參數(shù)。第五，GPS測(cè)量技術(shù)的整個(gè)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(duì)齊的狀態(tài)下即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)觀測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并求得待檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。第六，GPS測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)，在任何地點(diǎn)和任何位置能夠二十四小時(shí)不間斷地進(jìn)行位置觀測(cè)，并不受到外界天氣的影響。

3.GPS在水文大斷面測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 測(cè)前準(zhǔn)備

在水文大斷面GPS測(cè)量過程中，首先應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，主要包括對(duì)待檢測(cè)地區(qū)控制點(diǎn)資料的收集、轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解及參考站位置的設(shè)置、流動(dòng)站位置的設(shè)置等環(huán)節(jié)。以參考站和流動(dòng)站位置的設(shè)置為例，在選擇參考站時(shí)，應(yīng)根據(jù)待檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量目的，建立項(xiàng)目坐標(biāo)管理體系，根據(jù)坐標(biāo)系進(jìn)行系統(tǒng)化管理。其次，在基準(zhǔn)站選項(xiàng)設(shè)置過程中，應(yīng)通過控制軟件對(duì)其菜單內(nèi)部水準(zhǔn)機(jī)轉(zhuǎn)移的相關(guān)參數(shù)和電臺(tái)頻率參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還應(yīng)在基準(zhǔn)站中輸入站名坐標(biāo)位置和天線高度等，待基準(zhǔn)站啟動(dòng)完成后，基準(zhǔn)站臺(tái)面上的指示燈將處于正常閃爍狀態(tài)。在流動(dòng)站的設(shè)置過程中，主要是根據(jù)代檢測(cè)項(xiàng)目的坐標(biāo)管理體系，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)選項(xiàng)，其操作方式基本與參考站的設(shè)置方式相同。

3.2 數(shù)據(jù)采集測(cè)量

在利用GPS技術(shù)對(duì)水文大斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量時(shí)，可通過坐標(biāo)測(cè)量法和方向測(cè)量法獲得待檢測(cè)區(qū)域的相關(guān)參數(shù)。以坐標(biāo)測(cè)量法分析可知，當(dāng)待檢測(cè)的水文大斷面河道地形圖和大斷面結(jié)構(gòu)確定后，可選擇坐標(biāo)測(cè)量方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。啟動(dòng)基準(zhǔn)站后，設(shè)置流動(dòng)站中的相應(yīng)參數(shù)，接著開始GPS作業(yè)，同時(shí)應(yīng)在GPS手簿中設(shè)置和觀測(cè)地點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)，如自動(dòng)設(shè)置增加補(bǔ)償質(zhì)量、存儲(chǔ)空間、自動(dòng)存儲(chǔ)點(diǎn)等，將相應(yīng)的參數(shù)坐標(biāo)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(jì)表。

表1 水文特征統(tǒng)計(jì)表

3.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需將野外測(cè)得并存儲(chǔ)于手簿中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。接著，可對(duì)文件格式進(jìn)行變換，根據(jù)采集到的參數(shù)計(jì)算出相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文件的導(dǎo)出和計(jì)算，但并不需要進(jìn)行機(jī)械計(jì)算和網(wǎng)平差計(jì)算。當(dāng)需要采用CAD或GIS方面的數(shù)據(jù)格式時(shí)，可以直接改變導(dǎo)出文件的格式，點(diǎn)擊功能選項(xiàng)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(yù)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(cè)量精度及誤差分析

在對(duì)測(cè)量精度和誤差進(jìn)行分析時(shí)，首先應(yīng)該確保大斷面測(cè)量過后的相關(guān)參數(shù)能夠滿足GPS測(cè)量的規(guī)范的D級(jí)精度要求?？筛鶕?jù)GPS接收機(jī)實(shí)際所標(biāo)稱得到的精度中的固定誤差參數(shù)、接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差參數(shù)和相鄰待測(cè)點(diǎn)之間的極限長度，進(jìn)行計(jì)算后得到GPS測(cè)量過后的精度誤差。在獲得接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)精度固定誤差比例、誤差系數(shù)及本次測(cè)量的最大距離的基礎(chǔ)上，得到最終的D級(jí)精度誤差標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值，對(duì)比不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量高程誤差和規(guī)范所要求的高程誤差，將測(cè)量誤差控制在預(yù)測(cè)方法允許的范圍內(nèi)。在測(cè)量精確度的保障過程中，蔡旗水文站的水位測(cè)量可利用雷達(dá)水位計(jì)和直立式水尺等工具，借助人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的方式測(cè)得，流量數(shù)據(jù)的獲取，可采用水文纜道、橋測(cè)、涉水等進(jìn)行精準(zhǔn)觀測(cè)，借助流速儀法、浮標(biāo)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(zhǔn)確數(shù)據(jù)，以此保障蔡旗水文站測(cè)試過程中的測(cè)量精度符合預(yù)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(jié)論

4.1 優(yōu)勢(shì)分析

利用GPS技術(shù)對(duì)水文大斷面進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)，具有測(cè)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(cè)量費(fèi)用降低等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，GPS測(cè)量技術(shù)還能提供三維坐標(biāo)，達(dá)到大斷面水文測(cè)量的成果可視化目的。通過一段時(shí)間對(duì)蔡旗水文站大斷面水文監(jiān)測(cè)應(yīng)用GPS技術(shù)效果的分析，可以證明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大斷面監(jiān)測(cè)資料在GPS地圖上的可視化編輯和顯示，利用測(cè)量成果可以達(dá)到符合建設(shè)規(guī)劃、工程管理設(shè)計(jì)及防洪決策設(shè)計(jì)等多項(xiàng)目的，可謂實(shí)現(xiàn)一舉多得的目的。

4.2 局限性

盡管GPS技術(shù)在水文大斷面監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中有著諸多優(yōu)勢(shì)，但仍然存在著一定缺陷。如利用該技術(shù)對(duì)大斷面河道進(jìn)行測(cè)試時(shí)，往往會(huì)受到外界環(huán)境的影響，必須在整個(gè)測(cè)量過程中避開周邊的強(qiáng)電磁干擾，也必須確保待監(jiān)測(cè)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(hào)，進(jìn)而影響最終的測(cè)量精度。針對(duì)這些問題，業(yè)內(nèi)人士仍需要深入研究，以便更快提高該技術(shù)水平。