“GPS在水土保持生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用研究

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[關(guān)鍵詞]GPS應(yīng)用；水土保持；規(guī)劃設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)
[摘 要]GPS定位，由于精度高、速度快、保密性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等，已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)量、工程設(shè)計(jì)旆施工等領(lǐng)域。GPS在水土保持工作中的應(yīng)用發(fā)展很快，但落后于其他行業(yè)。GPS定位技術(shù)可應(yīng)用于水土保持工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工放樣、竣工驗(yàn)收及水土流失監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查、水土保持地理信息系統(tǒng)的建立和數(shù)據(jù)更新等方面，對(duì)水土保持工程施工放樣等，可用GPS手持機(jī)進(jìn)行定位。
[中圖分類(lèi)號(hào)]N39；S157   [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A    [文章編號(hào)] 1000-0941（2000）11-0023-02
 
      GPS是導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)和測(cè)距/全球定位系統(tǒng)英文（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System）字頭的簡(jiǎn)寫(xiě)。該系統(tǒng)是美國(guó)自70年代開(kāi)始研制的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，到1994年有24顆在軌衛(wèi)星連續(xù)向地面發(fā)射信號(hào)，供位于海、陸、空的固定和移動(dòng)接收機(jī)接收，實(shí)現(xiàn)在地球上任何地方和任何時(shí)刻的自動(dòng)定位，GPS定位的特點(diǎn)[1]：①
全球地面連續(xù)覆蓋，24顆均勻分布的衛(wèi)星保證地面上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻最少可以接收4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，最多可以接收11顆衛(wèi)星信號(hào)，從而保障全球全天候連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、定位；②功能多，精度高，可為各類(lèi)用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維航速和時(shí)間信息；③實(shí)時(shí)定位速度快，可在13內(nèi)完成；④抗干擾性能好，保密性強(qiáng)；⑤操作簡(jiǎn)單，觀測(cè)簡(jiǎn)便；⑤兩觀測(cè)點(diǎn)問(wèn)不需通視，大大減少了建立硯標(biāo)的費(fèi)用。
GPS定位技術(shù)己廣泛應(yīng)用于?？諏?dǎo)航、車(chē)輛引行、導(dǎo)彈制導(dǎo)、精密定位、工程測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備安裝、時(shí)間傳遞、速度測(cè)量等領(lǐng)域，尤其在測(cè)繪行業(yè)已取得可喜成果。GPS定位技術(shù)在水土保持生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用發(fā)展很快，部分重點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)使用或正在使用GPS定位技術(shù)。全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)方案中明確要求，在全國(guó)水土流失監(jiān)測(cè)中，尤其對(duì)地面監(jiān)測(cè)，要充分利用GPS全球定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、對(duì)象屬性的實(shí)時(shí)分析。就目前的應(yīng)用現(xiàn)狀看，GPS技術(shù)在水土保持上的應(yīng)用還遠(yuǎn)落后于其他行業(yè)，有待于進(jìn)一步發(fā)展。
1 GPS定位技術(shù)在水上保持生態(tài)重建方面的應(yīng)用
    GPS定位技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加快水土保持生態(tài)建設(shè)速度，提高建設(shè)質(zhì)量，增加科技含量，具有非常重要的作用。GPS定位技術(shù)可以應(yīng)用于水土保持生態(tài)工程建設(shè)的全過(guò)程。
1.1 應(yīng)用于水保生態(tài)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)
    生態(tài)建設(shè)規(guī)劃需要調(diào)查評(píng)價(jià)土地利用現(xiàn)狀、典型樣點(diǎn)水土流失狀況、地面坡度等數(shù)據(jù)，以往取得這些數(shù)據(jù)主要依靠外業(yè)常規(guī)測(cè)量或借助地形圖資料，存在問(wèn)題是外業(yè)常規(guī)測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián)，且地形圖資料不能反映最新地形地貌狀況。利用GPS定位技術(shù)很容易完成圖斑的跟蹤、樣點(diǎn)侵蝕量的調(diào)查及坡度量測(cè)工作，尤其在設(shè)計(jì)階段，對(duì)水保工程的設(shè)計(jì)具有很大作用，如可以用GPS定位技術(shù)完成數(shù)字地面模型（DTM），用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件完成攔泥壩工程設(shè)計(jì)等。
1.2 應(yīng)用于水上保持工程施工放樣
