GPS技术及其在水土保持中的应用
摘 要：基于GPS功能在水土保持监测、规划治理、工程测量与施工等方面的应用，推动了水土保持信息技术的发展，为满足基层水土保持工作者使用的需求，笔者从GPS系统的概念入手，探讨了GPS定位系统的基本原理，分析了GPS系统在水土保持工作中发展趋势及其应用，概述了GPS在水土保持应用中的特点。
关键词： 全球定位系统；水土保持；信息技术；综合管理
全球定位系统（GPS）广泛的应用于国防建设、交通运输、资源勘测、休闲旅游、科学试验、水利工程等领域； GPS技术在土地资源调查，土壤侵蚀调查，工程施工测量、生态环境监测与评估等方面都得到广泛的应用。GPS成功运用于水土保持管理向高新技术的发展，是落实科学发展观的重要举措，是推动水利信息化建设的必由之路。
1 GPS基本原理
1.1 GPS概述
全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System）简称GPS,是利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。
1.2 GPS的基本原理
全球定位系统（GPS）是导航卫星组成的无线电导航系统，在时空或者地面上，只需用一部GPS接收机测出3-4颗卫星信号连接到本接收机，就可准确推算出接收机所在地经纬度、海拔高度、时间、运动速度等参数。
1.2.1 GPS组件原理
GPS系统由GPS卫星星座；地面监控系统；GPS信号接收机三部分组成。
GPS卫星星座：GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，记作（21+3）GPS星座（到21世纪初卫星将发展24+3GPS星座）。
地面监控系统:GPS导航定位是已知动态点；卫星的位置是依据卫星发射的星历__描述卫星运动及其轨道的参数计算求得；地面监控系统提供GPS卫星星历，并对其进行监测和控制。
GPS卫星地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机：GPS信号接收机可捕获到卫星在一定区间所选择卫星的信号，并对所接收到GPS信号进行变换、放大和处理，实时地自动计算接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。
1.2.2 GPS定位原理
GPS定位基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离交会的方法，确定待测点的位置，由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，可读取卫星到接收机的距离。利用三维坐标中的距离公式和卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，假设to为卫星时间，t为卫星接收时间，则利用4颗卫星在x、y、z轴，求未知数定位、定时（x、 y、 z 、t）的方程式：
1、(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+c2(t-t01)=d12
2、(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2+c2(t-t02)=d22
3、(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2+c2(t-t03)=d32
4、(x4-x)2+(y3-y)2+(z4-z)2+c2(t-t04)=d42
由于GPS技术的普及与应用，部分接收机可直接读取测点的坐标及其接收机的钟点差等参数。
2 GPS技术在水土保持中发展趋势
GPS的应用十分广泛，涉及到国民经济的各个领域，以GPS定位系统的卫星应用产品，由于能够很容易地提供位置、速度和时间信息，很快成为现代信息社会的重要信息来源，已经成为信息时代国家基础设施之一。
由于GPS技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产工具，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域，特别是在水土流失监测、水土保持工程规划、工程施工与测量等方面，凡是需要动态或静态定位、定时的地方都会采用卫星定位系统信息技术，广泛地应用于在水土保持系统管理中，达到物尽其用。
3 GPS在水土保持中的应用
随着信息时代的发展，传统的水土保持管理向高新技术发展，GPS成功应用于水土保持各技术领域。
3.1在水土保持生态资源勘测中的应用
在野外调查和勘测设计中，利用GPS技术可以准确定位水土资源的分布、野生群落和物种区域等指标的经纬度和高度，结合GIS技术，可在二、三维地图上加以标注，并计算出区
3.2.1在水土保持工程测量方面
应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于水土保持地形图、水土保持工程施工图、水土流失分布图等精密工程。通过加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）和GPS三维测量工具可测绘出水土保持各种比例尺的地形图和用于水土保持工程施工放样。
3.2.2在水土保持测高方面
GPS测高包括:GPS测量椭球高；大地水准面模型；正常高转模到高程基准面等三方面的内容。
一是求出高程异常值（H），GPS测量得到的是椭球高（h），剥离出高程异常值（N）；二是对距离的测定，虽有大地水准面和高程基准面影响,但仍可求出点与点之间的有效值；三是用全球重力场模型（GGM）求出大地水准面模型，相对精度可控制在几分米单位。
4 GPS技术在水土保持应用中的特点
21世纪3S（RS、GPS、GIS）技术，即遥感、全球定位系统和地理信息系统在水土保持中的应用已成为最有吸引力的高新技术领域，经过近10年各部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大使用者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、资源勘查等多种学科，从而给水土保持测绘领域带来一场新的技术革命。
4.1定位精度高、观测速度快。目前采用载波相位进行相对定位，精度可达1ppm，而采用单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达历米级或者毫米级；在观测时间方面，随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内的相对静态定位，仅需10—15分钟；快速静态相对定位观测时，每个流动站与基准站相距在10KM以内时，流动观测时间只需1—3分钟，然后可随时定位，每站观测时间只需几分钟。
4.2功能齐全、操作简便。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程，采用实时动态测量可进行施工放样；GPS测量的自动化程度很高，操作员在观测时只需要安置和开启、关闭仪器，监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测卫星和记录观测数据等系列测量工作均由仪器自动生成；随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度，接收机的休积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了水保工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。
4.3全球性、全天候作业。由于GPS卫星分布合理，能为用户提供连续、实时的三维位置，三维速度和时间，在地球任何地点、任何时间均可连续同步观测到4颗以上的卫星，且测站之间不需点间透视，点位位置可根据需要可稀可密，使选点工作灵活，节约大量的造标费用，并不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响，可随时进行GPS测量。
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