試論GPS技術(shù)在航道測(cè)量中的應(yīng)用

陳猛棠

摘 要 作為一項(xiàng)全天候、高精準(zhǔn)度的定位系統(tǒng)，GPS具備十分顯著的優(yōu)勢(shì)特征，比如費(fèi)用低、定位速度快、操作方式簡(jiǎn)便等等。因此其不僅在測(cè)量工作中有著廣泛應(yīng)用，同時(shí)在導(dǎo)航學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域中也有著明顯發(fā)展。基于此，本文就將針對(duì)GPS的組成和特點(diǎn)作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析GPS技術(shù)在航道測(cè)量工作中的應(yīng)用情況，希望對(duì)測(cè)量行業(yè)發(fā)展提供一定幫助作用。

關(guān)鍵詞 GPS技術(shù);航道測(cè)量;應(yīng)用

隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展需求，我國(guó)GPS技術(shù)作為一項(xiàng)重要研究項(xiàng)目也得到更大應(yīng)用與發(fā)展。GPS技術(shù)的出現(xiàn)為岸上各類(lèi)工民建測(cè)量、水下勘探和地形測(cè)量等精密性工作的開(kāi)展都提供了科學(xué)便捷的工作方案，并且也幫助人們對(duì)諸多不熟悉的地方進(jìn)行了研究，有著顯著便利性特點(diǎn)。如測(cè)深工作中，可以將GPS接收機(jī)和測(cè)深儀器兩者進(jìn)行結(jié)合，GPS接收機(jī)負(fù)責(zé)用于進(jìn)行定位測(cè)量，而測(cè)深儀器可以對(duì)水深進(jìn)行采集，通過(guò)數(shù)據(jù)的同步電子采集記錄和專(zhuān)業(yè)測(cè)量測(cè)繪軟件指導(dǎo)，由此可在工作中組成相應(yīng)完整的一套自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。為此，本文就將對(duì)GPS技術(shù)在航道測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究，希望對(duì)后續(xù)測(cè)量工作和航道建設(shè)工作提供更科學(xué)的指導(dǎo)作用。

1航道測(cè)量基礎(chǔ)作用和基本方式

航道測(cè)量在航道維護(hù)和管理過(guò)程中有著十分顯著的積極作用，由于工作目標(biāo)存在較大差異，所以工作的內(nèi)容也存在明顯不同[1]。航道測(cè)量其他測(cè)量作業(yè)具備許多相同的原則要求，但是和其他測(cè)量工作性質(zhì)不同，就具體測(cè)量?jī)?nèi)容而言，航道測(cè)量和一般測(cè)量方式相同點(diǎn)雖然都需要在作業(yè)中對(duì)地形地貌情況進(jìn)行測(cè)量，但是航道測(cè)量工作還主要需要對(duì)水下的礙航淺礁等三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量乃至包括流速流態(tài)流向等水文情況進(jìn)行測(cè)量。可見(jiàn)航道的測(cè)量對(duì)于航道建設(shè)和維護(hù)都有著不可忽視的基礎(chǔ)性作用。

而GPS在對(duì)航道進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，主要工作原理就是用戶的GPS移動(dòng)站接收機(jī)通過(guò)接收GPS衛(wèi)星發(fā)播的無(wú)線電定位信號(hào)，以及接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分解算數(shù)據(jù)，使移動(dòng)站可以在最短時(shí)間內(nèi)獲得定位固定解、從而得出精確的亞米級(jí)或厘米級(jí)三維坐標(biāo)成果，并且通過(guò)配合聲波測(cè)深儀對(duì)同步定位的位置測(cè)深記錄。在對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行定位的過(guò)程中，主要原理就是借助測(cè)距交會(huì)原理對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行明確;對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行測(cè)深的過(guò)程中，就是通過(guò)對(duì)水下發(fā)射聲波往返記錄計(jì)算，獲得所在位置瞬時(shí)水深。所以在進(jìn)行航道測(cè)量中，通過(guò)GPS定位技術(shù)進(jìn)行平面坐標(biāo)定位或厘米級(jí)精度的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位以采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)：平面x、y坐標(biāo)加上實(shí)時(shí)水位高程z，同時(shí)測(cè)深儀器通過(guò)單波束或多波束在水中的反射波來(lái)準(zhǔn)確掌握坐標(biāo)位置的水深情況h，實(shí)時(shí)水面高程z減去實(shí)時(shí)水深h即為實(shí)時(shí)水下巖面高程。因此測(cè)深中任意一點(diǎn)的記錄實(shí)際上都是三個(gè)參數(shù)：x、y、（z-h）。

