GPS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測方面的應(yīng)用

董進東 呂金闖

黃委山東水文水資源局高村水文站 山東 東明 274500

引言

水利事業(yè)作為促進我國國民經(jīng)濟健康持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，目前在“十四五”規(guī)劃的推動作用下，新時期中國水利建設(shè)需要依托于高質(zhì)量發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，加強對水資源的合理開發(fā)與配置利用。為進一步加強對水資源的合理開發(fā)利用與節(jié)約保護，水利建設(shè)行業(yè)內(nèi)部應(yīng)該主動結(jié)合GPS等先進技術(shù)內(nèi)容，加強對水文水資源問題的重點監(jiān)測與管理。其中，水文水資源基本上可以視為我國水利事業(yè)重點領(lǐng)域，通過合理監(jiān)測與管理，可以加強對洪澇災(zāi)害防治以及污染防治等重點工作的應(yīng)對管理，進一步完成對水資源的合理開發(fā)利用與節(jié)約保護工作。

1 GPS技術(shù)原理以及優(yōu)勢分析

1.1 技術(shù)原理

GPS技術(shù)可以理解為：通過在測區(qū)范圍內(nèi)放置衛(wèi)星信號接收設(shè)備，確保接收機可以同時接收地球衛(wèi)星發(fā)送的信號。并采取科學(xué)合理的處理方式將已知信息數(shù)據(jù)，一般多指衛(wèi)星信號傳播時間以及信號發(fā)出距離等信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到特定計算公式當(dāng)中，獲取接收機三維實時空間坐標(biāo)。工作人員可根據(jù)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)科學(xué)構(gòu)建工程控制網(wǎng)，并結(jié)合實際情況對三維立體坐標(biāo)體系進行繪制應(yīng)用[1]。

1.2 優(yōu)勢分析

GPS技術(shù)在應(yīng)用過程中可以體現(xiàn)出以下優(yōu)勢特點：

1.2.1 實時性特點。相對于傳統(tǒng)靜態(tài)相對定位技術(shù)，GPS技術(shù)可以在短時間內(nèi)獲取測點位置數(shù)據(jù)，所表現(xiàn)出的實時性特征十分明顯。

1.2.2 全天候特點。GPS系統(tǒng)一般多具備全天候?qū)Ш蕉ㄎ还δ埽跍y量使用過程中，基本上不會受到氣候因素和工程地質(zhì)因素等影響而出現(xiàn)測量精度不高的問題，可實現(xiàn)24h全天候測量目標(biāo)。

1.2.3 操作簡單。開展工程測量工作時，工作人員只需要在觀測點位置裝GPS接收機等相關(guān)設(shè)備就可以完成衛(wèi)星信號捕捉以及跟蹤觀測等一系列操作流程。整個測量過程中，所表現(xiàn)出的抗干擾性較強且操作簡單[2]。

1.2.4 測站無須通視。使用GPS技術(shù)及相關(guān)設(shè)備時，工作人員只需要將測站角度保持在15°以上，且滿足上空區(qū)域相對開闊條件，基本上就可以達到工程測量標(biāo)準(zhǔn)要求。在測量過程中，工作人員無須與相鄰測站保持通視狀態(tài)，就可以達到預(yù)期測量目的。

2 水文水資源監(jiān)測布點特征分析

為確保水文水資源監(jiān)測效率得以全面加強，相關(guān)監(jiān)測人員應(yīng)該加強對水文水資源監(jiān)測布點問題的重視管理。結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，水文水資源監(jiān)測布點工作必須具備準(zhǔn)確性以及代表性特征，可真實反映出監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)以及河道斷面實際情況。在此基礎(chǔ)上，將水系設(shè)定為由一條主流與干支流組成，根據(jù)監(jiān)測和斷面情況選擇最具代表性特征的斷面形式，對當(dāng)前監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)特征以及水源遷移特征進行合理反映。一般來說，水系中主支流與干支流在運行規(guī)律及污染源分布面積等參數(shù)信息表現(xiàn)上需要利用專業(yè)數(shù)據(jù)及公式進行推導(dǎo)分析[3]。

