Jarosław Chormański
Zakład Hydrologii i Zasobów Wodnych, Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wstęp
Prawidłowa identyfikacja i kalibracja modeli hydrodynamicznych przepływu wody w korycie i równinie zalewowej wymaga dokładnego wyznaczenie profilu podłuŜnego oraz lokalnych spadków zwierciadła wody podczas róŜnych faz odpływu [MIROSŁAW-ŚWIĄTEK i in. 2006]. Najtrudniejszym zadaniem jest określenie tych parametrów podczas fazy maksymalnej wezbrania związanej z zalewem rzecznym.
NajwaŜniejsze zadania pomiarowe to określenie rzędnej zwierciadła wody w głównym nurcie rzeki oraz przybliŜenie złoŜonej powierzchni zwierciadła wody na obrzeŜach zalewu. Niezwykle istotnym jest zrealizowanie tych zadań w tych samych warunkach odpływu. Zastosowanie klasycznych metod geodezyjnych w strefie zalewu rzecznego jest trudne i czasochłonne oraz w przypadku duŜych i średnich rzek praktycznie nie pozwala na przeprowadzenie jednoczesnych pomiarów na całej powierzchni obszaru zalewu. UŜycie techniki róŜnicowego GPS w trybie RTK umoŜliwia szybkie i bardzo dokładne wyznaczenie poziomu zwierciadła wody w wielu punktach. Artykuł przedstawia moŜliwości wykorzystania techniki GPS RTK w pomiarach rzędnych zwierciadła wody w dolinach rzecznych podczas występowania zalewu. Badania przeprowadzono na obszarze Basenu Dolnego Biebrzy, gdzie występują coroczne wiosenne wezbrania i zalewy rzeczne, które z uwagi na sytuację hydrologiczną i geomorfologiczną utrzymują się w dolinie do kilku miesięcy. Uzyskane wyniki stanowią podstawowy element identyfikacji i weryfikacji modelu hydrodynamicznego przepływu wody na obszarze doliny [MIROSŁAW-ŚWIĄTEK i in. 2006].
GPS, pomiar róŜnicowy GPS RTK
Globalny System Lokalizacyjny (Global Positioning System) w skrócie GPS jest systemem nawigacji satelitarnej umoŜliwiający wyznaczenie połoŜenia na kuli ziemskiej na podstawie analizy sygnałów docierających z satelitów. Obecnie segment kosmiczny GPS składa się z 24 satelitów, oraz 6 aktywnych satelitów zapasowych.
Satelity rozmieszczone są tak, iŜ co najmniej 5 z nich powinno być widocznych z kaŜdego punktu Ziemi z prawdopodobieństwem 0.9996 [FRĄTCZAK i in. 1998]. Taka konfiguracja umoŜliwia, z małymi wyjątkami, wyznaczenie współrzędnych dowolnego miejsca na powierzchni Ziemi w dowolnym momencie doby. Zasada działania systemu opiera się na pomiarze odległości pomiędzy satelitą (poruszającym się po ściśle wyznaczonej orbicie) a odbiornikiem. Znana odległość od czterech satelitów umoŜliwia wyliczenie połoŜenia odbiornika. Opisana metoda pomiaru daje dokładność rzędu 10 m,
a obniŜenie dokładności związane jest głównie z zaburzeniami sygnału w atmosferze ziemskiej. Dla profesjonalnych zastosowań w geodezji ten błąd jest zbyt wysoki.
