GPS在水土保持監(jiān)測中的應用

付曉婷,曹佳云,賀 丹

(西北大學 城市與環(huán)境學院,陜西西安 710127)

由于全球定位系統(tǒng)具有精度高、速度快、全天候、自動化程度高等優(yōu)點,所以在水土保持調查、監(jiān)測等方面得到廣泛應用。特別是SA政策的取消,給水土保持監(jiān)測工作帶來蓬勃的生機。水土保持監(jiān)測方法也層出不窮,究竟哪一種方法更適用于實地監(jiān)測,需要進行對比探索。對 GPS接收機的正確選擇也是進行合理監(jiān)測的前提。

1 水土流失監(jiān)測概述

水土流失是指在自然和人為作用下特定地塊上水和土的損失。與水土流失相關聯的術語有土壤流失和土壤侵蝕等。土壤流失單指土的損失,不包括水的損失;土壤侵蝕是指自然和人為作用對土壤的破壞和移動。一般能夠監(jiān)測到的是土壤流失量。水土流失的影響因子有坡度、坡長、土壤可蝕性、降雨和降雨侵蝕力、植被覆蓋度、耕作措施、徑流等。

水土流失監(jiān)測主要包括水的流失、土的流失和養(yǎng)分流失。水流失監(jiān)測主要是小區(qū)和小流域觀測。水土流失監(jiān)測按空間尺度不同分為小區(qū)、小流域和區(qū)域監(jiān)測。小區(qū)和小流域監(jiān)測成果主要用于水土保持規(guī)則和小流域綜合治理,并且主要通過建立土壤侵蝕預報模型實現這一目標。區(qū)域水土流失定量監(jiān)測成果主要用于土地資源的利用與保護、國家和地區(qū)生態(tài)與環(huán)境建設及可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃等。

目前的區(qū)域土壤流失監(jiān)測主要有 3類：

(1)抽樣調查。按一定原則和比例在區(qū)域范圍內抽樣,調查抽樣單元或地塊的侵蝕因子狀況,再利用土壤侵蝕預報模型估算土壤流失量,進而根據不同的目的進行各層次管理或自然單元匯總。

(2)網格估算。按一定空間分辨率將趨于劃分網格,基于 GIS技術支持,,利用土壤侵蝕匯報模型估算各柵格土壤流失量,進而根據不同目的進行不同層次的單元匯總。

(3)遙感調查。基于遙感影像資料和 GIS技術,按照一定的空間分辨率,利用全數字作業(yè)的人際交互判讀方法,通過分析地形、土地利用、植被覆蓋等因子,確定土壤侵蝕類型及其強度與分布。其中抽樣調查方法是我國水土流失監(jiān)測常采用的方法。

國內外許多學者和專家對水土流失及其影響因子進行了大量、廣泛而較深入的觀測和研究,建立了諸多土壤侵蝕預報模型,并對各自的適應條件進行了較深入的探討。通過對土壤侵蝕的產生過程、成因機理,尤其是水土流失的影響因子進行分析研究,為水土流失的監(jiān)測、防治提供了理論依據和現實基礎。

2 GPS在水土保持中的應用概述

由于全球定位系統(tǒng)(GPS)具有精度高、速度快、全天候、自動化程度高等優(yōu)點,所以在水土保持調查、監(jiān)測等方面得到廣泛應用。

林永賢(2000)將 GPS在水土保持方面的應用概括為以下三個方面：

(1)在土壤工程侵蝕調查中的應用。在土壤侵蝕調查中,利用 GPS進行測量定位,可以快速、高效、方便地把調查的樣本單元落實到地面上進行測量和調查。同時,貯存在GPS接收機中的樣地坐標及調查數據還可以通過數據轉化直接形成數據庫,從而有利于內業(yè)數據的匯總統(tǒng)計。

(2)在水土保持監(jiān)測中的作用。利用 GPS導航功能,輸入固定監(jiān)測樣地坐標,由 GPS接收機引導調查員到達監(jiān)測點,不僅定位速度快、精度高,而且可以將原有的明標改為暗標。通過不同時期連續(xù)監(jiān)測樣點的植被、土壤、流失面積等變化,建立全市范圍內廣泛的水土保持監(jiān)測網絡。