以GPS技術(shù)為例，通過科學(xué)利用GPS技術(shù)可實現(xiàn)對水文水資源情況的動態(tài)監(jiān)測與管理，同時也可以基于不同環(huán)境下對不同水源點信息進行重點采集與分析。在此過程中，監(jiān)測人員可利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)程序完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的重點篩選與分析。可在獲取參數(shù)值的前提條件下，利用計算機運算功能及分析功能，實現(xiàn)對河對面各測點方差數(shù)值的運算分析。根據(jù)分析反饋結(jié)果，判斷誤差問題。除此之外，監(jiān)測人員可針對水域面積及水源地水系情況等重要信息進行篩查。根據(jù)篩查結(jié)果確定最具代表性特征的監(jiān)測地點，大量獲取優(yōu)質(zhì)采樣點。

3 GPS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用分析及實踐措施

3.1 洪水調(diào)配與水位采集

洪水調(diào)配與水位采集基本上可以視為水文水資源監(jiān)測工作予以重點關(guān)注的問題。結(jié)合以往的監(jiān)測管理經(jīng)驗來看，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)手段所存在的滯后性問題相對明顯，如監(jiān)測效率不高和監(jiān)測精準(zhǔn)度不高等，容易對水文水資源監(jiān)測管理工作造成負面影響。而通過利用GPS技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢可以實現(xiàn)對不同時間段以及不同環(huán)境下水位變化及流量變化情況的監(jiān)測分析。在監(jiān)測期間，計算機系統(tǒng)可以整合分析水位變化以及流量變化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)詳細分析之后繪制出水位曲線。結(jié)合應(yīng)用反饋情況來看，監(jiān)測人員可通過利用動態(tài)水位曲線對當(dāng)前洪水推進速度和蓄洪區(qū)淹沒情況進行重點掌握，可根據(jù)實際情況及時下達防洪決策。

在水位采集方面，監(jiān)測人員可利用GPS自動化和高智能化優(yōu)勢特點，在惡劣環(huán)境情況下完成高質(zhì)量監(jiān)測工作。在監(jiān)測工作期間，監(jiān)測人員可利用GPS系統(tǒng)獲取相關(guān)水位數(shù)據(jù)，并通過利用實時傳輸功能加強對水位數(shù)據(jù)的整合收集。在此過程中，技術(shù)人員可在監(jiān)控中心通過計算機系統(tǒng)獲取大量水位數(shù)據(jù)。根據(jù)水位數(shù)據(jù)情況，對當(dāng)前是否存在風(fēng)險問題進行研判分析。除此之外，水位監(jiān)測中心在接收到GPS模塊反饋的數(shù)據(jù)之后，可通過利用中央處理器完成數(shù)據(jù)的換算與演變，實現(xiàn)全過程管理動態(tài)化與智能化。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測與流量測驗

水質(zhì)監(jiān)測期間相關(guān)人員可通過利用GPS技術(shù)實現(xiàn)對河道、湖泊等重點監(jiān)測區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)的采集分析。獲取采集樣點坐標(biāo)之后，監(jiān)測人員可對水源帶污染情況進行實時監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)控反饋數(shù)據(jù)，制作動態(tài)監(jiān)控圖。監(jiān)測人員可結(jié)合動態(tài)監(jiān)控圖情況對當(dāng)前水域水質(zhì)情況、污染面積進行研判分析，根據(jù)分析反饋結(jié)果，科學(xué)構(gòu)建針對性治理方案。

與此同時，監(jiān)測人員還可對GPS系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)進行技術(shù)分析，完成對當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的總結(jié)歸納。除此之外，在流量測驗方面，監(jiān)測人員可利用GPS技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢解決傳統(tǒng)測驗方法存在的目視距遠、障礙物多等短板問題。結(jié)合應(yīng)用反饋情況來看，基于GPS技術(shù)的流量測驗工作在工作效率和監(jiān)測數(shù)據(jù)精確性方面得到了明顯加強[4]。