2GPS技術(shù)在航道測(cè)量中的應(yīng)用

在實(shí)際角度上來(lái)說(shuō)，航道測(cè)量是個(gè)兵馬未動(dòng)偵察先行的工作，它就是為設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)等后繼工作而準(zhǔn)備基礎(chǔ)地理信息的，需要在測(cè)量環(huán)節(jié)中將兩岸情況及水下地形進(jìn)行測(cè)量出成果以供使用參考。比如在對(duì)航道整治進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)河流多年水文站實(shí)測(cè)資料以及地質(zhì)地形水深等進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助沿程水位站水尺水位相關(guān)分析法、以及全程瞬時(shí)水面線觀測(cè)法，包括頻率分析法、保證率頻率法等確定設(shè)計(jì)最高通航水位及最低通航水位，利用航道整治工程數(shù)學(xué)模型研究計(jì)算設(shè)計(jì)流量下整治后的水面曲線。所以一般情況下，合理借助航道測(cè)量包括在兩水文站之間補(bǔ)充加密臨時(shí)水尺則及測(cè)量等，可以更準(zhǔn)確地掌握基礎(chǔ)的測(cè)量信息或是數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)服務(wù)。此外，在對(duì)航道進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中應(yīng)該保證區(qū)間布設(shè)水尺的合理設(shè)置，通過(guò)對(duì)各區(qū)域設(shè)計(jì)水位的掌握，順利開(kāi)展測(cè)量工作。所以GPS技術(shù)在航道測(cè)量中可以為水深、地形、包括整段航道全程瞬時(shí)水位成果的測(cè)量發(fā)揮作用。

2.1 GPS控制網(wǎng)測(cè)量

在對(duì)GPS控制網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)形設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要根據(jù)測(cè)量任務(wù)要求對(duì)GPS網(wǎng)的精度和密度等問(wèn)題進(jìn)行明確，從而和規(guī)范要求進(jìn)行有效融合，之后更有效的對(duì)不同點(diǎn)之間的連接方法進(jìn)行優(yōu)化。平面控制網(wǎng)的建立采用GPS靜態(tài)測(cè)量完全可以滿足精度要求，高程控制網(wǎng)GPS高程擬合精度雖然《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定可代替四等水準(zhǔn)測(cè)量，但《工程測(cè)量規(guī)范》（GB5006-2007）和其他行業(yè)測(cè)量規(guī)范則規(guī)定代替五等水準(zhǔn)測(cè)量，特別是GPS高程不能超出擬合高程模型所覆蓋范圍。而若在山區(qū)因?yàn)榇蟮厮疁?zhǔn)面起伏大，應(yīng)適當(dāng)增加水準(zhǔn)重合點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，用GPS測(cè)定大地高和水準(zhǔn)測(cè)定正常高計(jì)算出高程異常，采用數(shù)字?jǐn)M合確定該區(qū)域中其他點(diǎn)的高程異常，采用的已知水準(zhǔn)點(diǎn)越多，擬合精度越高[2]。在將所布設(shè)網(wǎng)點(diǎn)采集的WGS-84 坐標(biāo)系成果轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系以供工程使用時(shí)，若帶狀區(qū)域慎用曲面擬合，如重合點(diǎn)數(shù)達(dá)到三或是三以上，借助布爾薩七參數(shù)法進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)據(jù)。在對(duì)航道進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，由于河道狹窄道路彎曲性較為明顯，所以很容易造成對(duì)控制網(wǎng)布設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響，在對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行建立的過(guò)程中，要注意避免長(zhǎng)短邊問(wèn)題，如網(wǎng)形角度設(shè)計(jì)注意要大于30?，從而將網(wǎng)形布設(shè)方整，避免最短邊建網(wǎng)問(wèn)題的出現(xiàn)等。

2.2 岸上地形測(cè)量

地形測(cè)量分為水上和水下兩部分，無(wú)論水上水下，本質(zhì)上都是主要進(jìn)行地形的三維坐標(biāo)采集記錄處理，所以在通過(guò)如上控制網(wǎng)的有效設(shè)計(jì)和測(cè)算，GPS校核控制點(diǎn)得出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)后，就可以根據(jù)測(cè)繪區(qū)域計(jì)劃，根據(jù)相關(guān)測(cè)量規(guī)范和要求進(jìn)行GPS碎步測(cè)量，采集地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)和地物勾繪記錄，然后在后繼的內(nèi)業(yè)作業(yè)中處理成果出圖。但是采用GPS技術(shù)進(jìn)行河道野外測(cè)量時(shí)，要注意盡量避開(kāi)樹(shù)林、高山峽谷等天空被遮蔽阻擋地區(qū)，或者避免在高壓線附近底下作業(yè)，以免造成GPS信號(hào)受干擾定位不精確，這時(shí)就要用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀全站儀等測(cè)量工具作補(bǔ)充。