      水土保持工程施工放樣，以往采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、皮尺、羅盤(pán)等，操作比較繁瑣，在地形條件復(fù)雜的區(qū)域，施工放樣相當(dāng)困難，精度難以保證。利用GPS定位系統(tǒng)中的RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）技術(shù)，很容易找到待定位的目標(biāo)點(diǎn)。如果定位的精度要求不是很高，像梯田、造林地等的放樣，利用GPS手持機(jī)定位放樣，更簡(jiǎn)單容易，而且手持GPS接收機(jī)價(jià)格便宜，一般基層水利水保部門(mén)都可以買(mǎi)得起。
1.3 應(yīng)用于水土保持生態(tài)建設(shè)工程竣工驗(yàn)收
      由于水土保持生態(tài)工程的特殊性，以往的驗(yàn)收大部分采用現(xiàn)場(chǎng)抽樣查看的形式，對(duì)實(shí)施工程的圖斑、位置無(wú)法精確測(cè)量和定位。如果使用GPS定位技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤圖斑，可很快確定出圖斑在圖上的位置和面積，觀測(cè)出主要工程指標(biāo)，確定工程設(shè)計(jì)的完成情況。
1.4 應(yīng)用于水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
      對(duì)自然水土流失的監(jiān)測(cè)，宏觀方面可建立GPS控制網(wǎng)，在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，為航空遙感像片的定向提供加密點(diǎn)，用于宏觀區(qū)域和重點(diǎn)區(qū)域水土流失和土地利用信息的采集、提??；在微觀方面，可利用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)溝頭前進(jìn)速度、溝底下切速度、溝緣線后退速度，甚至可以監(jiān)測(cè)典型樣點(diǎn)水土流失量（流失厚度）。對(duì)人為水土流失監(jiān)測(cè)，一是可以定期觀測(cè)開(kāi)挖面、堆積面的變化情況，二是可用GPS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量挖填方量、堆積量和棄土棄渣量，三是可用GPS在最短時(shí)間內(nèi)比較準(zhǔn)確地確定開(kāi)荒、毀林及破壞水土保持設(shè)施的數(shù)量、面積等。
1.5 用于水上保持地理信息系統(tǒng)的建立和數(shù)據(jù)更新
      “3S”集成系統(tǒng)已開(kāi)始應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目和水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，GPS在“3S”系統(tǒng)中具有很重要的作用，主要體現(xiàn)在：①建立控制網(wǎng)，為數(shù)字化測(cè)圖提供野外基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)。②為信息系統(tǒng)提供圖斑補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)繪和更新工作?，F(xiàn)已成熟的RTD GPS技術(shù)、RTK GPS技術(shù)甚至事后處理的普通DGPS（差分GPS）技術(shù)都是野外空間數(shù)據(jù)采集比較好的工具，能為GIS提供質(zhì)量好、精度高的矢量數(shù)據(jù)。同時(shí)，可通過(guò)DGPS精確定位，實(shí)時(shí)測(cè)量訓(xùn)練樣地面積，建立圖上面積與實(shí)際面積的數(shù)學(xué)關(guān)系，提高遙感圖像分類(lèi)的精度。
 
2  GPS定位技術(shù)在水土保持生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用方法
 
2.1  在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法
（1）土地利用現(xiàn)狀調(diào)查。應(yīng)用GPS中的RTK技術(shù)，把1臺(tái)基站架設(shè)在某已知點(diǎn)或明顯地物點(diǎn)上（該作業(yè)盡量設(shè)在作業(yè)區(qū)的中心位置），用流動(dòng)站跟蹤圖斑，并賦圖斑屬性代碼。經(jīng)室內(nèi)處理，可得到精度較高的三維土地利用圖。
（2）坡度、溝道比降測(cè)量。用GPS測(cè)出坡面或溝道上下游兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)，解算出兩點(diǎn)間的距離和高差，可求得坡度和溝道比降等指標(biāo)。
（3）攔泥壩工程設(shè)計(jì)。利用GPS測(cè)出壩址處一系列地形地豸特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理，求出各特征點(diǎn)的坐標(biāo)，利用相關(guān)軟件編制成數(shù)字地面模型，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件完成攔泥壩工程設(shè)計(jì)。用這種方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，自動(dòng)化程度比較高，可提供多方案比較，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修改也相當(dāng)方便。
2.2  在工程施工放樣中的應(yīng)用方法
    用GPS定位技術(shù)進(jìn)行施工放樣非常方便，根據(jù)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樣：這類(lèi)措施的放樣精度一般要求比較低，用相對(duì)精度好一點(diǎn)的手持GPS接收機(jī)就可完成。操作非常方便，像手持羅盤(pán)儀一樣，在地頭走動(dòng)，尋找待定點(diǎn)坐標(biāo)完成定位。②小型水利水保工程施工放樣；應(yīng)用GPS的RTK或RTD技術(shù)，基站安設(shè)在一已知點(diǎn)上，預(yù)先將待定點(diǎn)坐標(biāo)輸入流動(dòng)站手簿，手持GPS流動(dòng)站天線，按手簿上提示的方向?qū)ふ?，很快就可找到待定點(diǎn)坐標(biāo)。用同樣方法確定一系列點(diǎn)，由這些點(diǎn)可以連成開(kāi)挖線，確定開(kāi)挖面。
2.3  在水土保持工程竣工驗(yàn)收中的應(yīng)用方法