3.3 水文測量

監(jiān)測人員可在水文測量區(qū)設(shè)置GPS地面接收機實現(xiàn)對水文測量數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取。在具體應(yīng)用過程中，GPS地面接收機可針對監(jiān)測位置構(gòu)建對應(yīng)坐標(biāo)，在獲取對應(yīng)數(shù)值參數(shù)之后，結(jié)合數(shù)據(jù)情況確定基準(zhǔn)模式。需要注意的是，在測量分析過程中，GPS地面接收器天線必須位于坐標(biāo)系幾何中心位置，以保障水文高度參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)精確性效果。與此同時，為確保實測水位信息精確性，監(jiān)測人員需要結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況構(gòu)建合適的過濾模型加以高效應(yīng)用。

通過過濾作用實現(xiàn)對水位數(shù)據(jù)專業(yè)化處理，根據(jù)處理分析結(jié)果對當(dāng)前水位情況進行重點把握。除此之外，為進一步保障計算結(jié)果的精確性與合理性，監(jiān)測人員可在計算機系統(tǒng)中過濾軟件。利用過濾軟件將GPS水位數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，結(jié)合水位數(shù)據(jù)情況，對當(dāng)前水位和采樣點坐標(biāo)等關(guān)鍵信息進行重點應(yīng)用分析。完成上述工作內(nèi)容之后，監(jiān)測人員可以將收集到的所有數(shù)據(jù)信息進行整合應(yīng)用，如轉(zhuǎn)化為監(jiān)測圖形式，重點識別水質(zhì)和水污染等關(guān)鍵信息。

3.4 洪澇災(zāi)害評估

洪澇災(zāi)害始終是水文水資源監(jiān)測管理的重點內(nèi)容，所涉及的危害性影響較大且作用范圍較廣，容易對我國水利安全建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，洪澇災(zāi)害評估基本上可以視為水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域的重難點內(nèi)容，在監(jiān)測管理和評估分析過程中除了可以利用GPS技術(shù)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)之外，還可以適當(dāng)引入遙感技術(shù)，對洪水淹沒面積、作用、范圍進行合理界定，加強對洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害的控制管理。在實現(xiàn)過程中，建議相關(guān)技術(shù)人員構(gòu)建基于遙感技術(shù)的水文水資源自動化遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)對洪澇災(zāi)害等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取與科學(xué)預(yù)防，具體可以按照以下步驟完成洪澇災(zāi)害安全評估過程：

3.4.1 信息采集。信息采集基本上可以視為水文水資源遙測系統(tǒng)功能的重要表現(xiàn)。在具體實現(xiàn)過程中，主要通過利用GPRS組網(wǎng)完成對水情信息中降雨量和水位等關(guān)鍵信息的傳輸處理。并通過定時自報功能，對系統(tǒng)所獲取到的水情信息數(shù)據(jù)進行安全傳輸，一般多反饋到中心站內(nèi)部。除此之外，在開展水位以及雨量等水情信息收集工作期間，工作人員可利用水情自動化遙測系統(tǒng)精準(zhǔn)獲取相關(guān)資料數(shù)據(jù)，進一步增強水文水資源監(jiān)測質(zhì)量。

3.4.2 信息處理查詢。實現(xiàn)信息處理查詢功能可以高質(zhì)量完成對文字資料、音頻數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息的妥善存儲，同時也可以針對雨量和水位等關(guān)鍵水情信息進行自動統(tǒng)計與合理分析，根據(jù)分析反饋結(jié)果自動形成統(tǒng)計報告。除了具備上述功能之外，工作人員也可以通過預(yù)警、更新數(shù)據(jù)功能優(yōu)勢完成查詢檢索等一系列操作過程。工作人員可以對過往水情信息和歷史記錄進行查詢分析，根據(jù)分析反饋結(jié)果完成對當(dāng)前工作的決策管理。

