GPS技術在水文水資源監測方面的應用

李春光

摘要：指出了水文水資源監測是一項專業性較強的工作，通過該項工作能夠為水資源管理部門相關工作的開展提供依據。GPS技術以其自身諸多的優勢，被廣泛應用于多個領域。簡要闡述了水文水資源監測的重要意義，分析了GPS技術的定位原理及其應用優勢，論述了水文水資源監測中GPS技術的應用，以期能夠對水文水資源監測效率及質量的提升有所幫助。

關鍵詞：GPS技術；水文；水資源；監測

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）08-0179-02

1.水文水資源監測的重要意義

水是人類社會發展過程中不可或缺的物質基礎，如果沒有水，人和動物無法生存，植物則會枯萎死去，由此不難看出水的重要性。近年來，全球很多國家都在大力發展農業和工業，由此導致了用水量急劇上升，水資源緊缺的問題日趨嚴峻，這已經引起了全球性的關注。我國雖然水資源比較豐富，但由于人口眾多，使得人均水資源占有量非常少，僅為世界人均水量的1/4左右。國家為了解決水資源方面的問題，對《水法》進行了多次的修改。最新的《水法》中提出應當制定全國水資源戰略規劃，同時還提出限制污水排放總量等意見，并著重強調了在對水資源進行開發利用的過程中，要加強生態環境保護，以上種種規定的落實與實施，都離不開水文水資源的監測工作。就水資源監測而言，其主要目的是對水體、水量、水質及其空間變化情況進行了解，這里所指的水質變化既包括水體本身的變化，也包含人類活動造成的水質變化，水資源監測所得的信息能夠為相關部門開展水資源保護工作提供可靠的依據。但從目前來看，這方面的信息是比較欠缺的，所以，當務之急是要進一步加強水文水資源的監測工作。傳統的水文監測工作一般郁是以降水量、蒸發量、地表及地下徑流作為主要的監測對象，而水資源監測的重點是人類對地下水、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行監測分析，通過監測所得的數據，對水資源進行評價.進而預測出未來一段時期水資源的變化趨勢，為水資源的開發利用提供依據。可見，對水文水資源的監測具有非常重要的現實意義。

2.GPS技術的定位原理及應用優勢

GPS是全球衛星定位系統的英文縮寫形式，該系統是由美國軍方研發，最初的目的是用其進行衛星導航，通過該系統可以為用戶提供高精度的導航信息。

2.1GPS的定位原理

為了進一步加深對GPS的了解，下面對其定位原理進行簡介：測出衛星與用戶接收端的距離，由多顆衛星數據，便可得到用戶接收端所處的位置。在整個定位過程中，需要先知道衛星的準確位置，其位置可通過星載時鐘記錄的時間在星歷中查出，用戶與衛星之間的距離，可利用衛星發出的信號傳至用戶接收端上所用的時間乘以光速來獲得。在此必須著重闡明的是，由于衛星信號在傳輸的過程中需要從大氣層及電離層中穿過，由此會使衛星信號受到一定程度的干擾，所以衛星與用戶接收端之間的距離并不是真實距離，而是偽距。GPS衛星處于正常工作狀態時，它會利用二進制碼元組成的偽隨機碼發射導航電文，圖1是偽隨機碼的測距原理。

GPS所使用的偽隨機碼分為民用和軍用兩種，前者為C/A碼，其頻率為1.023 MHz，后者為P碼.其頻率為10.23 MHz。當處于地面上的用戶通過接收終端收到來自于GPS衛星發射的導航電文時，終端接收機可以提取出衛星時間，用戶通過該時間與自己的時鐘進行比對后，便可獲知衛星與接收終端之間的距離，然后再借助導航電文中的星歷數據，可以推算出衛星發射導航電文時所在的位置，由此便可得知用戶在大地坐標系中的位置。

2.2GPS的應用優勢

2.2.1能夠進行全球性24 h不間斷定位

目前，GPS衛星的總數量高達24顆之多，其全球覆蓋率高達98%以上，基本可以保證在任意時間和地點能同時觀測到4顆GPS衛星，由此確保了全球性24 h不間斷的導航定位服務。