Metoda róŜnicowego GPS (Differential GPS - DGPS) w trybie pracy w czasie rzeczywistym (RTK - Real Time Kinematic) pozwala wyznaczyć współrzędne punktu z dokładnością centymetrową (czasami nawet milimetrową) w bardzo krótkim czasie. Do zestawu pomiarowego GPS RTK wchodzą dwa lub więcej odbiorniki z odpowiednim oprogramowaniem: pierwszy - odbiornik stacjonarny zwany bazowym, drugi - ruchomy (lub mobilny). W standardowym wyposaŜeniu oba odbiorniki posiadają połączenie GPRS (General Pached Radio Service) pozwalające na przesyłanie danych przez sieć telefonii komórkowej lub radiowe przez radiomodemy. Antena odbiornika bazowego ustawiona jest nad punktem o znanych współrzędnych, które są sprawdzane względem połoŜenia wyznaczonego za pomocą systemu satelitów. Urządzenie automatyczne wyznacza wektor błędu a poprawki przesyłane są ze stacji referencyjnej do odbiornika mobilnego w czasie rzeczywistym. Poprawność wykonania pomiarów i uzyskanie wysokich geodezyjnych dokładności wymaga, aby odbiorniki zestawu GPS w tym samym czasie śledziły co najmniej 5 satelitów. Jednocześnie odległość między odbiornikami nie powinna przekraczać 15 km. Dzięki tej technologii czas trwania pomiaru współrzędnych X, Y, Z wynosi nawet poniŜej sekundy, nie wymagając jedno-cześnie czasochłonnego tradycyjnego przenoszenia współrzędnych, tachimetrii i prowa-dzenia ciągów niwelacyjnych. Ma to szczególne znaczenie w trudno dostępnym terenie mokradłowym Kotliny Biebrzańskiej oraz podczas wezbrania rzeki. Ponadto w pomiarach GPS wizura pomiędzy punktami nie jest konieczna, a wykonanie pomiaru nie zaleŜy od warunków atmosferycznych i pory dnia.
Pomiary GPS zapisywane są w uniwersalnym odwzorowaniu WGS 84, opra-cowanych specjalnie dla systemu GPS. Po przeprowadzeniu pomiarów otrzymane wyniki transformowano do układu PUWG 65 przy pomocy programu GEO-TRANS.
Transformację współrzędnych płaskich program GEO-TRANS wykonuje w dwóch etapach [GEO-TRANS 1998]: najpierw odbywa się transformacja Helmerta z WGS 84 na układu PUWG 42 (dokładność transformacji 0,5 m) a następnie transformacja wielomianowa z układu PUWG 42 na układ PUWG 65 (dokładność transformacji 0,01 m). Wysokości kaŜdego punktu wyznaczonego na podstawie obserwacji GPS jako wysokości elipsoidalne przeliczano na wysokości ortometryczne w układzie Kronsztadt niezaleŜnie, na podstawie modelu geoidy niwelacyjnej 2001 [PAśUS i in. 2002]. Jest to model geoidy zatwierdzony do stosowania przez Głównego Geodetę Kraju.
Sprzęt pomiarowy
Do pomiarów uŜyto 40 kanałowe, dwuczęstotliwościowe (L1/L2) odbiorniki GPS Legacy E firmy TOPCON z oprogramowaniem TopServ. Zestaw pomiarowy składa się z odbiornika bazowego i plecakowego, oraz systemu łączności radiowej między nimi.
Odbiornik ten umoŜliwia jednoczesne śledzenie 20 satelitów GPS, GLONASS, WAAS i EGNOS bez konieczności przełączania kanałów. UŜyta technologia pozwala na śledzenie równieŜ satelitów o bardzo słabym sygnale a utracony sygnał z jednych jest natychmiast zastępowany sygnałem z innego satelity. Odbiornik pracuje w temperaturze od -40°C do 55°C. Odległość między odbiornikiem bazowym i ruchomym jest uwarunkowana mocą radio modemów i w uŜytym zestawie moŜe sięgać do 15 km.
Podczas pomiarów testowych w odległości od bazy nieprzekraczającej 6 km uzyskano dokładności wyznaczania połoŜenia x, y w granicach 1-2 cm, oraz dokładności wyznaczania rzędnej wysokości w granicach 2-3 cm [CHORMAŃSKI i in. 2003].
