全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的水位數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)研制

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1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的水位數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)研制 　　摘要：隨著水位自動(dòng)采集的發(fā)展，GPS實(shí)時(shí)差分測量技術(shù)的日益成熟，水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及傳輸，對(duì)防汛抗旱減災(zāi)、雨洪資源化、水資源的合理開發(fā)利用，提供了可靠的信息。 下載論文網(wǎng) 　　關(guān)鍵詞：水位GPS應(yīng)用 效益 　　Abstract: With the development of automatic water level collection, GPS differential measurement technology has become more sophisticated, the

2、water level real time data acquisition and transmission, provides reliable information for flood control and drought mitigation, rainwater resources, rational development and utilization of water resources. 　　 Key words: water level； GPS； application； benefits 　　中圖分類號(hào)：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編碼： 　　一、項(xiàng)目研究

3、的必要性 　　水位反映了實(shí)際水面的漲落，以及與防洪水位警戒線的關(guān)系，對(duì)于防洪抗?jié)尘哂蟹浅Ｖ匾淖饔谩? 　　傳統(tǒng)的水位監(jiān)測方法一般有以下幾種： 　　1、在指定的斷面附近布設(shè)水尺，定時(shí)進(jìn)行人工觀測，并記錄，利用電話或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸； 　　2、設(shè)置水位計(jì)，每天進(jìn)行儀器校正并換紙； 　　3、近幾年發(fā)展起來的水位自動(dòng)遙測系統(tǒng)。 　　以上幾種方法，都有一個(gè)相同的特點(diǎn)，即設(shè)立固定的監(jiān)測設(shè)施，建成后系統(tǒng)無法移動(dòng)，僅能對(duì)單個(gè)位置或斷面的水位進(jìn)行反映，無法呈現(xiàn)整個(gè)河道的變化信息，特別是突發(fā)信息。另外，上述系統(tǒng)在測量前均需要設(shè)定初始高程（即零點(diǎn)高程），而這必須進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測。 　　我局所轄水位站個(gè)數(shù)多、分

4、布廣，每個(gè)水位站均需要人員長期駐守，且水位數(shù)據(jù)的匯總存在著嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，這種情況不但耗費(fèi)了大量的人力、物力，而且還難以達(dá)到水情準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的目的，給防洪抗?jié)骋约邦I(lǐng)導(dǎo)快速和準(zhǔn)確決策帶來了很大的不便。因而，研制水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸系統(tǒng)是十分必要和非常迫切的。 　　隨著GPS載波相位實(shí)時(shí)差分測量技術(shù)（RTK）的日益成熟和廣泛應(yīng)用，動(dòng)態(tài)情況下，厘米級(jí)的平面和高程精度已經(jīng)被廣大測量人員認(rèn)可，且已經(jīng)利用其高精度的垂直解，實(shí)現(xiàn)了精密水下地形測量、在航/固定式潮位測量，均取得了厘米級(jí)的高程精度。因而，RTK技術(shù)為水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸提供了有力的手段。 　　近幾年內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在城市得到了蓬

5、勃發(fā)展，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)RTK對(duì)作業(yè)距離的限制，可以全天候的在網(wǎng)絡(luò)控制范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)作業(yè)，大量的實(shí)踐已經(jīng)表明，網(wǎng)絡(luò)RTK在高程方向可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的平面和高程定位精度。 　　天津市的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)已經(jīng)建成并啟動(dòng)，這為GPS RTK水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸拓展了測量空間和精度保證。 　　基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的水位數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和傳輸系統(tǒng)的研究，克服了傳統(tǒng)水位測量的缺點(diǎn)，在無須初始設(shè)置高程的情況下，方便靈活的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位置而非固定位置的水位觀測，以及水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸，可全天候不定點(diǎn)隨機(jī)地進(jìn)行水位監(jiān)測，即只要那里有情況，即可對(duì)那里進(jìn)行動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測，不用建立固定的水文基礎(chǔ)設(shè)施，在大的洪

