“GPS在水土保持生态建设中的应用研究

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

[关键词]GPS应用；水土保持；规划设计；监测
[摘 要]GPS定位，由于精度高、速度快、保密性强、操作简单等，已广泛应用于导航、测量、工程设计旆施工等领域。GPS在水土保持工作中的应用发展很快，但落后于其他行业。GPS定位技术可应用于水土保持工程规划设计、施工放样、竣工验收及水土流失监测、土地利用调查、水土保持地理信息系统的建立和数据更新等方面，对水土保持工程施工放样等，可用GPS手持机进行定位。
[中图分类号]N39；S157   [文献标识码] A    [文章编号] 1000-0941（2000）11-0023-02
 
      GPS是导航卫星测时和测距/全球定位系统英文（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System）字头的简写。该系统是美国自70年代开始研制的卫星导航和定位系统，到1994年有24颗在轨卫星连续向地面发射信号，供位于海、陆、空的固定和移动接收机接收，实现在地球上任何地方和任何时刻的自动定位，GPS定位的特点[1]：①
全球地面连续覆盖，24颗均匀分布的卫星保证地面上任何地点、任何时刻最少可以接收4颗以上的卫星信号，最多可以接收11颗卫星信号，从而保障全球全天候连续、实时、动态导航、定位；②功能多，精度高，可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息；③实时定位速度快，可在13内完成；④抗干扰性能好，保密性强；⑤操作简单，观测简便；⑤两观测点问不需通视，大大减少了建立砚标的费用。
GPS定位技术己广泛应用于海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、设计、施工、验收、动态监测、设备安装、时间传递、速度测量等领域，尤其在测绘行业已取得可喜成果。GPS定位技术在水土保持生态建设中的应用发展很快，部分重点项目已经使用或正在使用GPS定位技术。全国水土保持监测方案中明确要求，在全国水土流失监测中，尤其对地面监测，要充分利用GPS全球定位技术，实现数据的快速采集、对象属性的实时分析。就目前的应用现状看，GPS技术在水土保持上的应用还远落后于其他行业，有待于进一步发展。
1 GPS定位技术在水上保持生态重建方面的应用
    GPS定位技术的应用，对加快水土保持生态建设速度，提高建设质量，增加科技含量，具有非常重要的作用。GPS定位技术可以应用于水土保持生态工程建设的全过程。
1.1 应用于水保生态工程规划设计
    生态建设规划需要调查评价土地利用现状、典型样点水土流失状况、地面坡度等数据，以往取得这些数据主要依靠外业常规测量或借助地形图资料，存在问题是外业常规测量费时费钱，且地形图资料不能反映最新地形地貌状况。利用GPS定位技术很容易完成图斑的跟踪、样点侵蚀量的调查及坡度量测工作，尤其在设计阶段，对水保工程的设计具有很大作用，如可以用GPS定位技术完成数字地面模型（DTM），用计算机设计软件完成拦泥坝工程设计等。
1.2 应用于水上保持工程施工放样
      水土保持工程施工放样，以往采用经纬仪、水准仪、皮尺、罗盘等，操作比较繁琐，在地形条件复杂的区域，施工放样相当困难，精度难以保证。利用GPS定位系统中的RTK（实时动态）技术，很容易找到待定位的目标点。如果定位的精度要求不是很高，像梯田、造林地等的放样，利用GPS手持机定位放样，更简单容易，而且手持GPS接收机价格便宜，一般基层水利水保部门都可以买得起。
1.3 应用于水土保持生态建设工程竣工验收
      由于水土保持生态工程的特殊性，以往的验收大部分采用现场抽样查看的形式，对实施工程的图斑、位置无法精确测量和定位。如果使用GPS定位技术，现场跟踪图斑，可很快确定出图斑在图上的位置和面积，观测出主要工程指标，确定工程设计的完成情况。
1.4 应用于水土流失动态监测
      对自然水土流失的监测，宏观方面可建立GPS控制网，在控制网的基础上，进行像控点测量，为航空遥感像片的定向提供加密点，用于宏观区域和重点区域水土流失和土地利用信息的采集、提取；在微观方面，可利用GPS技术监测沟头前进速度、沟底下切速度、沟缘线后退速度，甚至可以监测典型样点水土流失量（流失厚度）。对人为水土流失监测，一是可以定期观测开挖面、堆积面的变化情况，二是可用GPS现场测量挖填方量、堆积量和弃土弃渣量，三是可用GPS在最短时间内比较准确地确定开荒、毁林及破坏水土保持设施的数量、面积等。
1.5 用于水上保持地理信息系统的建立和数据更新
      “3S”集成系统已开始应用于国家重点生态建设项目和水土保持监测项目，GPS在“3S”系统中具有很重要的作用，主要体现在：①建立控制网，为数字化测图提供野外基础控制数据。②为信息系统提供图斑补测、补绘和更新工作。现已成熟的RTD GPS技术、RTK GPS技术甚至事后处理的普通DGPS（差分GPS）技术都是野外空间数据采集比较好的工具，能为GIS提供质量好、精度高的矢量数据。同时，可通过DGPS精确定位，实时测量训练样地面积，建立图上面积与实际面积的数学关系，提高遥感图像分类的精度。
 
