周寶書¹    陳巧琳²    耿瓊³  

（1.3  宜昌市夷陵區(qū)水土保持局，湖北 宜昌  443100;  2江南大學(xué)商學(xué)院，江蘇 無錫 214064）

 

    摘  要：基于GPS功能在水土保持監(jiān)測、規(guī)劃治理、工程測量與施工等方面的應(yīng)用，推動了水土保持信息技術(shù)的發(fā)展，為滿足基層水土保持工作者使用的需求，筆者從GPS系統(tǒng)的概念入手，探討了GPS定位系統(tǒng)的基本原理，分析了GPS系統(tǒng)在水土保持工作中發(fā)展趨勢及其應(yīng)用，概述了GPS在水土保持應(yīng)用中的特點。

     關(guān)鍵詞： 全球定位系統(tǒng)；水土保持；信息技術(shù)；綜合管理

 

    全球定位系統(tǒng)（GPS）廣泛的應(yīng)用于國防建設(shè)、交通運輸、資源勘測、休閑旅游、科學(xué)試驗、水利工程等領(lǐng)域； GPS技術(shù)在土地資源調(diào)查，土壤侵蝕調(diào)查，工程施工測量、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估等方面都得到廣泛的應(yīng)用。GPS成功運用于水土保持管理向高新技術(shù)的發(fā)展，是落實科學(xué)發(fā)展觀的重要舉措，是推動水利信息化建設(shè)的必由之路。

    1 GPS基本原理             

    1.1  GPS概述

   全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System）簡稱GPS,是利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

    1.2 GPS的基本原理

   全球定位系統(tǒng)（GPS）是導(dǎo)航衛(wèi)星組成的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在時空或者地面上，只需用一部GPS接收機測出3-4顆衛(wèi)星信號連接到本接收機，就可準(zhǔn)確推算出接收機所在地經(jīng)緯度、海拔高度、時間、運動速度等參數(shù)。

    1.2.1 GPS組件原理

    GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座；地面監(jiān)控系統(tǒng)；GPS信號接收機三部分組成。

GPS衛(wèi)星星座：GPS工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，記作（21+3）GPS星座（到21世紀(jì)初衛(wèi)星將發(fā)展24+3GPS星座）。

地面監(jiān)控系統(tǒng):GPS導(dǎo)航定位是已知動態(tài)點；衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷__描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)計算求得；地面監(jiān)控系統(tǒng)提供GPS衛(wèi)星星歷，并對其進(jìn)行監(jiān)測和控制。

    GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。

GPS信號接收機：GPS信號接收機可捕獲到衛(wèi)星在一定區(qū)間所選擇衛(wèi)星的信號，并對所接收到GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，實時地自動計算接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。

    1.2.2 GPS定位原理

    GPS定位基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離交會

的方法，確定待測點的位置，由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，可讀取衛(wèi)星到接收機的距離。利用三維坐標(biāo)中的距離公式和衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，假設(shè)t_o為衛(wèi)星時間，t為衛(wèi)星接收時間，則利用4顆衛(wèi)星在x、y、z軸，求未知數(shù)定位、定時（x、 y、 z 、t）的方程式：                  1、(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²+c²(t-t₀₁)=d₁²

2、(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²+c²(t-t₀₂)=d₂²

3、(x₃-x)²+(y₃-y)²+(z₃-z)²+c²(t-t₀₃)=d₃²

4、(x₄-x)²+(y₃-y)²+(z₄-z)²+c²(t-t₀₄)=d₄²

    由于GPS技術(shù)的普及與應(yīng)用，部分接收機可直接讀取測點的坐標(biāo)及其接收機的鐘點差等參數(shù)。

   2  GPS技術(shù)在水土保持中發(fā)展趨勢       

    GPS的應(yīng)用十分廣泛，涉及到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，以GPS定位系統(tǒng)的衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品，由于能夠很容易地提供位置、速度和時間信息，很快成為現(xiàn)代信息社會的重要信息來源，已經(jīng)成為信息時代國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。

    由于GPS技術(shù)具有全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進(jìn)的測量手段和新的生產(chǎn)工具，已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展的各個應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在水土流失監(jiān)測、水土保持工程規(guī)劃、工程施工與測量等方面，凡是需要動態(tài)或靜態(tài)定位、定時的地方都會采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于在水土保持系統(tǒng)管理中，達(dá)到物盡其用。