項(xiàng)目竣工驗(yàn)收中應(yīng)用GPS的范圍很廣，在此舉2個(gè)例子。①小流域綜合治理竣工驗(yàn)收：按驗(yàn)收要求抽取一定比例的圖斑，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)抽查圖斑用GPS的RTK技術(shù)，求出圖斑的面積，與驗(yàn)收?qǐng)D上的圖斑面積比較，確定正確率。如果驗(yàn)收?qǐng)D已輸入到信息系統(tǒng)中，可以把GPS觀測(cè)的結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，除能驗(yàn)證圖斑的面積外，還可驗(yàn)證圖斑邊界和圖斑位置的準(zhǔn)確程度。②小型水利水保工程驗(yàn)收：用GPS的RTK技術(shù)，觀測(cè)工程主要指標(biāo)，如壩頂高程、壩高、壩頂長(zhǎng)、外坡比、內(nèi)坡比、土方量、石方量等。如果原設(shè)計(jì)資料已輸入計(jì)算機(jī)或用GIS管理，可以把GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入GIS系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)分析工程施工完成指標(biāo)與設(shè)計(jì)值的差別，評(píng)價(jià)工程質(zhì)量。
2.4  在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用方法
（1）自然水土流失監(jiān)測(cè)。第一，選定監(jiān)測(cè)區(qū)域，收集監(jiān)測(cè)區(qū)域有關(guān)資料（包括國(guó)家三角點(diǎn)、GPS點(diǎn)資料）；第二，根據(jù)區(qū)域大小，按GPS網(wǎng)絡(luò)規(guī)范要求進(jìn)行GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)；第三，野外先點(diǎn)、造標(biāo)、埋石；第四，控制點(diǎn)觀測(cè)；第五，內(nèi)業(yè)解算、平差，得到GPS控制網(wǎng)作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的需求，采用不同的監(jiān)測(cè)方法。①宏觀監(jiān)測(cè)：在TM影像上找明顯地物點(diǎn)，基于已建立 的控制網(wǎng)進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)，求出一系列地物點(diǎn)坐標(biāo)，作為T(mén)M影像幾何精糾正的依據(jù)用于宏觀區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；根據(jù)航測(cè)成圖的要求，選一部分地物區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；根據(jù)航測(cè)成圖的要求，選一部分地物特征點(diǎn)，經(jīng)GPS外業(yè)觀測(cè)，求出點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為像控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立立體模型，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。②微觀監(jiān)測(cè)：用GPS的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)，把GPS的基站放在已建控制網(wǎng)的某已知點(diǎn)上，流動(dòng)站沿溝緣線、峁邊線、溝底線、溝頭連續(xù)采集點(diǎn)的坐標(biāo)，繪制出三維曲線，作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，定期用同樣方法觀測(cè)，比較其變化情況也可以與以前的航片、地形圖或野外實(shí)測(cè)的曲線比較變化情況。若用計(jì)算機(jī)處理，可以不諱得比較精確的變化量。
（2）人為水土流失監(jiān)測(cè)。①開(kāi)挖面、堆積面監(jiān)測(cè)：布設(shè)一定比例的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用GPS定期觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)變化情況，可及時(shí)了解流失量，也可預(yù)測(cè)新增流失量和流失速度。②棄土棄渣量測(cè)量：把堆積物近似看顧成多面體，用GPS測(cè)一些特征點(diǎn)的坐標(biāo)，再模擬原地面形態(tài)，即可求出堆積物的數(shù)量。③人為破壞林草、植被面積量測(cè)：用GPS的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)，基站架設(shè)在一已知點(diǎn)上，流動(dòng)站沿圖斑邊界走一圈，在GPS手簿上就可顯示出所測(cè)地塊的面積。
2.5  在水土保持信息系統(tǒng)中的應(yīng)用方法
（1）為全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、水土保持信息采集提供控制網(wǎng)其方法為：選擇區(qū)域，控制網(wǎng)設(shè)計(jì)，野外先點(diǎn)、造標(biāo)埋石，外業(yè)觀測(cè)，室內(nèi)解算，得到GPS控制網(wǎng)、在此網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用GPS技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，再進(jìn)行室內(nèi)加密，建立立體模型。通過(guò)自動(dòng)DTM和半自動(dòng)DTM軟件，生成數(shù)字地面模型，作為信息系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)，作為GIS的專題數(shù)據(jù)。
（2）對(duì)信息系統(tǒng)圖斑的補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)繪和更新。水土保持地理信息系統(tǒng) 需要及時(shí)更新數(shù)據(jù)、補(bǔ)充新的圖斑，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)和典型樣區(qū)，可用GPS的PTK技術(shù)對(duì)新完成的治理措施圖斑和屬性變更了的圖斑進(jìn)行了觀測(cè)，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)輸入信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖班的更新和補(bǔ)充。
GPS在水土保持生態(tài)建設(shè)方面的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，方法也很多，上邊只提出了一些簡(jiǎn)單可行、一般技術(shù)人員都可操作的方法，由于實(shí)際工作性質(zhì)和具體情況的差異，應(yīng)用方法也有一定差別。