基于GPS技術的航道測繪技術應用研究

代勛

摘要：文章基于GPS技術定位原理，分析了航道測繪中使用GPS技術的工作流程，并研究了采用GPS航道測繪技術對河岸雙側和水下地形進行測量的方法與效果。關鍵詞：航道測繪;GPS;測繪技術;河岸雙側;水下地形

中圖分類號：U612 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.046

文章編號：1673-4874（2019）08-0168-03

0引言

GPS定位技術主要是利用衛星導航與定位系統，準確計算所測物體的二維或三維坐標，從而實現對被測物體的快速定位。該定位系統的主要功能主要是：精確定位、實時導航、授時，這三個作用是其應用于航道測繪的關鍵，其無論在商業領域還是民生領域應用非常廣泛。其中航道測繪是本文探討的重點，接下來本文從以下幾個部分展開討論。

1GPS定位原理

全球定位系統的簡稱即為GPS，它是一種利用發射到太空的衛星對所覆蓋的物體進行多角度多維數空間位置測量進而對物體定位的一種測繪技術。這種技術在各個行業中應用非常廣泛。全球定位系統主要由衛星、地面控制臺和用戶端三個部分組成，這三個部分是實現全球定位系統定位功能的關鍵。利用GPS技術可極大改善導航體系的實用功能，能在較短時間內實現對所測物體的精確定位，實時測得其三維動靜態空間坐標。全球定位系統計算物體空間位置的數學原理為：（1）將衛星的當前位置作為初始已知坐標，當不考慮不同位置衛星傳輸數據所產生的時差時，所測位置同時接收三個衛星發射的位置信息;（2）根據不同衛星與接收器的距離D1（i=1、2、3）以及三顆衛星的當前空間坐標（x;，y;，z;）（i=1、2、3），可使用數學工具列出三組方程，進而可以求解被測物體的空間位置。但是在實際運用，為了達到測量精度的要求，時差是不可忽略的，因此所測量的量中就多了一個未知量，即時差，這就產生了4個未知量。根據數學方程組相關的知識，求解4個未知量至少需知道4個方程，因此共需要四顆衛星的定位坐標，進而通過4組方程求解被測物體的空間位置信息，如圖1所示。

2航道測繪：GPS的使用

2.1構建GPS控制框架

在航道測繪中，運用GPS測量技術首先需要構建具有功能完善，系統穩定的GPS控制網絡框架，并利用該控制框架精確指導航道設計與施工，為改善工作效率、提高工作質量、降低框架構建成本、便捷管理與后期維護工作提供良好的服務。

2.2控制框架網絡的基本組建原則

在航道測量技術中，應用GPS的首要工作是需要組建一個具有可行性高、便捷性好的航道控制框架網絡，然后利用該網絡對航道測繪進行實時管理控制，并可監測與查詢所測物體的空間位置或空間坐標。一般而言，航道控制框架網絡的構建原則包括：

（1）在航道測繪網絡框架組建之前需要合理地考慮地形的狀態和測量的需要，合理布置GPS控制點的分布模式，使其盡量呈均勻分布。另外為了使其效率最大化和節約成本，控制點的密度也需要控制在合理的范圍內。一般而言，距離盡量控制在5～10m之間。

（2）在布置網點的過程中，如果遇到某些較為重要的區域，比如橋梁雙側、河段起點與終點等，需要進行必要的網點加密，以免在這些關鍵區域由于網點過于稀疏而影響控制框架網絡的質量。

（3）在控制網絡框架組建時，需要格外注意某些信號干擾源，在這些干擾源的附近不宜設置網點，如信號反射場（源）或高壓電線附近，障礙物附近也應避免設置網點。此外，還應注意的是，控制框架網絡點的設置需要以仰角的狀態布置，一般情況下最佳仰角為15°。

2.3獲取數據

首先應該明確，這里所謂的數據收集主要是指與航道測繪有關的測繪數據。航道測繪的關鍵成果之一就是測繪數據，這是航道測繪中較為關鍵一個工作，需要相關工作人員盡職盡責的完成任務以確保測繪質量。在這里需要采集的數據主要包括測繪系統的控制框架布設方法、項目要求的測量精度和信息接收終端的數量等。這些數據對測量結果都有非常大的影響，因為只有依靠上述測量數據，才能實現GPS在航道測繪中的應用。

2.4數據處理

在完成2.3節中測繪數據測量之后，需要對所得數據進行程序化處理。處理數據的主要工作是對所得數據進行專業的統計、計算、分析等工作，并根據處理結果獲得需要的航道測繪信息。通常，GPS航道測繪技術的數據處理包括：計算基線向量、檢驗數據質量和GPS網平差的計算等。精確的計算對于航道測繪有著同等重要的影響，所以這對相關工作人員的自身專業素養也有嚴格的要求。