6、水面前及時(shí)采集領(lǐng)導(dǎo)關(guān)心位置上的水位信息，實(shí)時(shí)的了解水位變化對(duì)于掌握洪水推進(jìn)、分析預(yù)報(bào)洪水推進(jìn)速度和方向，以及領(lǐng)導(dǎo)層的科學(xué)決策具有十分重要的作用。 　　借助實(shí)時(shí)GPS高精度定位技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)（或無線電通訊技術(shù)），實(shí)時(shí)監(jiān)測水位的變化，并將各個(gè)位置的水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋I(lǐng)導(dǎo)決策層的辦公室，計(jì)算機(jī)中的信息系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)施監(jiān)控的水位，繪制水位曲線，并動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)際的洪水推進(jìn)、蓄洪區(qū)淹沒，并給出可能涉及的遷移人口、需要轉(zhuǎn)移的可能位置和可能造成的經(jīng)濟(jì)損失等信息。 　　領(lǐng)導(dǎo)決策層根據(jù)這些信息，在辦公室中對(duì)水情就會(huì)有一個(gè)全面的掌握，并能夠準(zhǔn)確的下達(dá)防洪決策指令。因此，該系統(tǒng)的研制和開發(fā)對(duì)防洪防潮減災(zāi)具有重要的

7、意義，也是非常必要的。 　　該系統(tǒng)為國內(nèi)首創(chuàng)，項(xiàng)目的實(shí)施將對(duì)于提高天津市水位預(yù)報(bào)的自動(dòng)化程度，以及在全國同類水文單位的推廣應(yīng)用都具有非常重要的意義。 　　二、項(xiàng)目研究的內(nèi)容 　　項(xiàng)目研究的內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面： 　?。?）局部精密高程轉(zhuǎn)換模型的建立 　　GPS實(shí)測的是大地高程，而水位測量中通常采用的是國家“85”高程，這就需要通過建立高程轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)大地高程向國家“85”高程的轉(zhuǎn)換。 　?。?）實(shí)時(shí)水位的提取 　　在手掌機(jī)（PDA）上編制軟件，實(shí)時(shí)提取RTK高程數(shù)據(jù)，并利用已經(jīng)建立的高程轉(zhuǎn)換模型，獲取以國家“85”高程表達(dá)的水位。 　?。?）漸進(jìn)式水位數(shù)據(jù)的濾波算法研究

8、 　　為確保水位數(shù)據(jù)的精度，需要研制一定的濾波模型，對(duì)短時(shí)間內(nèi)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行漸進(jìn)式濾波處理，以消除觀測誤差的影響。 　　研制模型，編制軟件并鑲?cè)隤DA中，確保水位數(shù)據(jù)的正確無誤。 　?。?）野外觀測單元子系統(tǒng)的合成 　　PDA收集到了水位數(shù)據(jù)以后，需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)發(fā)送目前暫且采用手機(jī)中的GPRS通訊模式實(shí)現(xiàn)（以后可采用網(wǎng)絡(luò)或別的傳輸系統(tǒng)）。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，首先需要將PDA系統(tǒng)與手機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合成，在此基礎(chǔ)上，將水位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并向手機(jī)中輸送。 　?。?）監(jiān)控單元研制 　　數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，在監(jiān)控單元需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)的接收由接收單元（手機(jī)/手機(jī)模塊/固定電話）以及數(shù)據(jù)管

9、理單元（中央計(jì)算機(jī)）組成。編制程序?qū)用艿木幋a進(jìn)行解密處理，并對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。 　?。?）智能監(jiān)控系統(tǒng)的建立 　　水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集以及實(shí)時(shí)傳送實(shí)現(xiàn)智能化。通過編寫軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)野外觀測單元的工作狀態(tài)監(jiān)測和管理（GPS開關(guān)機(jī)操縱、采樣間隔設(shè)置、以及數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容、頻率和模式選擇）、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理（設(shè)置選擇不同的濾波參數(shù)或模型）。真正實(shí)現(xiàn)對(duì)野外測量單元的智能監(jiān)控。 　　三、系統(tǒng)研制的方法、技術(shù)路線和可行性分析 　　技術(shù)路線及研究方法： 　　利用現(xiàn)有的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源液面（水位）的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，結(jié)合GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)或其他無