Metodyka wykonania pomiarów
ZASTOSOWANIE TECHNIKI GPS RTK W POMIARACH RZĘDNYCH ... 69
Podstawowym zadaniem zrealizowanym w ramach projektu był pomiar rzędnych zwierciadła wody na odcinku rzeki pomiędzy posterunkami wodowskazowymi Osowiec i Burzyn. W efekcie wyznaczono profil podłuŜny zwierciadła wody w róŜnych fazach odpływu, w tym w maksimum poszczególnych wezbrań, fazie opadania wezbrania oraz w okresie suchym. Sposób wykonania pomiarów wysokościowych zaadoptowano według metody wcześniej testowanej do określania spadków zwierciadła wody na długim odcinku rzeki przez CHORMAŃSKIEGO i in. [2003]. Z uwagi na wymóg uzyskania wysokich dokładności wyników pomiaru oraz ograniczanego zasięgu radiomodemów odbiornik bazowy GPS umieszczano na starannie wybranych punktach zlokalizowanych w odległościach nie większej niŜ 10 km od miejsc planowanych pomiarów. Lokalizacje te cechowały ponadto dokładnie wyznaczona wysokość oraz otwarty horyzont - umieszczono je na skarpie wysoczyzny w bezpiecznej odległości od przeszkód terenowych takich jak drzewa czy budynki.
Podczas pomiarów profilu podłuŜnego zwierciadła wody odbiornik ruchomy umieszczono na pokładzie łodzi motorowej, poruszającej się z prądem od Osowca do Burzyna. Łódź zatrzymywano i wykonywano pomiar DGPS w nurcie rzeki średnio co 250-300 metrów długości rzeki. Cały profil podłuŜny rzeki mierzono kaŜdorazowo w ciągu jednego dnia, co powinno zapewnić homogeniczność wynikom pomiarów, co oznacza, Ŝe wszystkie pomierzone punkty reprezentują tę samą fazę wezbrania.
Przekroje poprzeczne wytyczono w lokalizacjach charakterystycznych dla morfologii doliny. Do punktów w przekrojach docierano kajakiem lub pieszo idąc od granicy zalewu-podtopienia starając się dotrzeć tak daleko, jak to moŜliwe w kierunku koryta rzeki od kaŜdego z obu brzegów rzeki. Kajakiem poruszano się głównie w części południowej terenu badań, od wysoczyzny na wschód i starano się uchwycić granicę zalewu rzecznego i innego typu podtopień. Odległość pomiędzy punktami pomiarowymi w przekroju wynosiła od 50 do 200 metrów. Błąd pomiaru DGPS był automatycznie określany przez oprogramowanie TopServ - zainstalowany w odbiorniku GPS - na podstawie ilości dostępnych satelitów i ich konstelacji w czasie rzeczywistym.
Pozwoliło to na eliminowanie pomiarów o relatywnie duŜym błędzie juŜ w fazie prac terenowych i rejestrację jedynie punktów o wysokiej oczekiwanej dokładności.
rejestrowane pomiary charakteryzowały się dokładnością rzędu 0,02 m dla współrzędnych płaskich i 0,03 m dla rzędnych pionowych. Weryfikację dokładności pomiarów wysokościowych wykonywano podczas kaŜdej kampanii pomiarowej przez pomiar kontrolny reperów wysokościowych w Burzynie i Osowcu. RóŜnice nie przekra-czały wartości 2 cm. Odległości pomiędzy pomierzonymi punktami określono za pomocą programu ArcGIS. Wyniki pomiaru odległości umoŜliwiły śledzenie lokalnych zmian wysokości i wielkości spadków zwierciadła wody, a w konsekwencji wykreślenie profilu podłuŜnego i przekroi poprzecznych.
Wyniki i dyskusja
Techniki DGPS uŜywano w latach 2004-2006 w monitoringu wysokości wiosennych zalewów w Dolnym Basenie Biebrzy [CHORMAŃSKI, MIROSŁAW-ŚWIĄTEK
2006] oraz w okresie suchym.
Rys. 1. Pomiary zalewu w Basenie Dolnym Biebrzy w okresie 2004-2006. Objaśnienia: 1 - profil podłuŜny rzeki, 2 - Baza GPS, 3 - wodowskaz, 4 - miejscowości, 5 - przekroje pomiarowe, 6 - obszary podtopione, 7 - Krawędź wysoczyzny, 8 - Krawędź tarasu pleistoceńskiego
Fig. 1. Measurements of the inundation in the Lower Basin in the period of 2004-2006.