2.4.1求解基線向量

在航道的測繪過程中，通常計算基線向量的方法為雙差相位法和多時段自處理法。在計算基線向量時，取合適的衛星高度作為初始計算高度，按照相應的計算方法要求和規定的精度計算基線向量，然后對計算誤差進行統計處理，最后核算所得的結果是否合理。值得注意的是，如果計算的結果含有所謂的超越基線向量，需要將此類向量去除，以確保基線向量控制在正確合理的范圍內。

2.4.2檢測采集數據的質量

在GPS航道測繪收集數據結束后，需要確保在外作業獲得數據的質量達標，檢測采集數據的質量一般使用相關的質量檢測法。對于質量要求的高低一般取決于航道測繪所需的精度。而質量檢測一般的評價依據是觀測站的大氣狀況、衛星的工作狀況及信號接收終端的工作狀況等。為了排除質量隱患，切實保證外業工作質量，提高作業效率，質量檢測工作是必不可少的。

2.4.3網平差

獲得GPS網平差一般的方法是三維無約束GPS網平差。這種網平差一般是在WG-284坐標下進行分析的，可使用相關軟件在該坐標系下選取一個點作為計算起始點，其目的是在滿足精度要求的前提下，獲得被測物的三維坐標。

3GPS航測技術對河岸雙側和水下地形的測量

3.1河岸雙側地形測量

當GPS航道測繪框架網絡組建完成后，利用該測繪網絡可測量河岸雙側的地形地貌。采集數據后，可獲得相關的地形數據信息如測繪區域測繪點的空間坐標等。可以使用實時動態測量的GPS測繪技術對岸邊進行測量，該技術的測量精度較高，適用性較好，可快速繪制岸邊地形概況。通常使用GPS-RTK技術開展此類工作。RTK技術也稱為實時動態測量技術，這種實時動態定位技術主要基于載波相位觀測值，可以較為快速地獲得所需的地形測量數據。應用RTK技術對岸邊地形測量的基本方法為：（1）在GPS控制網絡框架內的某個測繪控制點上安裝基準架，之后打開信號接收終端，衛星傳輸的型號由信號接收終端負責，與此同時內流動站需向觀測點發送相應的載波。（2）通過信號接收終端獲得相應的相位觀測值和偽距觀測值，在流動站接收終端在初始化后，會連續獲得信號發射站的數據信息和載波相位數據，并通過系統內的數據處理程序求解載波相位相關的數據信息。（3）根據基準站和流動站的關聯性獲得流動站的空間三維坐標和相應高程。另外關于RTK技術測量高程的可靠性問題需要強調一點，由該技術測量的水位高程需要通過與人工測量的數據進行對比來判斷該其可靠性，這樣可確保測量數據準確無誤。通常可使用從所得數據中提取水位高程信息繪制水位曲線的方法，然后根據所得曲線的光滑與否來判斷個別誤差點，并通過去除這些點補齊光滑曲線的方法進行修正。

3.2水下地形測繪

通常，岸邊地形測繪與水下地形測繪是分開進行的，在完成各自的測繪工作后再通過相關的測繪軟件將采集的數據進行合成，進而獲得航道測繪結果。對于水下地形的測繪采用RTK技術與測深儀相結合的方法。測深儀的工作原理是：測深儀的換能器在水中發射聲波，聲波遇到水下障礙物后會發生反射，然后由測深儀的聲波接收器接收，根據聲波發射與返回的時間差計算聲波傳播的距離進而確定測量深度。與岸邊地形測繪類似，需要先在控制網絡框架的控制點上設置相應的基準站，再布設靜態控制網點，以它們的初始坐標作為計算初始值，然后發射載波相位信號，將流動站安裝在船上，同步測量深度并將數據存儲以備處理使用，最后使用測繪相關的軟件將所測數據如水深數據和定位數據等合并繪圖。

4結語

由以上分析可知，GPS航道測繪技術的動態實時定位測測繪可有效地確保航道測繪的效率和質量，降低成本，促進航道測繪技術的發展。本文著重分析了航道測繪中使用GPS技術的基本原理和工作流程。分析表明：GPS航道測繪技術可有效地提高測繪精度和測繪速度，能夠達到快速檢測、快速繪制岸邊、水下地形圖的目的。此外該技術還有實時性、可動態測量等優點。希望該技術能被相關專業人員推廣使用。