3.4.3 洪水調(diào)試和預(yù)報。洪水調(diào)試與預(yù)報功能實現(xiàn)主要依托于在線與離線預(yù)報功能，完成對洪峰流量和總量等關(guān)鍵信息的自動化處理。同時也可以利用預(yù)報窗口可視化功能，對預(yù)報單元選擇問題、參數(shù)設(shè)置問題進行精準(zhǔn)標(biāo)注。除此之外，該功能還可以對洪水調(diào)度進行精準(zhǔn)驗算。在具體操作過程中，只需要提前輸入好設(shè)定參數(shù)就可以完成泄流工作。

3.5 地表水監(jiān)測

地表水監(jiān)測工作所面臨的重難點問題較多，再加上地表水監(jiān)測環(huán)境相對復(fù)雜且多變，如果單純利用傳統(tǒng)人工測量方法難以達到預(yù)期的監(jiān)測要求。通過GPS技術(shù)和遙感技術(shù)，可在短時間內(nèi)高效獲取信息數(shù)據(jù)。并通過航空雷達監(jiān)測手段，實現(xiàn)對目標(biāo)點區(qū)域水資源信息的精準(zhǔn)收集與整合處理。在具體過程中，監(jiān)測人員可利用收集到的數(shù)據(jù)信息對當(dāng)前地表水運行狀態(tài)、存在的污染問題進行研判分析。根據(jù)分析反饋結(jié)果，采取針對性手段加強對地表水污染問題的防治處理，以避免對監(jiān)測水域質(zhì)量安全構(gòu)成威脅。

4 GPS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢分析

結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用情況來看，通過GPS技術(shù)基本上可以實現(xiàn)對水文水資源測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取，監(jiān)測人員可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對當(dāng)前水體、水量和空間變化情況進行動態(tài)掌握。可以說，GPS技術(shù)的推廣應(yīng)用無疑為我國水利信息化發(fā)展進程夯實了基礎(chǔ)保障。需要注意的是，雖然與傳統(tǒng)水文監(jiān)測技術(shù)相比，GPS技術(shù)的推廣應(yīng)用進一步增強了水文水資源監(jiān)測效率以及數(shù)據(jù)獲取精度，但是GPS技術(shù)尚未達到成熟應(yīng)用水平，在某些技術(shù)流程、應(yīng)用方面還是存在短板問題。針對于此，為保障GPS技術(shù)得以深入持續(xù)應(yīng)用，建議行業(yè)內(nèi)部人員加強對GPS技術(shù)與其他先進技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，如5G技術(shù)、遙感技術(shù)等，實現(xiàn)水文水資源監(jiān)測多維度發(fā)展。

5 結(jié)束語

總而言之，新時期水文水資源監(jiān)測工作應(yīng)該立足于水利信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，加強對新技術(shù)、新手段的應(yīng)用推廣力度。其中，GPS技術(shù)作為水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域常用的技術(shù)方法，可通過結(jié)合GPS技術(shù)優(yōu)勢特點，加強對監(jiān)測水域河流水源變化數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)信息的自動獲取。根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況，對該地區(qū)水文防汛機制體系建設(shè)以及風(fēng)險預(yù)警防范體系內(nèi)容進行健全完善，以期可以加強對自然災(zāi)害風(fēng)險問題以及環(huán)境污染問題的應(yīng)對處理。需要注意的是，為保障水文水資源監(jiān)測水平持續(xù)提升，建議在今后的發(fā)展過程中，水文水資源監(jiān)測單位應(yīng)該加強對GPS技術(shù)及其前沿發(fā)展動態(tài)問題的關(guān)注力度，最好可以主動融合新技術(shù)和新方法，進一步增強GPS技術(shù)應(yīng)用效能。