Legend description: 1 - river water level profile, 2 - GPS Base, 3 - gauge, 4 - towns, 5 - cross-sections, 6 - inundated area, 7 - moraine edge, 8 - Pleistocene terrace edge Pomiary wysokości zwierciadła wody na obszarze Basenu Dolnego Biebrzy prze-prowadzano podczas fazy maksimum wiosennych wezbrań w latach 2004 i 2006, w fazie opadania wody podczas wezbrania wiosną 2005 oraz w okresie niskich stanów rzeki jesienią 2005 i latem 2006. Pomiary rzędnych zwierciadła wody, zalewu w dolinie wykonano w 11 przekrojach poprzecznych. Przekroje poprzeczne zwierciadła wody od nr 1 do 6 wykonywano podczas kampanii pomiarowej w roku 2004, natomiast przekroje o numerach 7-11 w roku 2006 (rys. 1).
ZASTOSOWANIE TECHNIKI GPS RTK W POMIARACH RZĘDNYCH ... 71 Rysunek 2 przedstawia profile podłuŜne zwierciadła wody wykonane wzdłuŜ biegu rzeki pomiędzy wodowskazami w Osowcu i Burzynie w latach 2004-2006.
Odległości na rysunku 2 mierzone są od ujścia rzeki. Podczas maksimum wezbrań w latach 2004 i 2006 stany wody w profilu podłuŜnym były na zbliŜonym poziomie.
Podczas ich rejestracji stany wód w Burzynie róŜniły się o 2 cm. Jednak róŜnice wzdłuŜ profilu sięgały maksymalnie 20 cm. NajniŜsze spadki zwierciadła wody obserwowane były w dolnej części rzeki, gdzie dolina ulega rozszerzeniu i podtopienia obejmują większy obszar. Zjawisko to notowane w profilach rejestrowanych w okresie obu lat wiązać naleŜy z bliskością ujścia Biebrzy do rzeki Narwi i związanym z tym podpiętrzeniem. Stany wód w roku 2005 podczas fazy opadania wody były zbliŜone do maksymalnych z lat 2004 i 2006, jednak w dolnej części profilu widać obniŜenie rzędnej zwierciadła wody oraz zwiększenie spadków rzeki na wysokości wsi Brzostowo (15 km od ujścia), (rys. 2).
Rys. 2. Profile podłuŜne zwierciadła wody mierzone metodą GPS RTK w latach 2004-2006 Fig. 2. The longitudinal river level profiles measured by GPS RTK in the period of
2004-2006
Wysokości zwierciadła wody notowane podczas występowania stanów niskich były do siebie bardzo zbliŜone róŜniąc się w granicach 10 cm. Jednocześnie zauwaŜyć naleŜy, Ŝe wartości stanów wody w tych profilach są niŜsze od maksymalnych o około 1 m, niemniej w środkowej ich części, w odległości 28-30 km od ujścia róŜnica ta zmniejsza się do ok. 0,5 m. Przekroje poprzeczne pokazały relację pomiędzy stanami wody w korycie oraz w innych partiach równiny zalewowej. Analizowano takŜe zmienność rzędnej zwierciadła wody w transektach poprzecznych do kierunku nurtu rzeki w celu określenia ciągłości zwierciadła wody a takŜe kontaktu hydraulicznego pomiędzy róŜnymi częściami doliny. Zarejestrowane w roku 2004 w fazie maksymalnej kulminacji fali wezbraniowej (rys. 3) pokazują, Ŝe w północnej części Basenu Dolnego zachodzi zasilanie przez wody napływające od rzeki.
Rys. 3. Profile poprzeczne pomierzone podczas wezbrania w roku 2004. Objaśnienia: profil terenu - linia ciągła, zwierciadło wody - linia przerywana
Fig. 3. Cross-sections measured during the 2004 flood. Legend: terraine profile - line, water table - dashed line
Fala wezbraniowa przelewa się od rzeki w głąb doliny w przekrojach 1-4. Dla zalewu o takim zasięgu nie stwierdzono braku ciągłości zwierciadła wody na terenie zalewowym oraz istotnych róŜnic rzędnych zwierciadła wody pomiędzy korytem rzeki a terenami zalewowymi. Natomiast układ zwierciadła wody w przekrojach 5-6 wskazuje na to, Ŝe w tym odcinku doliny wody odpływają z obszaru doliny w kierunku rzeki. Wykazano tu istnienie obszarów o podtopieniach z utrudnionym kontaktem hydraulicznym z rzeką, lecz róŜnice w rzędnych zwierciadła wody wskazują na ich genezę inną niŜ rzeczną.
