港口航道陸域形變監(jiān)測動態(tài)空間基準框架構建

引文格式： 周立，趙新生，蔣廷臣，等. 港口航道陸域形變監(jiān)測動態(tài)空間基準框架構建[J].測繪通報，2015(4)：22-24.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0103

港口航道陸域形變監(jiān)測動態(tài)空間基準框架構建

周立1，趙新生2，蔣廷臣1，湯均博1，王繼剛1，白玨瑩3

(1. 淮海工學院測繪工程學院，江蘇 連云港 222005； 2. 連云港市海域使用動態(tài)保護監(jiān)管中心，

江蘇 連云港 222001； 3. 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221008)

Building of Dynamic Framework of Space in Port and Sea-route for

Shape Change Monitor

ZHOU Li，ZHAO Xinsheng，JIANG Tingchen，TANG Junbo，WANG Jigang，BAI Jueying

摘要：針對港口航道陸域形變監(jiān)測與管理，討論了動態(tài)形變監(jiān)測特點。分析了綜合運用創(chuàng)新的并行動態(tài)二級GNSS布網(wǎng)空間框架結構體系，構建了連云港一級并行動態(tài)GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)和專業(yè)服務海域使用動態(tài)監(jiān)測二級工作基點網(wǎng)的模型，可確保港口航道安全信息的準確性和可靠性。

關鍵詞：衛(wèi)星連續(xù)運行參考站(CORS)；空間基準框架；衛(wèi)星導航定位；形變監(jiān)測

中圖分類號：P229.3

收稿日期：2014-08-22

基金項目：國家海洋公益性行業(yè)科研專項 (201105004)；江蘇省科技支撐計劃(BE2010125)；連云港市“521新世紀高層次人才培養(yǎng)工程”科研項目(SH0320)

作者簡介：周立(1959—)，男，碩士，教授，主要從事海洋測量技術研究。E-mail：zhoulilyg@163.com

一、引言

港口碼頭、航道等是重要的生產(chǎn)基礎設施，在自然強地震動場和強、急端風瀑潮災害性氣候動力作用下，以及船舶碰撞、航道施工清淤等人為因素影響下，將引發(fā)陸域地表變形及建(構)筑物動力災變等重大安全問題。近年來，港口航道在國民經(jīng)濟和國家安全中扮演越來越重要的作用。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，港口航道建設呈現(xiàn)出工程建設占地規(guī)模大、碼頭土石方強度高、航道開挖深等特點。對港口航道開展全流程安全監(jiān)測勢在必行。

根據(jù)核港口航道陸域安全監(jiān)測工程需要,必須提供必不可少的形變測量的空間基準。以連云港港口及30萬噸深水航道工程為背景(示范)，基于衛(wèi)星連續(xù)運行參考站網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g，研究建立現(xiàn)代精密形變測量空間基準框架的關鍵技術，將為實現(xiàn)港口航道重要基礎設施全流程性能安全監(jiān)測與預警打下基礎。

二、空間基準框架總體設計

港口航道陸域安全監(jiān)測范圍一般較大，衛(wèi)星連續(xù)運行參考站網(wǎng)站間距離受到限制。現(xiàn)代精密形變監(jiān)測工程空間基準框架可按兩級衛(wèi)星連續(xù)運行參考站網(wǎng)布設，即一級控制基準框架、二級工作基準框架。一、二級相互關聯(lián)，系統(tǒng)結構上有相同的配置和運行模式。

1. 一級控制基準框架

一級控制基準框架是在港口航道外圍布設的一定數(shù)量和密度的測量控制網(wǎng)點，為形變監(jiān)測提供穩(wěn)定的空間基準保障。考慮參考站網(wǎng)綜合服務及實時三維形變測量特點，采用CGCS2000，監(jiān)測數(shù)據(jù)不再引入高斯投影坐標變換和高程聯(lián)測擬合等誤差源。一級控制基準框架的主要功能是:

1) 提供二級工作基準的框架地固坐標，動態(tài)檢驗和改正二級工作基準框架的準確性；保障三維形變測量在統(tǒng)一的空間基準上連續(xù)工作。

2) 針對星歷檢測、衛(wèi)星可用性、電離層預報和二級基準空間位移監(jiān)測等，提供一、二級基準框架的完備性信息及預警。

一級控制基準網(wǎng)精度按《全球衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)的要求，不低于1×10-8。

