周寶書(shū)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(wú)錫 214064）

 

    摘  要：基于GPS功能在水土保持監(jiān)測(cè)、規(guī)劃治理、工程測(cè)量與施工等方面的應(yīng)用，推動(dòng)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(shì)及其應(yīng)用，概述了GPS在水土保持應(yīng)用中的特點(diǎn)。

     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(guó)防建設(shè)、交通運(yùn)輸、資源勘測(cè)、休閑旅游、科學(xué)試驗(yàn)、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(cè)量、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估等方面都得到廣泛的應(yīng)用。GPS成功運(yùn)用于水土保持管理向高新技術(shù)的發(fā)展，是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的重要舉措，是推動(dòng)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(jiǎn)稱GPS,是利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在時(shí)空或者地面上，只需用一部GPS接收機(jī)測(cè)出3-4顆衛(wèi)星信號(hào)連接到本接收機(jī)，就可準(zhǔn)確推算出接收機(jī)所在地經(jīng)緯度、海拔高度、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)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(hào)接收機(jī)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?jiǎng)討B(tài)點(diǎn)；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(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)計(jì)算求得；地面監(jiān)控系統(tǒng)提供GPS衛(wèi)星星歷，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

    GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。

GPS信號(hào)接收機(jī)：GPS信號(hào)接收機(jī)可捕獲到衛(wèi)星在一定區(qū)間所選擇衛(wèi)星的信號(hào)，并對(duì)所接收到GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，實(shí)時(shí)地自動(dòng)計(jì)算接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)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(yùn)動(dòng)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(huì)

的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置，由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，可讀取衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。利用三維坐標(biāo)中的距離公式和衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，假設(shè)t_o為衛(wèi)星時(shí)間，t為衛(wèi)星接收時(shí)間，則利用4顆衛(wèi)星在x、y、z軸，求未知數(shù)定位、定時(shí)（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(jī)可直接讀取測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及其接收機(jī)的鐘點(diǎn)差等參數(shù)。

   2  GPS技術(shù)在水土保持中發(fā)展趨勢(shì)       

    GPS的應(yīng)用十分廣泛，涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(shí)間信息，很快成為現(xiàn)代信息社會(huì)的重要信息來(lái)源，已經(jīng)成為信息時(shí)代國(guó)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(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)工具，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在水土流失監(jiān)測(cè)、水土保持工程規(guī)劃、工程施工與測(cè)量等方面，凡是需要?jiǎng)討B(tài)或靜態(tài)定位、定時(shí)的地方都會(huì)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(shí)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(cè)中的應(yīng)用

    在野外調(diào)查和勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)量中的應(yīng)用

    3.2.1在水土保持工程測(cè)量方面

    應(yīng)用GPS靜態(tài)相對(duì)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(guò)加密測(cè)圖控制點(diǎn)，應(yīng)用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（簡(jiǎn)稱RTK）和GPS三維測(cè)量工具可測(cè)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(cè)高方面

    GPS測(cè)高包括:GPS測(cè)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(cè)量得到的是橢球高（h），剝離出高程異常值（N）；二是對(duì)距離的測(cè)定，雖有大地水準(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面影響,但仍可求出點(diǎn)與點(diǎn)之間的有效值；三是用全球重力場(chǎng)模型（GGM）求出大地水準(zhǔn)面模型，相對(duì)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(diǎn)

    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(guò)近10年各部門(mén)的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大使用者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、資源勘查等多種學(xué)科，從而給水土保持測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命。

    4.1定位精度高、觀測(cè)速度快。目前采用載波相位進(jìn)行相對(duì)定位，精度可達(dá)1ppm，而采用單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)歷米級(jí)或者毫米級(jí)；在觀測(cè)時(shí)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(duì)靜態(tài)定位，僅需10—15分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)時(shí)，每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在10KM以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)觀測(cè)時(shí)間只需1—3分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)時(shí)間只需幾分鐘。

    4.2功能齊全、操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量可同時(shí)測(cè)定測(cè)點(diǎn)的平面位置和高程，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量可進(jìn)行施工放樣；GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，操作員在觀測(cè)時(shí)只需要安置和開(kāi)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(cè)衛(wèi)星和記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)等系列測(cè)量工作均由儀器自動(dòng)生成；隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，有的已達(dá)“傻瓜化”的程度，接收機(jī)的休積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，極大地減輕了水保工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)時(shí)的三維位置，三維速度和時(shí)間，在地球任何地點(diǎn)、任何時(shí)間均可連續(xù)同步觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，且測(cè)站之間不需點(diǎn)間透視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要可稀可密，使選點(diǎn)工作靈活，節(jié)約大量的造標(biāo)費(fèi)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(shí)進(jìn)行GPS測(cè)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(bào).2004.2:27-29

[2]趙剛.王冬梅,錢(qián)惠康.GPS快速RTK技術(shù)在水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)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

         

 

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基金項(xiàng)目：國(guó)家863重大行業(yè)3S應(yīng)用示范——水土保持（2002AA134071）

 

                           2005年10月15日