2.2.2超高的定位精度

通過對大量GPS的應用實踐進行研究分析后發現，它的相對定位精度非常之高，相關數據顯示，其在50 km以內的相對定位精度能夠達到1m。

2.2.3觀測耗時短

美國自上個世紀70年代研發出GPS系統之后，其在數十年里獲得了進一步完善，與之相關軟件也在不斷更新，目前的GPS系統完成20 km以內的相對靜態定位只需要15～20 min左右，流動站的觀測時間更短，一般只需1-2min左右，利用GPS-RTK進行觀測時，每個測站的觀測時間僅需5～10 s左右。由于GPS系統觀測耗時較短，因此通過它來建立控制網，可以使作業效率獲得大幅度提升。

2.2.4設備易于操作

接收機是GPS系統重要的組成部分之一，隨著GPS的不斷發展，接收機的性能也逐步完善，這使得設備的操作變得更加簡單方便。應用GPS進行觀測作業時，測量人員一般只需要在合適的位置上安裝好儀器，并量取天線的高度即可，其余的觀測作業設備能夠自行完成，由此不但提高了工作效率，還減輕了勞動強度。

3.水文水資源監測中GPS技術的應用

3.1GPS水位采集與傳輸系統在洪水調度中的應用

3.1.1構建轉換模型

在對水位進行測量的過程中，一般都是以國家“85”高程為準，而GPS所測出卻是大地高程，鑒于兩者之間無法通用，所以必須將大地高程轉換為國家“85”高程，這個過程可以利用轉換模型來實現。

3.1.2水位的實時提取

通過在掌上電腦（PDA）上進行軟件編制，便可對RTK高程數據進行實時提取，同時借助轉換模型，可以獲取由國家“85”高程所表達出來的水位。

3.1.3水位數據的濾波算法

為了使所測得的水位數據達到足夠的精確度，應當對水位數據進行濾波處理，故此需要建立一個濾波模型，并通過漸進式的濾波算法，消除水位觀測時誤差對結果的影響。可將濾波模型及軟件一并植入到PDA當中，由此能夠保證水位測量時所得數據結果的正確性。

3.1.4模塊嵌入

當PDA接收到來自于GPS衛星觀測到的水位數據后，需要將這些數據傳輸給監控中心，整個傳輸過程可以通過手機中的GPRS通訊模塊來完成，因此，可將GPRS模塊嵌入到PDA當中，這樣PDA便可以對水位數據進行編碼，并由GPRS模塊進行數據傳輸。

3.1.5接收單元

當水位數據經由GPRS模塊發送出去之后，監控中心需要對這些數據進行實時接收。數據的接收可以由接收單元來完成，并由中央處理器負責對所接收到水位數據進行儲存和管理。

3.1.6智能監控

為了使水位數據的采集與傳輸實現智能化和自動化，可以通過編寫相關的軟件程序，實現監控中心對野外觀測單元的監測與管理，從而達到對野外觀測單元智能化控制的目的。

通過以上幾個步驟，可以構建起一套完整的GPS水位采集與傳輸系統，利用該系統能夠對水位的變化進行實時監測，并將不同位置的水位數據傳輸給計算機，計算機會根據實時的水位情況，繪制出相應的水位曲線，同時，還能以動態的形式將洪水推進及蓄洪區淹沒等情況顯示出來。相關管理人員依據這些信息能夠對水情有一個詳細的了解，有助于防洪決策指令的準確下達。

3.2GPS技術在流量與水質監測中的應用

傳統的水文巡測作業中，對河流斷面的定位難度相對較大，而通過GPS衛星定位系統，可以使這一問題得到有效的解決，借助GPS對河流斷面進行施測，能夠采集到洪峰期的水文資料，這在一定程度上提升了水文巡測的作業效率。在水質監測方面，可通過結合GPS技術的河道、湖面及海洋的采樣工作，迅速確定出各采樣點的水位數據、水體污染程度和采樣點坐標，利用這些數據信息，可將水質的監測結果制成動態監測圖，由此能夠反映出水質的污染程度、污染面積、污染物擴散方向等信息，為水資源的有效治理提供了依據。

4.結語

在簡要闡述水文水資源監測重要意義的基礎上，分析了GPS技術的定位原理及其應用優勢，最后從洪水調度、流量與水質監測兩個方面對GPS技術在水文水資源監測中的應用進行了論述。結果表明，通過GPS技術能夠有效地進行水文水資源的監測工作，GPS技術的應用大幅度提升了作業效率，這對于促進我國水文事業的發展具有重要意義。