(3)在水土保持專題制圖的應用。GPS徹底改變了傳統(tǒng)專題圖在制作上手工繪制、成圖慢、精度低、投入高的缺點,配合地理信息系統(tǒng)可以滿足多種專題圖制作的要求,實現出圖準確、高效和自動化。如：以 ACCESS為數據平臺,利用省林學院編制的“土壤工程侵蝕調查”計算機管理程序,結合各市(縣、區(qū))的行政圖可繪制出不同比例尺的省、市(縣、區(qū))土壤工程侵蝕現狀圖。

3 GPS在水土保持監(jiān)測的應用

GPS在平面測量控制、建立各種等級的控制網(三角網或導線網),多采用靜態(tài)和快速靜態(tài)或用動態(tài)后處理方式處理采集到的數據。對于勘界、高精度放樣以及水保措施野外驗收、水庫斷面測量等的應用,需要當場知道測量結果或精度的應用場合,利用GPS實時動態(tài)測量的RTK(Real TimeK i-nematic)測量技術是解決這類問題的最好辦法,可提供厘米級測量精度。

隨著時間的推移,3S技術在水利水保工作中必將占有其重要的位置,GPS作為獲取野外第一手資料的手段,將以其快速、準確、不受地理位置限制、成圖容易的優(yōu)勢進入 21世紀的水保動態(tài)監(jiān)測工作中。隨著 GIS在水土保持工作中得到廣泛運用,水土保持管理工作也正在由定性描述、不定位逐步走向量化、定位管理。

隨著GSM網在全國絕大部分地區(qū)的覆蓋,數據傳輸、短消息等 GSM業(yè)務的開通,利用 GSM網絡,將 GPS和GIS有機的結合在一起,從而實現及時、準確的 GPS水土保持監(jiān)測和管理。

3.1 RTK技術在水土保持監(jiān)測中的應用

GPS實時動態(tài)(real time kinenatic,RTK)測量系統(tǒng),是GPS測試技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng)。RTK技術是以載波相位觀測量為根據的實時差分 GPS測量技術,它能實時提供觀測點的三維坐標,并達到厘米級的高精度。RTK技術的優(yōu)點：作業(yè)自動化、集成化程度高、測繪功能強大;降低了作業(yè)條件要求;定位精度高,數據安全可靠,沒有誤差積累;作業(yè)效率高;操作簡便、數據處理能力強。

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測的方法多是利用不同年份的衛(wèi)星遙感影像進行對比分析來計算水土流失面積和水土流失量,進而采取保護措施。這種方法成本較高,更新速度較慢,且計算的結果精度較低,不能有效地實現對重點區(qū)域進行重點監(jiān)控。利用 GPS快速RTK技術就可以將地面變化部分的數據在野外采集到,并通過計算機處理輸入GIS,使得利用 GIS管理水土保持工作成為可能,且利用 GPS采集數據比原來更簡單、更準確、更經濟。

用 GPS快速 RTK技術可為水土保持治理工作提供大量可靠信息和依據,并且可將外業(yè)測得數據經計算機處理成圖放到土地利用圖和數據庫中。為流域水土保持管理信息系統(tǒng)提供科學數據,為水土流失治理效益評價、土壤侵蝕預測、工礦開發(fā)及修路棄土量、水土保持措施驗收、管理、決策提供科學依據。

3.2 GPS靜態(tài)單點定位與快速 RTK技術的結合方法

在水土保持監(jiān)測時,如果碰到新增加的水土流失區(qū)域,常用 RTK技術測量其流失面積,為了與衛(wèi)星遙感影像的坐標系一致,必須先與國家控制點聯測,然后進行地類邊界和地形測量等工作。這種方法常因國家已知點被破壞而受數量與分布的限制和誤差積累的影響,工作效率有待提高。

解決問題的思路,是利用一套(2臺)雙頻 GPS進行靜態(tài)單點定位與快速 RTK技術的結合來測量。即：先用GPS單點定位測量已知控制點的坐標,求得測量值與已知坐標 X、Y的偏差值—接近一常數,然后在測區(qū)任意地方兩個點進行單點定位,考慮偏差值,計算控制點的坐標,從而完成控制測量的工作;最后一邊對水土流失的邊界實施 RTK測量,一邊進行控制點的加密(單點定位),即在哪里超出 RTK測量的有效范圍,就在哪里進行單點定位測量。單點定位技術是這種方法的關鍵。

