GPS在水土保持监测中的应用

付晓婷,曹佳云,贺 丹

(西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127)

由于全球定位系统具有精度高、速度快、全天候、自动化程度高等优点,所以在水土保持调查、监测等方面得到广泛应用。特别是SA政策的取消,给水土保持监测工作带来蓬勃的生机。水土保持监测方法也层出不穷,究竟哪一种方法更适用于实地监测,需要进行对比探索。对 GPS接收机的正确选择也是进行合理监测的前提。

1 水土流失监测概述

水土流失是指在自然和人为作用下特定地块上水和土的损失。与水土流失相关联的术语有土壤流失和土壤侵蚀等。土壤流失单指土的损失,不包括水的损失;土壤侵蚀是指自然和人为作用对土壤的破坏和移动。一般能够监测到的是土壤流失量。水土流失的影响因子有坡度、坡长、土壤可蚀性、降雨和降雨侵蚀力、植被覆盖度、耕作措施、径流等。

水土流失监测主要包括水的流失、土的流失和养分流失。水流失监测主要是小区和小流域观测。水土流失监测按空间尺度不同分为小区、小流域和区域监测。小区和小流域监测成果主要用于水土保持规则和小流域综合治理,并且主要通过建立土壤侵蚀预报模型实现这一目标。区域水土流失定量监测成果主要用于土地资源的利用与保护、国家和地区生态与环境建设及可持续发展规划等。

目前的区域土壤流失监测主要有 3类：

(1)抽样调查。按一定原则和比例在区域范围内抽样,调查抽样单元或地块的侵蚀因子状况,再利用土壤侵蚀预报模型估算土壤流失量,进而根据不同的目的进行各层次管理或自然单元汇总。

(2)网格估算。按一定空间分辨率将趋于划分网格,基于 GIS技术支持,,利用土壤侵蚀汇报模型估算各栅格土壤流失量,进而根据不同目的进行不同层次的单元汇总。

(3)遥感调查。基于遥感影像资料和 GIS技术,按照一定的空间分辨率,利用全数字作业的人际交互判读方法,通过分析地形、土地利用、植被覆盖等因子,确定土壤侵蚀类型及其强度与分布。其中抽样调查方法是我国水土流失监测常采用的方法。

国内外许多学者和专家对水土流失及其影响因子进行了大量、广泛而较深入的观测和研究,建立了诸多土壤侵蚀预报模型,并对各自的适应条件进行了较深入的探讨。通过对土壤侵蚀的产生过程、成因机理,尤其是水土流失的影响因子进行分析研究,为水土流失的监测、防治提供了理论依据和现实基础。

2 GPS在水土保持中的应用概述

由于全球定位系统(GPS)具有精度高、速度快、全天候、自动化程度高等优点,所以在水土保持调查、监测等方面得到广泛应用。

林永贤(2000)将 GPS在水土保持方面的应用概括为以下三个方面：

(1)在土壤工程侵蚀调查中的应用。在土壤侵蚀调查中,利用 GPS进行测量定位,可以快速、高效、方便地把调查的样本单元落实到地面上进行测量和调查。同时,贮存在GPS接收机中的样地坐标及调查数据还可以通过数据转化直接形成数据库,从而有利于内业数据的汇总统计。

(2)在水土保持监测中的作用。利用 GPS导航功能,输入固定监测样地坐标,由 GPS接收机引导调查员到达监测点,不仅定位速度快、精度高,而且可以将原有的明标改为暗标。通过不同时期连续监测样点的植被、土壤、流失面积等变化,建立全市范围内广泛的水土保持监测网络。

(3)在水土保持专题制图的应用。GPS彻底改变了传统专题图在制作上手工绘制、成图慢、精度低、投入高的缺点,配合地理信息系统可以满足多种专题图制作的要求,实现出图准确、高效和自动化。如：以 ACCESS为数据平台,利用省林学院编制的“土壤工程侵蚀调查”计算机管理程序,结合各市(县、区)的行政图可绘制出不同比例尺的省、市(县、区)土壤工程侵蚀现状图。

3 GPS在水土保持监测的应用

GPS在平面测量控制、建立各种等级的控制网(三角网或导线网),多采用静态和快速静态或用动态后处理方式处理采集到的数据。对于勘界、高精度放样以及水保措施野外验收、水库断面测量等的应用,需要当场知道测量结果或精度的应用场合,利用GPS实时动态测量的RTK(Real TimeK i-nematic)测量技术是解决这类问题的最好办法,可提供厘米级测量精度。

