手持GPS在水利普查工程勘测中的应用

引言:
水利普查是一项重大的国情国力调查,是国家资源环境调查的重要组成部分,是国家基础水信息的基准性调查。开展全国水利普查是为了全面查清我国江河湖泊和水利工程的基本情况,系统掌握我国江河湖泊开发治理保护状况,摸清经济社会用水状况,了解水利行业能力建设情况,建立国家基础水信息平台,为国家经济社会发展提供可靠的基础水信息支撑和保障。

水利普查中的测量工作
水利普查分以下四个阶段进行:
一、前期准备阶段;
二、清查登记阶段;
三、填表上报阶段;
四、成果发布阶段。
如下图1-1,是水利普查的第二阶段,清查登记。清查登记的具体实时方案键下图:


图1-1  水利普查第二阶段——清查登记


在第二阶段,清查登记的过程中,必然涉及到外业调查,外业调查主要内容包括:调查河流湖泊的类型、数量、流域面积、位置及其分布;调查河流湖泊岸线的长度、分布;调查河流水文特征、类型和分布;调查河流湖泊的使用现状、水资源灾害调查、水资源利用调查和水资源可再生利用调查等三个方面。

河流湖泊范围大、涉及面广,同步性强的特点和其调查方法对测量手段提出的要求决定了当前河流湖泊普查的最优数据采集与定位方法必然是GPS卫星定位技术和遥感技术相结合的方式。具体的GPS卫星定位技术测量应用方案必须根据这一情况制定。

河流湖泊的勘测范围广,填图比例尺大(主要在1:1万和1:5万),其调查方法与技术路线中的定位与数据采集方法具体归纳有如下:
对于有居民的河流湖泊区域:
1、对河流湖泊的沿岸线进行沿岸踏勘与填图测量,尤其要用GPS进行沿岸观测点与特征点的高精度定位静态(含快速静态)测量,以满足遥感影像验证、定位校正和几何配准的规范要求。
2、用RTK系统配合测深仪进行水上和沿岸地形地貌的高精度测量,和水深的确定。
3、用DGPS定位手段进行河流湖泊的类型分布和水资源情况调查。
对于无居民的河流湖泊区域:
1、对于一般性无居民河流湖泊区域,在遥感的基础上进行现场的踏勘填图,采用DGPS对沿岸地物特征点、典型类型及界线、开发活动情况进行高精度定位,并满足遥感影像验证、定位校正和几何配准的规范要求。
2、对于专项性无居民的流域除完成沿程勘测和填图外还要求对特征基点进行DGPS测量及标记。
对以上河流湖泊普查的GPS测量方式进行分析、总结并结和具体的测量手段,可以把河流调查测量工作情况显示如下表1-1所示:


表1-1水利普查测量工作分类表

从表1-1我们可以看出,水利普查外业对精度的需求最普遍的将会是亚米级,而目前市面上测量型手持GPS运用得最普遍的也是亚米级手持机,南方2011年推出的5个系列的手持GPS(730、740、740W、750、760),精度从米级到亚米级,甚至到厘米级,完全符合水利普查的需求。而且,相对于RTK,南方手持GPS的使用有如下特点:
1、操作简单。不同于RTK,南方手持GPS不需要每天架设基准站,甚至不需要每天进行校正,单机操作,软件容易入手,原理容易理解,操作出现错误也容易查找原因,方便及时做出更正。
2、应用领域广。不仅能用于水利普查,还适用于水利工程建设,水利设施勘测,更可以用于国土、林业、农业、电力、电信、石油管道等等多种方向。
3、可扩展性强,可供第三方软件开发。南方那个手持GPS可用于多种GIS行业,那么就需要不同用途的GIS软件,而南方手持GPS本身具有的可扩展性和智能性,能为各种GIS行业软件开发者提供所需的良好硬件设备以及数据接入端口。
4、轻便、实用。众所周知,RTK需要架设基准站和电台,水利作业野外工作环境复杂,复杂沉重的设备无疑增加了外业人员的负担,而使用南方手持GPS,能为外业人员带来很多方便。
5、价格便宜。一台南方手持GPS设备价格不到一台RTK价格的一半。

综上所述,水利普查相关部门可以根据需要购买对应的南方手持GPS以及所必须的最少数量的南方RTK,二者配套使用,来进行水利普查的外业工作,为进一步节省费用,建议可以用南方手持GPS兼用RTK手薄(南方手持GPS也具备这种功能),南方手持机内置GPS,还兼具独立定位功能,野外作业者可以根据精度需求,结合实际情况,带不同的设备进行野外作业。

运用南方手持GPS,能对不规则的待测区域及较大区域的面积,通过航测和采集特征点测量面积的方法来测量,沿着运行线路画出一条轨迹,从而计算出该轨迹所围区域的面积。提供坐标,实现水域面积测量成果可视化。在GI S地图上数字化可视化显示、 编辑,一次测量成果满足规划、防洪决策、工程管理等多项目标需求 ,充分体现“ 一物多用,成本节约”的理念 。