當用 RTK方法和單點定位加密控制點時,應固定移動站的天線,遠離各種強電磁干擾源和大面積的信號反射物,以避免多路徑效應帶來的較大誤差。所采用的衛(wèi)星數越多,分布越均勻,則 PDOP值越小,RTK的精確性和可靠性越高,且初始化的時間也越短。

在用 GPS的單點定位和RTK技術進行外業(yè)觀測之后,需要進行內業(yè)處理。一般野外移動站 GPS接收機實時采集的數據(WGS一 84坐標)由掌上電腦控制,首先需要將數據轉換為北京 54坐標。通過數據鏈接,將掌上電腦中的數據傳輸到一般電腦中,并采用 Ez-office軟件將其轉換成所需要的數據格式,然后根據地類界的主要特點,對地類界的屬性進行標注與編輯。最后需要用 GIS軟件 ARCView等成圖,并與之前的、土地利用圖、地形圖等進行疊加分析,計算水土流失量和水土流失面積。

3.3 “3S”技術在水土保持監(jiān)測中的應用

“3S”技術是遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的統(tǒng)稱。“3S”技術正處在日新月異的發(fā)展階段。“3S”技術于 20世紀 70年代引入我國后,在土壤侵蝕研究應用方面取得了長足進展,目前在水土流失動態(tài)監(jiān)測、水土保持管理信息化建設等方面應用已經十分普遍。

比如,深圳市建立了水土保持管理信息系統(tǒng),這是將 3S應用到水土保持監(jiān)測中的一個典型實例(肖衛(wèi)國 2003)。在該系統(tǒng)中,GPS實現的主要功能有：①運用現時遙感數據與歷史遙感數據進行復合分析,能主動發(fā)現土地利用的變化區(qū)域,再用后差分 GPS技術精確測量土地利用的變化數據,可以得到變化的定量數據。②GPS測量數據都是以數字形式存儲,可以直接輸入或經格式轉換后進入 GIS系統(tǒng)成圖,避免了傳統(tǒng)方法中多次轉繪、清繪帶來的誤差,可加快數據采集過程,有利于數據的進一步處理。③GPS精度較高,可以作為地理信息系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的精度校核系統(tǒng)。④在土壤侵蝕調查中,利用 GPS進行測量定位,快速、高效、方便把調查的樣本單元落實到地面上進行測量和調查。同時,貯存在GPS接收機的樣地坐標及調查數據還可以通過數據轉化直接形成數據庫,從而有利于數據的匯總統(tǒng)計。⑤通過不同時期連續(xù)監(jiān)測樣點的植被、土壤、流失面積等變化,建立全市范圍廣泛的水土保持監(jiān)測網絡。⑥GPS作為一門應用技術,有助于大大提高工作效率,加速水土保持科研從定性向定量發(fā)展,為水土保持的規(guī)劃、調查、監(jiān)測等方面提供強有力的技術手段。通過本系統(tǒng),可以把差分后的數據文件在遠程客戶端通過 Internet或局域網導入空間數據庫內。系統(tǒng)自動產生新圖斑,并提示輸入相應的屬性信息,自動計算出此圖斑的面積。

卜兆宏(2005)介紹了 GPS實測更新 GIS陳舊處數據的實用方法研究及其在水土流失定量檢測中的應用,也是 3S在水土流失中的一個應用實例。該方法由 GPS軟硬件接收設備組裝的實測儀器、實施實測的要點、實測數據的投影轉換與對 GIS陳舊處數據的更新處理等部分組成。它在實測更新土地利用圖的應用效果,與測繪屆所采用的 RTK技術比,更為經濟、快速和實用,而其所定位置和更新的 GIS數據結果在消除系統(tǒng)誤差后更為可信。

研究的應用區(qū)是地跨江蘇省南京溧水縣和鎮(zhèn)江句容市的方便水庫流域。最終的應用結果分為直接應用結果和間接應用結果。直接應用結果是更新了產沙小流域的土地利用圖,并獲得近幾年該小流域上游和整個產沙流域的土地利用變化。利用實測更新圖,對全流域的土地利用圖、水系圖和交通圖的原 GIS數據做了更新。間接應用結果,是將 GPS實測更新 GIS數據后應用于水土流失定量監(jiān)測所取得的結果。監(jiān)測前后的變化幅度比較大。所以用GPS實測更新 GIS數據是很必要的。