參考站點位長期穩(wěn)定:一般采用具有強制對中裝置的鋼筋混凝土觀測墩深埋至基巖。必要時,可使用水泥沉樁。

2. 二級工作基準框架

二級工作基準框架是在港口碼頭、航道周圍內(nèi)布設的一定數(shù)量和密度的測量控制網(wǎng)點。主要為滿足港口航道施工生產(chǎn)及災害過程中陸域形變觀測控制網(wǎng)點密度需要，在一級控制基準站網(wǎng)的基礎上布設的由一定數(shù)量衛(wèi)星連續(xù)運行參考站組成的獨立控制網(wǎng)。為形變監(jiān)測點自動化的實時三維形變測量提供空間基準保障。

二級工作基準框架的主要功能是：

1) 提供二級工作基準差分改正值計算的三維坐標。集成大氣誤差反演、多路徑估計、GPS數(shù)據(jù)融合處理等多種技術，建立多個工作基準參考站生成的區(qū)域大氣誤差改正數(shù)模型，生成載波相位觀測值差分改正信息。

2) 基于INTRIP協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸技術，實時向監(jiān)測站播發(fā)綜合差分改正信息；保障實時動態(tài)毫米級三維形變監(jiān)測精度。

二級工作基準網(wǎng)精度參照《工程測量規(guī)范》(GB 50026—93)的要求，相鄰點中誤差不低于±1.5mm。

二級工作基準網(wǎng)點覆蓋港口航道相關陸域，包括碼頭區(qū)域、堆場、廠房、運輸線路、航道影響區(qū)域等，為保證精度和可靠性,盡可能選擇持久、穩(wěn)定、便利的控制點。一般采用具有強制對中裝置的鋼筋混凝土觀測墩深埋至基巖，必要時，可使用水泥沉樁。盡量使其在生產(chǎn)建設過程中不被摧毀、不需要搬遷。

二級工作基準網(wǎng)點三維坐標需定期動態(tài)解算(如每周解算一次的時間序列)，獲得穩(wěn)定性(三維位移)監(jiān)測數(shù)據(jù)，若其點位足夠穩(wěn)定，可以繼續(xù)監(jiān)測。否則，以最新的解算坐標數(shù)據(jù)供形變監(jiān)測工程使用。

三、連云港港口航道陸域地表形變監(jiān)測空間基準框架構建

連云港港口地處海州灣西南岸，北面黃海，南靠云臺山山脈。港口航道陸域展布東西延綿數(shù)十千米。區(qū)域地形復雜、地質構造豐富。

1. 一級控制基準網(wǎng)構建

在變形監(jiān)測中，無論水平位移觀測還是垂直位移觀測，都希望力求使控制基準點與監(jiān)測工作基點保持穩(wěn)定不動，從而使基準點遠離監(jiān)測區(qū)域布設，否則其穩(wěn)定性難以保證。一級控制基準網(wǎng)布設區(qū)域，選擇在遠離變形監(jiān)測區(qū)域50km，并且其間有地質結構較穩(wěn)定的中云臺山間隔的連云港海州區(qū)。由3個CORS參考站構成變形監(jiān)測一級控制基準網(wǎng)。如圖1所示。為了保障基準網(wǎng)的相對精度和完備性，HHBB、TGXQ、DGXQ 3個參考站間距不超過10km。采用徠卡儀器公司的專業(yè)型GRX1200 Pro參考站硬件和CORS參考站網(wǎng)NRS軟件，嚴格按照CORS系統(tǒng)設計建設的相關規(guī)范和要求，通過Internet局域專網(wǎng)，集成監(jiān)測一級控制基準CORS系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)自動化、智能化的監(jiān)測預警，一級空間基準框架服務應選擇固定CORS參考點，以便于實時計算和自檢。保證變形分析結果的正確性，消除各期觀測結果的系統(tǒng)性偏差，亦即實現(xiàn)各期觀測結果基準的統(tǒng)一。固定基準點與國際ITRF站點組網(wǎng)，聯(lián)測IGS跟蹤站ITRF2000坐標，取得固定基準點動態(tài)大地測量坐標。3個參考站與國際ITRF上海、武漢和韓國站點組網(wǎng)聯(lián)測和檢核。其中，HHBB、DGXQ 為固定基準點，TGXQ為檢核基準點。聯(lián)測數(shù)據(jù)采用GAMIT軟件解算，利用精密星歷和高精度起算點的情況下，基線解的相對精度能夠達到10-9左右。滿足安全監(jiān)測一級控制基準網(wǎng)要求，可以作為相對固定基準點數(shù)據(jù)。