随着时间的推移,3S技术在水利水保工作中必将占有其重要的位置,GPS作为获取野外第一手资料的手段,将以其快速、准确、不受地理位置限制、成图容易的优势进入 21世纪的水保动态监测工作中。随着 GIS在水土保持工作中得到广泛运用,水土保持管理工作也正在由定性描述、不定位逐步走向量化、定位管理。

随着GSM网在全国绝大部分地区的覆盖,数据传输、短消息等 GSM业务的开通,利用 GSM网络,将 GPS和GIS有机的结合在一起,从而实现及时、准确的 GPS水土保持监测和管理。

3.1 RTK技术在水土保持监测中的应用

GPS实时动态(real time kinenatic,RTK)测量系统,是GPS测试技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。RTK技术是以载波相位观测量为根据的实时差分 GPS测量技术,它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。RTK技术的优点：作业自动化、集成化程度高、测绘功能强大;降低了作业条件要求;定位精度高,数据安全可靠,没有误差积累;作业效率高;操作简便、数据处理能力强。

传统的水土保持监测的方法多是利用不同年份的卫星遥感影像进行对比分析来计算水土流失面积和水土流失量,进而采取保护措施。这种方法成本较高,更新速度较慢,且计算的结果精度较低,不能有效地实现对重点区域进行重点监控。利用 GPS快速RTK技术就可以将地面变化部分的数据在野外采集到,并通过计算机处理输入GIS,使得利用 GIS管理水土保持工作成为可能,且利用 GPS采集数据比原来更简单、更准确、更经济。

用 GPS快速 RTK技术可为水土保持治理工作提供大量可靠信息和依据,并且可将外业测得数据经计算机处理成图放到土地利用图和数据库中。为流域水土保持管理信息系统提供科学数据,为水土流失治理效益评价、土壤侵蚀预测、工矿开发及修路弃土量、水土保持措施验收、管理、决策提供科学依据。

3.2 GPS静态单点定位与快速 RTK技术的结合方法

在水土保持监测时,如果碰到新增加的水土流失区域,常用 RTK技术测量其流失面积,为了与卫星遥感影像的坐标系一致,必须先与国家控制点联测,然后进行地类边界和地形测量等工作。这种方法常因国家已知点被破坏而受数量与分布的限制和误差积累的影响,工作效率有待提高。

解决问题的思路,是利用一套(2台)双频 GPS进行静态单点定位与快速 RTK技术的结合来测量。即：先用GPS单点定位测量已知控制点的坐标,求得测量值与已知坐标 X、Y的偏差值—接近一常数,然后在测区任意地方两个点进行单点定位,考虑偏差值,计算控制点的坐标,从而完成控制测量的工作;最后一边对水土流失的边界实施 RTK测量,一边进行控制点的加密(单点定位),即在哪里超出 RTK测量的有效范围,就在哪里进行单点定位测量。单点定位技术是这种方法的关键。

当用 RTK方法和单点定位加密控制点时,应固定移动站的天线,远离各种强电磁干扰源和大面积的信号反射物,以避免多路径效应带来的较大误差。所采用的卫星数越多,分布越均匀,则 PDOP值越小,RTK的精确性和可靠性越高,且初始化的时间也越短。

在用 GPS的单点定位和RTK技术进行外业观测之后,需要进行内业处理。一般野外移动站 GPS接收机实时采集的数据(WGS一 84坐标)由掌上电脑控制,首先需要将数据转换为北京 54坐标。通过数据链接,将掌上电脑中的数据传输到一般电脑中,并采用 Ez-office软件将其转换成所需要的数据格式,然后根据地类界的主要特点,对地类界的属性进行标注与编辑。最后需要用 GIS软件 ARCView等成图,并与之前的、土地利用图、地形图等进行叠加分析,计算水土流失量和水土流失面积。

3.3 “3S”技术在水土保持监测中的应用

“3S”技术是遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)的统称。“3S”技术正处在日新月异的发展阶段。“3S”技术于 20世纪 70年代引入我国后,在土壤侵蚀研究应用方面取得了长足进展,目前在水土流失动态监测、水土保持管理信息化建设等方面应用已经十分普遍。