3.4 “3G”技術在水土保持監(jiān)測中的應用

由于水土保持要求 GPS測量具有比較高的時效性和測量精度,因此,GPS技術在水土保持中通常采用快速靜態(tài)測量方法和動態(tài)差分測量方法,使用較為頻繁的是動態(tài)差分測量方法。對于水土保持領域中動態(tài)差分定位要求的米級精度而言,理所當然要采用偽距或載波相位的差分技術。差分定位技術按時間狀態(tài)又可分為實時差分和事后差分。事后差分技術具有結果更可靠、精度有保證、易于實現、體積小、重量輕等優(yōu)點,已經被廣大水土保持工作者認同。但是,由于事后差分技術不具有實時性,而且內業(yè)處理耗時太長,從而制約了事后差分技術的進一步推廣。

隨著 GSM網在全國絕大部分地區(qū)的覆蓋,數據傳輸、短消息等 GSM業(yè)務的開通,上述要求就有了一個相對容易實現的方法：就是利用 GSM網絡,將 GPS和 GIS有機的結合在一起,從而實現及時、準確的 GPS水土保持監(jiān)測和管理。有人將這種由 GPS、GSM、GIS相結合構成的水土保持監(jiān)測和管理技術稱之為 3G"水土保持監(jiān)測和管理技術。

3G水土保持監(jiān)測和管理技術實現的關鍵就是利用GSM網絡的數據傳輸和短消息服務功能取代實時差分技術中的傳統(tǒng)數據鏈。它的作用距離僅受限于GSM網絡的覆蓋情況,而且,重量輕、功耗低,數據傳輸和短消息的服務費用也不高。

除了 GPS衛(wèi)星部分外,整個差分定位由三部分構成(如圖 1)。第一部分是 GSM網絡部分,這部分可以利用中國移或中國聯通的現有網絡服務。另外兩部分為監(jiān)控中心站部和流動站部分,由用戶建立。其中,流運站通常由裝有 GSM數據模塊的測量型GPS接收機構成,監(jiān)測中心通常由運專業(yè)軟件的服務器和GPS接收機、GSM數據模塊構成。流站GPS接收機接收到衛(wèi)星信號,并將數據通過 GSM模塊送出去,監(jiān)測中心接收到流動站的數據后,與監(jiān)測中心內GPS接收機的數據一起進行逆向差分解算,并將解算的結更新到GIS的數據庫中。同時,還可將具有較高精度的逆差分結果反饋給流動站。

圖1 利用GSM進行差分定位

假如在一個城市建設一個監(jiān)測中心,該市同時有 A、B、C、D、E等多個水土保持監(jiān)測點,給每個監(jiān)測點各配一臺帶有GSM數據模塊的 GPS接收機,A、B、C、D、E等各個流動站獨立工作,它們將 GPS接收機觀測得到的數據通過 GSM網絡送入中心站進行處理,中心站只需配置一臺測量型 GPS接收機以及相應的 GSM數據模塊就幾乎可以同時對各個流動站進行逆向差分解算,并進行 GIS系統(tǒng)的更新。使用起來既方便又經濟。

將 GSM網絡進行 GPS準實時逆向差分定位技術應用在水土保持監(jiān)測中,可以大大提高差分定位的可靠性、及時性。同時,又能在降低對測量人員技術要求的情況下,將 GIS與GPS更有機地結合在一起,從而增強 GPS在水土保持監(jiān)測與管理中的應用能力。雖然它在一定程度上受制于 GSM網絡的分布與服務,但由于它具有可靠性、長距離、使用簡單、攜帶方便、經濟等優(yōu)點,可以在全國各地推廣使用。

4 GPS應用于水土保持的精度測試

由于 GPS在水土保持行業(yè)中的應用越來越廣泛,特別是SA政策的取消,給水土保持監(jiān)測工作帶來蓬勃的生機,因此為了滿足不同層次監(jiān)測和管理的需要,GPS的選擇和精度就成為一個重要的因素。水利部水土保持監(jiān)測中心在 2001年對 GPS應用于水土保持監(jiān)測進行了精度測試,并給出了進行水土保持監(jiān)測選擇 GPS要注意的關鍵問題。