2  GPS定位技术在水土保持生态建设中的应用方法
 
2.1  在水土保持规划设计中的应用方法
（1）土地利用现状调查。应用GPS中的RTK技术，把1台基站架设在某已知点或明显地物点上（该作业尽量设在作业区的中心位置），用流动站跟踪图斑，并赋图斑属性代码。经室内处理，可得到精度较高的三维土地利用图。
（2）坡度、沟道比降测量。用GPS测出坡面或沟道上下游两点的三维坐标，解算出两点间的距离和高差，可求得坡度和沟道比降等指标。
（3）拦泥坝工程设计。利用GPS测出坝址处一系列地形地豸特征点的坐标数据，通过后处理，求出各特征点的坐标，利用相关软件编制成数字地面模型，用计算机辅助设计软件完成拦泥坝工程设计。用这种方法进行工程设计，自动化程度比较高，可提供多方案比较，对设计结果进行修改也相当方便。
2.2  在工程施工放样中的应用方法
    用GPS定位技术进行施工放样非常方便，根据精度要求的不同，可采用不同的方法。①梯田、造林地、牧草地等水保措施放样：这类措施的放样精度一般要求比较低，用相对精度好一点的手持GPS接收机就可完成。操作非常方便，像手持罗盘仪一样，在地头走动，寻找待定点坐标完成定位。②小型水利水保工程施工放样；应用GPS的RTK或RTD技术，基站安设在一已知点上，预先将待定点坐标输入流动站手簿，手持GPS流动站天线，按手簿上提示的方向寻找，很快就可找到待定点坐标。用同样方法确定一系列点，由这些点可以连成开挖线，确定开挖面。
2.3  在水土保持工程竣工验收中的应用方法
项目竣工验收中应用GPS的范围很广，在此举2个例子。①小流域综合治理竣工验收：按验收要求抽取一定比例的图斑，在现场对抽查图斑用GPS的RTK技术，求出图斑的面积，与验收图上的图斑面积比较，确定正确率。如果验收图已输入到信息系统中，可以把GPS观测的结果输入计算机，除能验证图斑的面积外，还可验证图斑边界和图斑位置的准确程度。②小型水利水保工程验收：用GPS的RTK技术，观测工程主要指标，如坝顶高程、坝高、坝顶长、外坡比、内坡比、土方量、石方量等。如果原设计资料已输入计算机或用GIS管理，可以把GPS观测数据输入GIS系统，由计算机分析工程施工完成指标与设计值的差别，评价工程质量。
2.4  在水土流失动态监测方面的应用方法
（1）自然水土流失监测。第一，选定监测区域，收集监测区域有关资料（包括国家三角点、GPS点资料）；第二，根据区域大小，按GPS网络规范要求进行GPS控制网设计；第三，野外先点、造标、埋石；第四，控制点观测；第五，内业解算、平差，得到GPS控制网作为动态监测的基础。在控制网的基础上，根据不同的需求，采用不同的监测方法。①宏观监测：在TM影像上找明显地物点，基于已建立 的控制网进行外业观测，求出一系列地物点坐标，作为TM影像几何精纠正的依据用于宏观区域水土流失动态监测；根据航测成图的要求，选一部分地物区域水土流失动态监测；根据航测成图的要求，选一部分地物特征点，经GPS外业观测，求出点的三维坐标，作为像控制点坐标，建立立体模型，采集有关数据，用于进行重点区域的监测。②微观监测：用GPS的RTK实时动态技术，把GPS的基站放在已建控制网的某已知点上，流动站沿沟缘线、峁边线、沟底线、沟头连续采集点的坐标，绘制出三维曲线，作为动态监测的基础，定期用同样方法观测，比较其变化情况也可以与以前的航片、地形图或野外实测的曲线比较变化情况。若用计算机处理，可以不讳得比较精确的变化量。
（2）人为水土流失监测。①开挖面、堆积面监测：布设一定比例的监测点，用GPS定期观测监测点的坐标变化情况，可及时了解流失量，也可预测新增流失量和流失速度。②弃土弃渣量测量：把堆积物近似看顾成多面体，用GPS测一些特征点的坐标，再模拟原地面形态，即可求出堆积物的数量。③人为破坏林草、植被面积量测：用GPS的RTK实时动态技术，基站架设在一已知点上，流动站沿图斑边界走一圈，在GPS手簿上就可显示出所测地块的面积。
2.5  在水土保持信息系统中的应用方法
（1）为全数字摄影测量、水土保持信息采集提供控制网其方法为：选择区域，控制网设计，野外先点、造标埋石，外业观测，室内解算，得到GPS控制网、在此网的基础上，利用GPS技术进行像控点测量，再进行室内加密，建立立体模型。通过自动DTM和半自动DTM软件，生成数字地面模型，作为信息系统的地形数据，作为GIS的专题数据。
（2）对信息系统图斑的补测、补绘和更新。水土保持地理信息系统 需要及时更新数据、补充新的图斑，对重点监测区和典型样区，可用GPS的PTK技术对新完成的治理措施图斑和属性变更了的图斑进行了观测，将观测的数据输入信息系统，实现对图班的更新和补充。
GPS在水土保持生态建设方面的应用相当广泛，方法也很多，上边只提出了一些简单可行、一般技术人员都可操作的方法，由于实际工作性质和具体情况的差异，应用方法也有一定差别。