2.3 水下地形測(cè)量

在對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，需要在臨近控制網(wǎng)的區(qū)域?qū)Φ匦问y(cè)站點(diǎn)進(jìn)行選擇，架設(shè)好基準(zhǔn)站好，利用已知點(diǎn)對(duì)GPS流動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)校核，再和超聲波回聲探測(cè)儀進(jìn)行連裝，利用打水板等對(duì)測(cè)深儀所測(cè)水深讀數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)改正，使各項(xiàng)誤差符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》等規(guī)定的允許誤差值之內(nèi)。這樣通過(guò)對(duì)流動(dòng)接收機(jī)以及測(cè)深儀的設(shè)置校核，再有效根據(jù)河道斷面變化情況、流速大小等情況進(jìn)行布計(jì)劃線施測(cè)。在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，注意船速的控制和所采集數(shù)據(jù)的精確度比如因?yàn)樗荨⑺菀约坝倌嗟仍斐傻募偎顔?wèn)題，以及補(bǔ)測(cè)因?yàn)樾盘?hào)問(wèn)題而缺失記錄等情況。由于水下地形施測(cè)往往會(huì)受到較為顯著的經(jīng)濟(jì)影響，所以在對(duì)方案進(jìn)行選擇的過(guò)程中也要選擇一些簡(jiǎn)便的方案，比如在較淺難測(cè)區(qū)域用探桿等潛代測(cè)深儀。基于經(jīng)濟(jì)性、便捷性、準(zhǔn)確性綜合因素來(lái)說(shuō)，目前GPS水下地形測(cè)量已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)主要采用的定位測(cè)探技術(shù)。

3GPS技術(shù)的局限性和改進(jìn)

雖然目前GPS技術(shù)得到了十分顯著的發(fā)展，但是外部環(huán)境對(duì)于GPS技術(shù)的使用和精準(zhǔn)度也會(huì)產(chǎn)生一定影響，比如近距離的高壓線路、建筑物高山和高大樹(shù)木都可能對(duì)GPS接受準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，基站與移動(dòng)站之間的差分信號(hào)傳輸也受影響，所以在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需要盡量避開(kāi)這類(lèi)障礙物。在接收衛(wèi)星信號(hào)困難地區(qū)，往往只能借助全站儀和水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)附近測(cè)量任務(wù)的開(kāi)展。當(dāng)然在當(dāng)前GPS技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步的過(guò)程中，上述因素對(duì)于測(cè)量工作的影響也明顯降低，比如當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流的GPS接收機(jī)日趨融合接收俄羅斯衛(wèi)星GLONASS信號(hào)、中國(guó)北斗BDS（且預(yù)留對(duì)歐洲GALILEO信號(hào)的升級(jí)接收），我們?cè)跒憸娼墓こ虒?shí)踐中證明，隨著衛(wèi)星的增多、加上配合中繼電臺(tái)等新技術(shù)采用，GPS的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤及數(shù)據(jù)鏈傳輸性能在信號(hào)困難地區(qū)由此獲得顯著改善。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，測(cè)繪任務(wù)的發(fā)展受到航道測(cè)量技術(shù)的影響較大，通過(guò)對(duì)多次航道測(cè)量數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，將GPS技術(shù)應(yīng)用到布網(wǎng)工作中，在對(duì)軟件進(jìn)行基線求解或是測(cè)繪軟件過(guò)程中，相比傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量手段，可以實(shí)現(xiàn)更有效的幫助作用，達(dá)到事半功倍的效果。此外，在測(cè)繪技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步過(guò)程中，航道的測(cè)量發(fā)展也會(huì)得到明顯進(jìn)步，并在工作中形成簡(jiǎn)便和高效的工作優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于航道測(cè)量的發(fā)展而言必然是十分顯著和積極的。所以，GPS定位技術(shù)和測(cè)深技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性、便捷性和達(dá)到相當(dāng)?shù)木_性，加上智能化自動(dòng)化趨勢(shì)，也將成為今后我國(guó)航道工程測(cè)量中最重要的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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