GPS/GPRS技術在水面流速、流向測量中的應用

摘 要：水面流速、流向測量是測定沿河寬布放的各個測量浮標，沿流程每一定時距的平均位置，據以展繪出水

面流速、流向圖。通過采用GPS/GPRS技術來測量水面流速、流向，并使內、外業一體化， 實時繪制水面

流速、流向圖，可以提高測量精度，減輕工人的勞動強度。

關鍵詞：GPS/GPRS技術 跟蹤測量浮標 流速、流向圖

水面流速、流向測量是測定沿河寬布放的各個測量浮標，沿流程每一定時距的平均位置，據以展繪出水面流速、流向圖。將每個浮標的定位點順序連線得流向圖，線上兩相鄰點位置的間距除以定位間隔時間為該兩點間的水面流速。同時還要測量其水位及比降。目前兩相鄰點位置的間距的測量方法：主要有船上六分儀后方交會或岸上經緯儀前方交會法。這些方法測量精度低、勞動強度大，且受通視、天氣等很多條件的限制，相比之下，GPS/GPRS技術有更多的優點。

GPS/GPRS-RTK技術在水面流速、流向測量的基本原理

目前GPS測量方法主要分為：事后差分處理和實時差分處理。事后差分處理多用于靜態測量，其精度根據不同的測量等級來確定測量方法，其精度可達到毫米級，廣泛應用于建立各等級的測量控制網及各類建筑的測設和監測。實時差分處理包括位置差分和偽距差分、載波相位差分。其中位置差分和偽距差分能滿足米級定位精度，已廣泛應用于導航等。載波相位差分技術又稱RTK技術。它是一種高精度實時相位差分動態點位技術，由基準測量站、移動測量站及RTK差分數據組成。移動測量站無需在已知點上做初始化，而直接在動態環境確定整周模糊度，實時接收GPS定位信息，并按基準測量站發送的數據差分改正數進行修正，獲得厘米級精度的三維坐標，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣等外業測量帶來了極高的作業效率。

采用GPS/GPRS技術研制的跟蹤測量浮標對水面流速、流向測量的基本原理采用了事后差分處理和實時差分處理技術，實時差分處理用來實時跟蹤測量浮標，事后差分處理用來精確繪制水面流速、流向圖。 筆者在研究水面流速、流向測量時采用了測量基準站加多個測量流動站產品的應用形式。首先將基準站架設在所測河段50KM內的岸邊，通過一段時間測量測出基點坐標值（若有已知控制點更佳），再將若干個跟蹤測量浮標沿河寬均勻分布地投入河面，浮球隨水漂流，測量船上的跟蹤器與電腦相連，通過電腦實時跟蹤測量浮標。測量基站每秒采集一次衛星數據并通過GPRS數據流將信息發往管理服務器，同理各測量流動站也將采集的衛星信息發往服務器，服務器對來自測量基站與測量流動站的數據鏈信號進行解碼和實時分析處理，并在系統內對采集和接收的數據進行實時載波相位差分，使得流動站得出小于0.1米的定位坐標值，然后管理系統計算出實時的流速、流向再將數據通過GPRS發往測量管理端的PC機上顯示出來。測量管理船上的測量跟蹤器通過PC機上顯示的各浮標的位置實時跟蹤并及時尋回浮標。電腦通過保存所測完整數據經事后結算得到精確的水面流速、流向圖并立即打印水面流速、流向圖。測量工作結束。

GPS/GPRS技術測量水面流速、流向的特點

受天氣因素的影響很小。傳統測量方法只能在白天且天氣條件較好的情況下工作，GPS/GPRS技術可晝夜測量且不受能見度、氣候、季節及天氣狀況等因素的影響和限制。

測量者與測量浮球、測量基站之間無需通視。傳統測量方法受大橋、島嶼、航行船舶的影響測量工作無法進行，GPS/GPRS技術只要有GSM網絡就可正常工作。

測量的精度高，沒有誤差積累，測量數據安全可靠。傳統測量方法受客觀條件、主觀人為因素的影響測量誤差較大。GPS/GPRS技術采用DGPS差分技術與無線網絡技術，實時跟蹤測量精度達到亞米級，事后結算精度達到厘米級。間隔時間采用衛星提供的標準時間計算，測量數據采用了邊測量邊儲存邊發送等多種保證措施，因此所測的流速、流向的精度高，數據保存完整。