比如,深圳市建立了水土保持管理信息系统,这是将 3S应用到水土保持监测中的一个典型实例(肖卫国 2003)。在该系统中,GPS实现的主要功能有：①运用现时遥感数据与历史遥感数据进行复合分析,能主动发现土地利用的变化区域,再用后差分 GPS技术精确测量土地利用的变化数据,可以得到变化的定量数据。②GPS测量数据都是以数字形式存储,可以直接输入或经格式转换后进入 GIS系统成图,避免了传统方法中多次转绘、清绘带来的误差,可加快数据采集过程,有利于数据的进一步处理。③GPS精度较高,可以作为地理信息系统和遥感系统的精度校核系统。④在土壤侵蚀调查中,利用 GPS进行测量定位,快速、高效、方便把调查的样本单元落实到地面上进行测量和调查。同时,贮存在GPS接收机的样地坐标及调查数据还可以通过数据转化直接形成数据库,从而有利于数据的汇总统计。⑤通过不同时期连续监测样点的植被、土壤、流失面积等变化,建立全市范围广泛的水土保持监测网络。⑥GPS作为一门应用技术,有助于大大提高工作效率,加速水土保持科研从定性向定量发展,为水土保持的规划、调查、监测等方面提供强有力的技术手段。通过本系统,可以把差分后的数据文件在远程客户端通过 Internet或局域网导入空间数据库内。系统自动产生新图斑,并提示输入相应的属性信息,自动计算出此图斑的面积。

卜兆宏(2005)介绍了 GPS实测更新 GIS陈旧处数据的实用方法研究及其在水土流失定量检测中的应用,也是 3S在水土流失中的一个应用实例。该方法由 GPS软硬件接收设备组装的实测仪器、实施实测的要点、实测数据的投影转换与对 GIS陈旧处数据的更新处理等部分组成。它在实测更新土地利用图的应用效果,与测绘届所采用的 RTK技术比,更为经济、快速和实用,而其所定位置和更新的 GIS数据结果在消除系统误差后更为可信。

研究的应用区是地跨江苏省南京溧水县和镇江句容市的方便水库流域。最终的应用结果分为直接应用结果和间接应用结果。直接应用结果是更新了产沙小流域的土地利用图,并获得近几年该小流域上游和整个产沙流域的土地利用变化。利用实测更新图,对全流域的土地利用图、水系图和交通图的原 GIS数据做了更新。间接应用结果,是将 GPS实测更新 GIS数据后应用于水土流失定量监测所取得的结果。监测前后的变化幅度比较大。所以用GPS实测更新 GIS数据是很必要的。

3.4 “3G”技术在水土保持监测中的应用

由于水土保持要求 GPS测量具有比较高的时效性和测量精度,因此,GPS技术在水土保持中通常采用快速静态测量方法和动态差分测量方法,使用较为频繁的是动态差分测量方法。对于水土保持领域中动态差分定位要求的米级精度而言,理所当然要采用伪距或载波相位的差分技术。差分定位技术按时间状态又可分为实时差分和事后差分。事后差分技术具有结果更可靠、精度有保证、易于实现、体积小、重量轻等优点,已经被广大水土保持工作者认同。但是,由于事后差分技术不具有实时性,而且内业处理耗时太长,从而制约了事后差分技术的进一步推广。

随着 GSM网在全国绝大部分地区的覆盖,数据传输、短消息等 GSM业务的开通,上述要求就有了一个相对容易实现的方法：就是利用 GSM网络,将 GPS和 GIS有机的结合在一起,从而实现及时、准确的 GPS水土保持监测和管理。有人将这种由 GPS、GSM、GIS相结合构成的水土保持监测和管理技术称之为 3G"水土保持监测和管理技术。

3G水土保持监测和管理技术实现的关键就是利用GSM网络的数据传输和短消息服务功能取代实时差分技术中的传统数据链。它的作用距离仅受限于GSM网络的覆盖情况,而且,重量轻、功耗低,数据传输和短消息的服务费用也不高。

除了 GPS卫星部分外,整个差分定位由三部分构成(如图 1)。第一部分是 GSM网络部分,这部分可以利用中国移或中国联通的现有网络服务。另外两部分为监控中心站部和流动站部分,由用户建立。其中,流运站通常由装有 GSM数据模块的测量型GPS接收机构成,监测中心通常由运专业软件的服务器和GPS接收机、GSM数据模块构成。流站GPS接收机接收到卫星信号,并将数据通过 GSM模块送出去,监测中心接收到流动站的数据后,与监测中心内GPS接收机的数据一起进行逆向差分解算,并将解算的结更新到GIS的数据库中。同时,还可将具有较高精度的逆差分结果反馈给流动站。

图1 利用GSM进行差分定位

假如在一个城市建设一个监测中心,该市同时有 A、B、C、D、E等多个水土保持监测点,给每个监测点各配一台带有GSM数据模块的 GPS接收机,A、B、C、D、E等各个流动站独立工作,它们将 GPS接收机观测得到的数据通过 GSM网络送入中心站进行处理,中心站只需配置一台测量型 GPS接收机以及相应的 GSM数据模块就几乎可以同时对各个流动站进行逆向差分解算,并进行 GIS系统的更新。使用起来既方便又经济。