10、線電技術(shù)），將采集的位置信息、水位信息等實(shí)時(shí)地傳輸?shù)街笓]中心的計(jì)算機(jī)終端，如果有區(qū)域的電子地圖，可將采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示，為水資源的開發(fā)利用、科學(xué)指揮提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的決策信息。 　　可行性分析： 　　已有的研究成果表明，大地高轉(zhuǎn)化為正常高可通過幾何法或凈化大地水準(zhǔn)面模型來實(shí)現(xiàn)。由于天津地區(qū)高程異常變化比較小，且GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)的分布比較均勻。收集并利用這些資料，建立一定的幾何模型，便可實(shí)現(xiàn)大地高向正常高的精確轉(zhuǎn)化。大量的文獻(xiàn)表明，在天津地區(qū)，幾何法實(shí)現(xiàn)高程轉(zhuǎn)換可獲得Ⅲ或Ⅳ等水準(zhǔn)測量的精度。 　　完全動(dòng)態(tài)情況下，GPS RTK可獲得厘米級(jí)的高程定位精度，受外界因素的影響，實(shí)際測量中個(gè)

11、別觀測值可能出現(xiàn)誤差。為提高水位數(shù)據(jù)的精度和可靠性，必須對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。在水位提取要求間隔比較小時(shí)，利用GPS的多余觀測數(shù)據(jù)，通過加權(quán)處理，可獲得高精度的濾波結(jié)果；在水位采樣頻率要求比較高時(shí)，利用漸進(jìn)式Kalman動(dòng)態(tài)自適應(yīng)濾波模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原始GPS測量的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，獲得高質(zhì)量的水位。上述兩種方法的研究相對(duì)比較成熟，投入到本系統(tǒng)中是可行的。 　　潮位觀測數(shù)據(jù)最高采樣頻率可設(shè)置為1Hz（GPS的采樣頻率），且只提取平面位置和高程，就提取內(nèi)容而言， PDA完全可以勝任。將編寫的軟件注入到PDA中，讓其作為野外工作單元的中心處理器，是完全可行的。 　　手機(jī)的GPRS功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通

12、信，手機(jī)本身也具有外部標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)與外部單元的信息共享，且具有接受外部指令的功能。因而，利用PDA的數(shù)據(jù)處理、編碼和外部通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的控制以及信息的發(fā)送。 　　采用野外數(shù)據(jù)采集單元的逆過程，完全可以構(gòu)造一個(gè)監(jiān)控單元。編寫相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的提取和管理。 　　利用手機(jī)的GPRS功能，可以將監(jiān)控中心的指令通過監(jiān)控單元的手機(jī)發(fā)送出去，野外觀測單元的手機(jī)接收到該指令并傳送到該單元的中央處理器(PDA單元)，激活PDA中的相關(guān)程序，并操縱完成指令要求的任務(wù)。因而，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)野外觀測單元的智能監(jiān)控是可行的。 　　四、系統(tǒng)的特色 　　該系統(tǒng)具有如下特色： 　?。?）方便靈活

13、。可方便地移動(dòng)到任何位置、在任何狀態(tài)下進(jìn)行水位測量。 　?。?）全自動(dòng)化。無須進(jìn)行任何參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取、發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)的管理和初步分析。 　?。?）智能化。參數(shù)設(shè)置，指令發(fā)布、執(zhí)行等整個(gè)操作在監(jiān)控中心通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，無需到野外執(zhí)行。 　?。?）高質(zhì)量的水位數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、GPS接收機(jī)以及濾波技術(shù)，確保了對(duì)水位數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。 　　五、效益分析 　　經(jīng)濟(jì)效益： 　　系統(tǒng)完成后，將大大的減少人員及物資的投入，與傳統(tǒng)的定點(diǎn)信息相結(jié)合，充分豐富現(xiàn)有信息資源，使水資源的信息更全面、更準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)現(xiàn)“數(shù)字水利”提供了一個(gè)可靠的信息采集平臺(tái)。 　　社會(huì)效益： 　　數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及傳輸，通過最大地利用了現(xiàn)有的社會(huì)資源，對(duì)防汛抗旱減災(zāi)、雨洪資源化、水資源的合理開發(fā)利用，提供了可靠的信息，可以大大地減少資源的浪費(fèi)。 　　 　　參考文獻(xiàn) 　　1 張勤.GPS測量原理及應(yīng)用?？茖W(xué)出版社，2010 　　2 繆韌。 水文學(xué)原理 。 水利水電出版社。2007 　　3 王錦生水文測驗(yàn)手冊(cè) 水利水電出版社。1980