Pomiary wykonane w roku 2006 pozwoliły określić układ rzędnych zwierciadła wody w przekrojach poprzecznych 7-11 (rys. 1). W tej części dolina rzeki jest bardzo szeroka, a wody z zalewu mieszają się z wodami pochodzącymi z zasilania wód podziemnych od strony Bagna Ławki [CHORMAŃSKI 2003]. Pomiary miały na celu wyznaczenie granicy zalewu pochodzącego od rzeki w tym rejonie oraz jego relacji z wodami przynaleŜnymi do obszaru torfowisk podtapianych przez wody gruntowe. Zarejestrowane rzędne zwierciadła wody w przekrojach 7 i 8 pokazują róŜnicę pomiędzy tymi obszarami rzędu 20-30cm. Szczególnie wyraźnie widać to zjawisko w przekroju 7 (rys. 4) gdzie wysokości zwierciadła wody róŜnią się o prawie 30 cm i wskazują na granicę obszaru zalewu rzecznego w odległości ok. 1,5 km od początku przekroju. Podtopienia połoŜone w odległości większej niŜ 1,5 km są juŜ innej genezy, co potwierdza równieŜ analiza hydro-chemicznych właściwości próbek wody pobranych w tym transekcie [CHORMAŃSKI 2003]. Na granicy rozdziału wód występuje wyraźny gradient wysokości zwierciadła wody i zasilanie zalewu przez wlew wody od strony Bagna Ławki.
Przekroje 9-11 zaczynają i kończą się na suchym lądzie. Nie widać tu kontynuacji zwierciadła wody na innym poziomie - pomierzone rzędne zwierciadła wody wskazują tą samą wysokość.
ZASTOSOWANIE TECHNIKI GPS RTK W POMIARACH RZĘDNYCH ... 73
odległość; dystance (m)
Rys. 4. Przekrój poprzeczny zwierciadła wody w dolinie nr 7. Objaśnienia: profil terenu - linia ciągła, zwierciadło wody - linia przerywana
Fig. 4. The valley cross section number 7. Legend: terraine profile - line, water table - dashed line
Podsumowanie
Wyniki pomiarów z zastosowaniem GPS RTK pomogły w zidentyfikowaniu zmian zwierciadła wody podczas trwania wezbrania i w okresie suchym. Pomiary w przekrojach poprzecznych umoŜliwiły określenie przebiegu i wielkości stref aktywnego przepływu wody na równinie zalewowej i oddzielenie ich od stref o innym zasilaniu. W efekcie technika GPS RTK została zweryfikowana jako niezwykle pomocna w pomiarach zwierciadła wody podczas wezbrań rzecznych, szczególnie w przypadku chwilowego układu zwierciadła wody podczas maksimum wezbrania w naturalnych dolinach średnich rzek. Metoda GPS RTK moŜe być polecana jako uŜyteczne narzędzie do wykonywania pomiarów przydatnych do prawidłowej kalibracji modeli hydrodynamicznych przepływu wody na równinie zalewowej oraz modeli transportu rumowiska unoszonego.
Literatura
CHORMAŃSKI J. 2003. Methodology for the flood extent determination in the Lower Biebrza Basin. Ph.D. thesis, Warsaw Agricultural University, Warsaw: 186 ss.
CHORMAŃSKI J., MIROSŁAW-ŚWIĄTEK D. 2006. Monitoring of the spring flood in the Lower Biebrza Basin. Polish J. Environ. Stud. 15(5D), Part I: 122-126.
CHORMAŃSKI J., KOWALEWSKI K., MAZIPPUS M. 2003. Application of GPS techniques for water stage measurements and river slope calculation in wetland area of Upper
Biebrza. Praca zbiorowa pod redakcją: Ignar S., Nowakowski P., Okruszko T. - Measurements techniques and data assessment in wetlands hydrology. Wydawn. SGGW Warszawa: 53-60.