将 GSM网络进行 GPS准实时逆向差分定位技术应用在水土保持监测中,可以大大提高差分定位的可靠性、及时性。同时,又能在降低对测量人员技术要求的情况下,将 GIS与GPS更有机地结合在一起,从而增强 GPS在水土保持监测与管理中的应用能力。虽然它在一定程度上受制于 GSM网络的分布与服务,但由于它具有可靠性、长距离、使用简单、携带方便、经济等优点,可以在全国各地推广使用。

4 GPS应用于水土保持的精度测试

由于 GPS在水土保持行业中的应用越来越广泛,特别是SA政策的取消,给水土保持监测工作带来蓬勃的生机,因此为了满足不同层次监测和管理的需要,GPS的选择和精度就成为一个重要的因素。水利部水土保持监测中心在 2001年对 GPS应用于水土保持监测进行了精度测试,并给出了进行水土保持监测选择 GPS要注意的关键问题。

水土保持监测工作的基本特点是时效性要求较高,测量精度要求较高。根据水土保持重点区域多为山丘地带、地形起伏较大、通视条件差、水土保持措施分布较分散等特点,当前水土保持监测对 GPS接收机的要求,可概括为：

(1)定位精度：动态定位水平 2m,垂直 3m;快速静态测量水平 0.5m,高程小于 1m.

(2)灵敏度：捕获信号时间小于 1.5 min,定位冷启动时间小于 45 s,热启动小于 15 s。

(3)容量：1M以上内存,记录坐标点数不小于 500个。

(4)能同时接收 8颗以上卫星信号,可调节采集历元的频率。

(5)山体遮挡时有跟踪GPS卫星的能力。

(6)具有几何量算功能和记录地物属性的功能。

(7)操作简单,能方便地进行不同坐标系的整理转换,配套软件效率较高。

(8)体积小,重量轻,便于携带。

目前 GPS市场繁荣,用户有很大的选择余地。在应用于水土保持监测的试验研究前,首先要清楚 GPS的基本功能是定位和导航,取消 SA政策后,精度应为 15 m,不管产品的标称精度为多少;其次,要清楚自己的工作环境与目的,不同的GPS接收机适应于不同的环境,有的天线内藏,灵敏度较低,适用于空中没有遮挡、自然条件较好的工作中,而水保监测的工作环境比较复杂,应选择灵敏度较高的天线,最好选用测量型天线,还要考虑机器的动态性能;再次,要仔细了解不同型号 GPS接收机的性能,如捕获时间、接口、显示、坐标系、容量大小、电池寿命及有无记忆电池、工作温度、尺寸、重量等等;最后,应考察所选仪器的生产厂家及其代理机构的售后服务及技术支持情况。

水利局选择了 7家(国外 4家、国内 3家)知名品牌的便携式 GPS事后差分设备进行了现场对比试验。试验的主要内容包括检测 GPS水平方向的定位精度、高程测量的绝对误差、记录地物属性的功能以及能否按要求采集数据等几方面。进口仪器设备与国产同类产品在精度上没有显著差异;从测量的绝对坐标来看,各家之间有较为显著的差异。各家的软件均存在不同程度的缺陷,内业处理较为复杂,说明配套软件仍有进一步改进的必要。从测量的结果看,具有载波相位的事后差分设备的快速静态测量及动态轨迹测量基本均可满足应用要求。

5 结语

本文介绍了 GPS在水土保持中的应用,总结并着重介绍了各种 GPS技术方法在水土保持监测中的应用,它们的优点和存在的问题,最后给出了在水土保持监测中选择 GPS的一些建议。可以看出,采用这些监测方法有一个共同点,就是用与用 GPS相关的技术进行外业观测,内业处理基本上都采用 GIS技术,然后与之前的遥感影像或者土地利用等专题图进行叠加对比分析,最终得出水土流失量和水土流失面积。现在不管应用哪种方法,都离不开 GPS技术、GIS技术与 RS的结合,所以 3S技术依然是水土保持监测的主要技术方法。

在进行水土保持监测的时候,可以根据监测地的特点、经费以及可应用到的技术水平来选择应用哪一种监测技术以及何种 GPS接收机。也可以在试验区采用多种方法进行对比分析,确定适合的监测方法。在监测之后,最好能对监测的结果进行精度评价,使得监测的结果可以进行正确的决策。希望本文能对水土保持的监测工作起到一点借鉴作用。

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