實現了內、外業一體化操作，節約了大量的人力、物力、財力。傳統測量方法是先靠外業測量數據，需要很多人并配備測量船才能完成，然后將數據取回通過內業人員處理，再描繪流速、流向圖。GPS/GPR技術是邊測量邊自動生成客戶所需要的圖紙，也可以根據客戶的需要輸出不同的數據格式，供客戶使用。

技術含量高、操作簡單。該測量儀器與測量方法是南京航道處與湖北藍宇航標有限公司技術人員共同研制與發明的。充分利用了目前國內較先進的衛星定位技術、地理信息技術、無線網絡技術。測量時只需在電腦上作簡單操作，測量便自動進行。

增加了測量人員的安全性。由于該測量方法改變了傳統的測量方式，不需要人員或船舶跟蹤測量儀器，減少了測量船舶在測量河段的交叉行駛的時間與路程，做到節約生產、安全生產，降低能耗。

減輕了測量工人的勞動強度，提高了工作效率。傳統測量方法需要多臺儀器，多人協調經多天甚至十多天才能完成工作。GPS/GPRS技術只需要購買專用跟蹤測量浮標與一臺手提電腦幾小時即可完成測量任務。

GPS/GPRS技術在水面流速、流向測量中的應用

根據要求南京航道處在轄區內對水面流速、流向測量全部采用了與湖北藍宇航標有限公司共同研制的跟蹤測量儀器與GPS/GPRS技術對水面流速、流向進行測量。測量過程如下：首先將測量基站架設在2009年長江航道測量二期工程靜態觀測標準控制點E688點，點的坐標為大地84坐標系，緯度B：320531.02665度、經度L：1184342.79284度、高度H：8.5539米。計算機控制服務器架設在長江南京航道管理處的測控中心，浮球的跟蹤器及跟蹤客戶端PC機架設在處測量船上，當測量船載著若干測量浮球駛向所測水面的起始點，然后根據河道橫向間距在電腦的電子航道圖上設置水面流速、流向測量計劃點與計劃線，當船舶根據要求駕駛到測量計劃點時測量人員將浮球逐一拋向水面的測量計劃點，浮球向下游水面漂流，隨后跟蹤客戶端的電腦上出現了各個浮球的水面流速、流向軌跡，客戶根據需要選擇不同的時間間隔，顯示屏上便出現了不同間隔時間的流速、流向圖。當浮球到達水面流速、流向測量終點，測量船在跟蹤器的幫助下駛向各個浮球的終點，取回測量浮球。該段水面的流速、流向外業測量工作完成。內業工作只需測量人員在電腦上作簡單的設置，便會打印出該段河面的流速、流向圖。通過測試比較該測量方法的測量位置精度＜0.1米，水面流速、流向的精度大大提高。測量時間按傳統測量方法需幾天乃至十幾天完成的任務，采用該測量系統只需幾小時完成。減輕了測量工人的勞動強度，提高了工作效率。

結論

采用GPS/GPRS技術的跟蹤測量浮標及管理系統經過半年的使用，測量人員普遍反映效果好。該成果已成功應用于水面流速、流向測量。該儀器也可應用于內河航跡線測定、營運流速的測定；海岸、湖岸、河岸的測定；海上泄漏油污的跟蹤測定；出現海事事故的水上半沉浮物的跟蹤測定；海事事故的位置跟蹤測定等等。因此該技術成功應用將為國家帶來巨大經濟效益和社會效益。

（作者單位：長江南京航道管理處）