FRĄCZYK P., FIGURKI M., MODLIŃSKI G., RZEPECKA Z., TYRANOWSKA A. 1998. Podstawy Technologii Satelitarnych Systemów Lokalizacyjnych GPS, GLONASS, NAVI sp. z o.o., http://www.navi.pl/?mright=gps_artykuly_&mitem=podstawy
GEO-SYSTEMS 1998. Transformacje geodezyjne. GEO-TRANS. Warszawa.
MIROSŁAW-ŚWIĄTEK D., KUBRAK J., CHORMAŃSKI J. 2006. Steady 1 D water surface model of natural rivers with vegetated floodplain: An application to the Lower Biebrza.
Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics River Flow 1:
545-553.
PAśUS R., OSADA E., OLEJNIK S. 2002. Geoida niwelacyjna 2001. Geodeta 5(84).
http://www.atomnet.pl/~geodeta/2002/84text1.htm
Słowa kluczowe: GPS RTK, monitoring zalewów rzecznych, Bagna Biebrzańskie Streszczenie
Artykuł przedstawia moŜliwości wykorzystania techniki GPS RTK w pomiarach rzędnych zwierciadła wody w dolinach rzecznych podczas występowania zalewu dla celów kalibracji modeli hydrodynamicznych przepływu wody w korycie i równinie zalewowej. UŜycie techniki róŜnicowego GPS w trybie RTK pozwala na szybkie i bardzo dokładne wyznaczenie poziomu zwierciadła wody w wielu punktach doliny w momencie maksymalnego zalewu. Pomiary wykonano w latach 2004-2006.
Wykorzystano w tym celu zestaw nawigacji satelitarnej firmy Topcon w konfiguracji umoŜliwiającej wyznaczenie pozycji z dokładnością geodezyjną. Podczas pomiarów uzyskano dokładności wyznaczania rzędnej wysokości w granicach 2-3 cm w odległości od bazy nieprzekraczającej 6 km. Rzędne zwierciadła wody zostały zmierzone pomiędzy dwoma posterunkami wodowskazowymi Osowiec i Burzyn. W efekcie wyznaczono podłuŜny profil zwierciadła wody i szereg profili poprzecznych doliny zalewowej, jak równieŜ lokalne spadki. Pozyskane dane posłuŜyły do opracowania modelu hydrodynamicznego na obszarze Dolnego Basenu Biebrzy. Metoda GPS RTK została pozytywnie zweryfikowana jako narzędzie do pomiarów chwilowego stanu rzędnych zwierciadła wody w naturalnych dolinach średnich rzek.
THE APPLICATION OF THE GPS RTK TECHNIQUE FOR THE MEASUREMENT OF THE WATER LEVEL
ORDINATE DURING THE RIVER FLOOD Jarosław Chormański
Department of Hydraulic Engineering and Environmental Restoration, Warsaw University of Life Sciences, Warszawa
Key words: GPS RTK, river flood monitoring, Biebrza wetlands Summary
ZASTOSOWANIE TECHNIKI GPS RTK W POMIARACH RZĘDNYCH ... 75 This paper describes the application of GPS RTK techniques for the measurement of the water level in river valleys during a flood. The applied methodology is used for calibration of the hydrodynamic model of the river flow in a channel and floodplain.
The differential GPS RTK allows a fast and very accurate determination of the flood water stages in the whole river valley at the moment of the maximum stage of flood.
Measurements were done in 2004-2005 by the use of the GPS set made by TOPCON with a precise accuracy. A measurement accuracy of the vertical coordinates was in a range of 2-3 cm in the distance of 6 km from the base. The water stages were measured between two Biebrza river gauges Osowiec and Burzyn. As a results a longitudinal profile along the river course, and in several water level transects perpendicular to the river course were performed and local slopes were measured. The GPS RTK technique was positively verified as a tool for measuring the instantaneous state of the water level in natural middle size river valleys.
Dr Jarosław Chormański
Zakład Hydrologii i Zasobów Wodnych
Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 159 02-776 WARSZAWA
e-mail: jaroslaw_chormanski@sggw.waw.pl