    隨著信息時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的水土保持管理向高新技術(shù)發(fā)展，GPS成功應(yīng)用于水土保持各技術(shù)領(lǐng)域。

    3.1在水土保持生態(tài)資源勘測中的應(yīng)用

    在野外調(diào)查和勘測設(shè)計中，利用GPS技術(shù)可以準(zhǔn)確定位水土資源的分布、野生群落和物種區(qū)域等指標(biāo)的經(jīng)緯度和高度，結(jié)合GIS技術(shù)，可在二、三維地圖上加以標(biāo)注，并計算出區(qū)域的面積，查詢到該區(qū)域的氣候條件等，并掌握當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化規(guī)律。

    3.2 GPS技術(shù)在水土保持工程測量中的應(yīng)用

    3.2.1在水土保持工程測量方面

    應(yīng)用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，用于水土保持地形圖、水土保持工程施工圖、水土流失分布圖等精密工程。通過加密測圖控制點，應(yīng)用GPS實時動態(tài)定位技術(shù)（簡稱RTK）和GPS三維測量工具可測繪出水土保持各種比例尺的地形圖和用于水土保持工程施工放樣。

    3.2.2在水土保持測高方面

    GPS測高包括:GPS測量橢球高；大地水準(zhǔn)面模型；正常高轉(zhuǎn)模到高程基準(zhǔn)面等三方面的內(nèi)容。

    一是求出高程異常值（H），GPS測量得到的是橢球高（h），剝離出高程異常值（N）；二是對距離的測定，雖有大地水準(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面影響,但仍可求出點與點之間的有效值；三是用全球重力場模型（GGM）求出大地水準(zhǔn)面模型，相對精度可控制在幾分米單位。

    4 GPS技術(shù)在水土保持應(yīng)用中的特點

    21世紀(jì)3S（RS、GPS、GIS）技術(shù)，即遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)在水土保持中的應(yīng)用已成為最有吸引力的高新技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)過近10年各部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大使用者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、資源勘查等多種學(xué)科，從而給水土保持測繪領(lǐng)域帶來一場新的技術(shù)革命。

    4.1定位精度高、觀測速度快。目前采用載波相位進(jìn)行相對定位，精度可達(dá)1ppm，而采用單機定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)歷米級或者毫米級；在觀測時間方面，隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內(nèi)的相對靜態(tài)定位，僅需10—15分鐘；快速靜態(tài)相對定位觀測時，每個流動站與基準(zhǔn)站相距在10KM以內(nèi)時，流動觀測時間只需1—3分鐘，然后可隨時定位，每站觀測時間只需幾分鐘。

    4.2功能齊全、操作簡便。GPS測量可同時測定測點的平面位置和高程，采用實時動態(tài)測量可進(jìn)行施工放樣；GPS測量的自動化程度很高，操作員在觀測時只需要安置和開啟、關(guān)閉儀器，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)及采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其它如捕獲、跟蹤觀測衛(wèi)星和記錄觀測數(shù)據(jù)等系列測量工作均由儀器自動生成；隨著GPS接收機不斷改進(jìn)，自動化程度越來越高，有的已達(dá)“傻瓜化”的程度，接收機的休積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕了水保工作者的工作緊張程度和勞動強度，使野外工作變得輕松愉快。

    4.3全球性、全天候作業(yè)。由于GPS衛(wèi)星分布合理，能為用戶提供連續(xù)、實時的三維位置，三維速度和時間，在地球任何地點、任何時間均可連續(xù)同步觀測到4顆以上的衛(wèi)星，且測站之間不需點間透視，點位位置可根據(jù)需要可稀可密，使選點工作靈活，節(jié)約大量的造標(biāo)費用，并不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響，可隨時進(jìn)行GPS測量。

 

[1] 喻權(quán)剛,馬安利,趙幫云.基于“3S”技術(shù)建立黃河流域水土保持信息系統(tǒng)的探討[J].水土保持學(xué)報.2004.2:27-29

[2]趙剛.王冬梅,錢惠康.GPS快速RTK技術(shù)在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用與研究[J].水土保持研究.2004.1.71-72

[3]史明昌.李智廣.新技術(shù)在我國水土保持中的應(yīng)用[J].水土保持研究.2005.2.1-3

[4]http//www.hengtone.com.[W]2005.3.12

         

 

通訊地址：湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔港虹路21號

基金項目：國家863重大行業(yè)3S應(yīng)用示范——水土保持（2002AA134071）

 

                           2005年10月15日