在水利普查中如何合理运用南方手持GPS:
1、连接CORS站达到亚米级定位精度
现在,大多数城市或区域都建立有城市连续运行参考站网络CORS系统,仅南方公司就在国内各区域已经建成有近1000个CORS站(见图1-2,南方CORS基站全国分布示意图),当处于这些CORS的服务区域时,如使用者所在位置与CORS的距离在300km以内,既可使用南方手持GPS含有的内置GPRS网络模块(见右图),放入普通的手机卡,既可连接最近的城市连续运行参考站CORS系统,既可以实时动态的达到小于1米的定位精度,这样,完全满足水利普查中的经纬度位置填图精度要求。


图1-2,南方CORS基站全国分布示意图:


2、中东部区域SBAS星站差分定位可达到1—3米(与区域相关)
若是普查区域所在的地附近,无连续运行参考站CORS可用,尤其是在一些山区、人烟稀少或经济欠发达区域,CORS站点稀少,普查工作者无较近或满足距离的CORS站可用。尤其一些区域,GPRS信号较为微弱,不方便连接CORS进行定位精度的提高或保证。这时,南方S750 G2提供自动接入SBAS星站差分卫星的功能,只需要单机开机,在中国中、东部可以自动接入SBAS的差分信号,使得平面位置的定位精度在1-3米之内,中国东部区域甚至可以达到亚米(CEP),既保证经纬度填图精度的经度及纬度在0.1秒以内,这样也完全满足了水利普查要求中的定位精度。


图1-3,SBAS卫星有效工作范围示意图:

3、后差分技术:
在中国西部的部分区域,距离SBAS的服务区域较远,SBAS的时间可用性、信号强度及定位精度,会有一定程度的下降。而且目前西部区域城市连续运行参考站的数量有限,尤其西部山区及无人区域较多,GPRS手机信号盲区也较多,这样,就不便于依靠连续运行参考站CORS及SBAS定位技术进行定位精度的提高及保证。此时,可以使用后差分技术。后差分技术类似于快速静态,但操作时间短(几秒钟一个点),采集速度快,精度高(可达到亚米级)、操作方法简单等特点。使用后差分,需要选择使用支持后差分技术厂家所生产手持GPS设备。后差分工作的同时,其实也能产生实时差分的数据,在西北一些地区,实时差分数据没有后差分解算后的数据精度高,但可供参考。后差分技术目前已运用得十分成熟,如图1-4,是南方卫星导航后差分软件解算数据的软件界面,界面简单,操作容易。


图1-4,南方后差分软件解算数据界面:

4、西部使用PPP技术定位小于3米
在西部地区,还可以选择带有“精密单点定位”(PPP技术)功能的南方手持GPS进行定位,同样只需要开机搜索卫星并自动解算,5-8分钟之后,便可以实施作业,达到平面位置的精度在3米之内,既保证填图精度的经纬度在0.1秒以内,也可以进行实时动态的定位。目前PPP技术还不够成熟,测量界公认的高精度测量方式仍然是差分测量。PPP技术实时产生的数据无法达到亚米级精度,而且对卫星数据质量要求较高,需要初始化时间较长,所以如果对精度需求较高,在西北地区仍然建议使用后差分技术。

5、南方手持GPS的多媒体技术进行普查辅助
在水利普查工作较繁琐及较多的外业普查信息中,还需要与大量的内页工作进行匹配、叠加分析及综合判断。利用南方手持GPS的拍照、录音等功能,可以增加在野外记录信息的多种手段。如在野外对河湖区域景观进行拍照、或在不方便使用手写输入功能时使用语音记录功能。若需要在内业对外业普查成果进行核查确认时,可以启动直观、有效的辅助。

6、南方手持GPS的其它特点:
南方手持GPS对应的测量软件,可支持多种数据导出,大大方便内业处理,图1-5,手持GPS测量结果数据导出。例如Excel (CSV),AutoCAD(CASS),MapInfo,ArcGis ,其它自定义格式。


图1-5测量南方手持GPS测量结果数据导出:


南方手持GPS导出的数据,运用于南方地形地籍成图软件CASS,见图1-6,手持GPS数据导入CASS软件软件。


图1-6:南方手持GPS数据导入CASS软件软件

南方手持GPS还可以导入GIS软件处理好的各种格式的影像图,如dxf、shp、tif、bmp、jpg、img等等常见格式,见图1-7将影像图导入手持GPS。


图1-7:影像图导入南方手持GPS


总结
南方手持GPS在水利普查与水利工程勘测中的应用,能对水利普查和水利工程勘测手段以及作业方法产生极大地影响,能够显著地提高测量速度和野外作业质量,高科技GPS产品与新技术的结合、运用,必然会对整个GIS行业产生深远的影响。南方手持GPS结合其丰富多样的测量技术,必定在水利普查以及水利工程勘测、施工甚至堤坝监测以及管理方面有着广阔的前景。 

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