水土保持監(jiān)測工作的基本特點是時效性要求較高,測量精度要求較高。根據水土保持重點區(qū)域多為山丘地帶、地形起伏較大、通視條件差、水土保持措施分布較分散等特點,當前水土保持監(jiān)測對 GPS接收機的要求,可概括為：

(1)定位精度：動態(tài)定位水平 2m,垂直 3m;快速靜態(tài)測量水平 0.5m,高程小于 1m.

(2)靈敏度：捕獲信號時間小于 1.5 min,定位冷啟動時間小于 45 s,熱啟動小于 15 s。

(3)容量：1M以上內存,記錄坐標點數不小于 500個。

(4)能同時接收 8顆以上衛(wèi)星信號,可調節(jié)采集歷元的頻率。

(5)山體遮擋時有跟蹤GPS衛(wèi)星的能力。

(6)具有幾何量算功能和記錄地物屬性的功能。

(7)操作簡單,能方便地進行不同坐標系的整理轉換,配套軟件效率較高。

(8)體積小,重量輕,便于攜帶。

目前 GPS市場繁榮,用戶有很大的選擇余地。在應用于水土保持監(jiān)測的試驗研究前,首先要清楚 GPS的基本功能是定位和導航,取消 SA政策后,精度應為 15 m,不管產品的標稱精度為多少;其次,要清楚自己的工作環(huán)境與目的,不同的GPS接收機適應于不同的環(huán)境,有的天線內藏,靈敏度較低,適用于空中沒有遮擋、自然條件較好的工作中,而水保監(jiān)測的工作環(huán)境比較復雜,應選擇靈敏度較高的天線,最好選用測量型天線,還要考慮機器的動態(tài)性能;再次,要仔細了解不同型號 GPS接收機的性能,如捕獲時間、接口、顯示、坐標系、容量大小、電池壽命及有無記憶電池、工作溫度、尺寸、重量等等;最后,應考察所選儀器的生產廠家及其代理機構的售后服務及技術支持情況。

水利局選擇了 7家(國外 4家、國內 3家)知名品牌的便攜式 GPS事后差分設備進行了現場對比試驗。試驗的主要內容包括檢測 GPS水平方向的定位精度、高程測量的絕對誤差、記錄地物屬性的功能以及能否按要求采集數據等幾方面。進口儀器設備與國產同類產品在精度上沒有顯著差異;從測量的絕對坐標來看,各家之間有較為顯著的差異。各家的軟件均存在不同程度的缺陷,內業(yè)處理較為復雜,說明配套軟件仍有進一步改進的必要。從測量的結果看,具有載波相位的事后差分設備的快速靜態(tài)測量及動態(tài)軌跡測量基本均可滿足應用要求。

5 結語

本文介紹了 GPS在水土保持中的應用,總結并著重介紹了各種 GPS技術方法在水土保持監(jiān)測中的應用,它們的優(yōu)點和存在的問題,最后給出了在水土保持監(jiān)測中選擇 GPS的一些建議。可以看出,采用這些監(jiān)測方法有一個共同點,就是用與用 GPS相關的技術進行外業(yè)觀測,內業(yè)處理基本上都采用 GIS技術,然后與之前的遙感影像或者土地利用等專題圖進行疊加對比分析,最終得出水土流失量和水土流失面積。現在不管應用哪種方法,都離不開 GPS技術、GIS技術與 RS的結合,所以 3S技術依然是水土保持監(jiān)測的主要技術方法。

在進行水土保持監(jiān)測的時候,可以根據監(jiān)測地的特點、經費以及可應用到的技術水平來選擇應用哪一種監(jiān)測技術以及何種 GPS接收機。也可以在試驗區(qū)采用多種方法進行對比分析,確定適合的監(jiān)測方法。在監(jiān)測之后,最好能對監(jiān)測的結果進行精度評價,使得監(jiān)測的結果可以進行正確的決策。希望本文能對水土保持的監(jiān)測工作起到一點借鑒作用。

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