圖1　連云港港口航道三維空間基準框架

2. 二級工作基準網(wǎng)構建

在港口航道大區(qū)域監(jiān)測工程實踐中，利用國際先進的高精度GPS實時動態(tài)定位技術及有關算法，自動高效地進行數(shù)據(jù)處理，提供毫米級高精度的形變信息。如Stone RT實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)， 克服了多種常規(guī)GPS應用局限性，如電磁干擾、遮擋、多路徑、時間同步等，自動高效地進行數(shù)據(jù)處理，提供毫米級高精度的形變信息。

但是，實時動態(tài)監(jiān)測需要工作基準點距離變形監(jiān)測點不能太遠，一般不超過2km，否則會影響測量精度。試驗選擇蒼穹RockT200和司南導航M300接收機，實測分析如圖2所示。

圖2　基準點距離變形監(jiān)測點觀測誤差衰減曲線

為此，利用GNSS定位技術，在港口航道陸域地區(qū)根據(jù)需求按一定距離建立長年連續(xù)運行的若干個CORS工作基準站。利用數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)絡(LAN/WAN)技術將各個工作基準站與數(shù)據(jù)中心組成網(wǎng)絡，由數(shù)據(jù)中心從工作基準站采集數(shù)據(jù)，利用基于雙差、三差模型靜態(tài)網(wǎng)平差軟件進行處理，計算工作基準站精密的時序CGCS2000坐標。然后數(shù)據(jù)中心向各監(jiān)測站提供工作基準站動態(tài)坐標基準(如圖3所示)。

圖3　連云港港口航道三維CORS工作基準框架

工作基準站網(wǎng)的穩(wěn)定性是一個相對的概念。由于受到周圍環(huán)境的影響，基準點也會產(chǎn)生位移。因此，對工作基準點的穩(wěn)定性評價，是變形觀測數(shù)據(jù)處理時不可忽視的重要內(nèi)容。在與控制基準網(wǎng)點聯(lián)接時，為了不產(chǎn)生尺度上的伸縮，采用無強制約束的聯(lián)接方法，即只采用固定一個點HHBB和固定一個定向方向HHBB-TGXQ。設計工作基點網(wǎng)點位選擇多在空曠的理想選點區(qū)。通過多時段QC評估，工作基點為贛榆BTGY、虛溝BTXG、連云BTLY和燕尾港BTYW。如圖1所示。

以HHBB為基準站解算與其相連的工作基準站之間的基線，平差仍以網(wǎng)中基線解算基準HHBB點和HHBB-TGXQ方向固定三維CGCS2000地心坐標作為工作基準網(wǎng)平差的位置基準。其平差基線精度如圖4所示。

圖4　平差基線北方向殘差統(tǒng)計圖

四、結束語

從連云港港口航道陸域精密形變監(jiān)測工程空間基準框架構建的實踐，對基于衛(wèi)星連續(xù)運行參考站網(wǎng)的精密工程控制網(wǎng)的等級及其功能劃分進行了系統(tǒng)研究。采用兩級CORS站網(wǎng)構建空間基準框架的實踐證明這種系統(tǒng)是行之有效的，完全可以滿足工程建設要求，為港口航道的高質安全建設提供了可靠基礎。這種系統(tǒng)的各層次控制網(wǎng)都是按需要設計網(wǎng)形，比單純采用方格網(wǎng)的方法靈活有效,而且這種系統(tǒng)有不同的層次，能較好地將工作中的絕對和相對的定位要求協(xié)調一致。

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