GNSS PPK技術在疏浚與吹填工程測量中的應用

李 煒，黃幼明

（中交華南勘察測繪科技有限公司，廣東 廣州 510220）

引 言

全球導航衛星系統（GNSS）在測繪行業應用越來越廣泛，定位需求從靜態發展到動態，定位精度越來越高，定位技術越來越豐富，有SPS（偽距單點定位）、PPP（精密單點定位）、載波高精度定位（靜態）、DGNSS（偽距差分）、RTK（實時動態定位）、NRTK（網絡RTK）和PPK（后處理動態定位）等定位技術。不同的定位技術有不同的優缺點、不同的適用范圍，比如：DGNSS無需載波相位觀測值，避免周跳、模糊度等復雜問題，但定位精度較低（1～2 m）；靜態相對定位的精度較高，但外業觀測時間較長、數據處理復雜；RTK（實時動態定位），精度相對較高（cm級），但需架設基站，精度受距離限制，且作業距離受無線電傳播的限制，一般小于20 km；NRTK（網絡RTK）無需架設基站，距離可拓寬50 km，精度與RTK相當，但主要應用在城市CORS網下。

在疏浚工程測量中，DGNSS、RTK、NRTK技術已廣泛應用，但PPK（Post Processing Kinematic）技術僅用于潮位測量，應用相對較少。PPK模式即后處理動態測量模式，是GNSS測量作業的一種常用、成熟模式。PPK技術與RTK技術均屬于高精度動態定位，但PPK技術不受無線電高波特率數據傳輸的可靠性、抗干擾性及基準站與流動站的距離等因素的影響和限制，有效作用距離可以達到80 km，可以作為RTK技術的有效補充，具有很好的應用前景和推廣價值。

1 基本原理

在GNSSPPK作業模式，采用一臺基準站接收機和至少一臺流動接收機同步觀測相同的衛星，無需實時接收流動站到基準站之間的坐標差分量，只需連續記錄基準站和流動站的同步觀測數據；事后在計算機中利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間厘米級高精度的相對位置；然后進行坐標轉換得到流動站在地方坐標系中精確的三維坐標。

以Trimble R10為例，雙頻GNSS在PPK作業模式下，其平面和高程測量精度分別為：

M=±8 mm+1 ppm×D，

M=±15 mm+1 ppm×D

式中：D為基線長度，單位為km。

在基線長度小于30 km時，平面和高程精度優于±5 cm，滿足疏浚工程控制測量、地形測量和吹填施工測量要求；在基線長度小于80 km時，平面和高程精度均優于±10 cm，滿足疏浚工程水深測量要求。

2 GNSS PPK在疏浚工程中的應用

2.1 控制測量

1）存在問題

在疏浚工程開工前，需要對控制點資料進行平面精度驗證和求取WGS-84坐標與當地坐標系間的坐標轉換參數。以湄洲灣深水航道三期工程為例，4個控制點分別位于湄洲灣兩岸，兩點間距約 6～13 km。首先采用4臺套GNSS進行靜態相對觀測，通過對采集的GNSS靜態觀測數據進行基線處理、無約束平差和約束平差。經驗證，業主提供的4個控制點均無顯著變化。然后采用經無約束平差得到的各控制點 WGS84坐標和已知的 1954年北京坐標，求取WGS-84坐標和1954年北京坐標的坐標轉換參數。為驗證求取的坐標轉換參數的正確性，須選擇在其中一個控制點架設基準站，RTK流動站分別采集其他控制點坐標進行比對分析。但由于RTK配備的PDL電臺老化、基準站架設的周邊環境影響等原因，距離基準站最近的控制點僅6 km，卻未能收到基準站播發的無線電差分信號。

2）應用原理

采用 GNSSPPK作業模式在控制點架設基準站，流動站分別架設于其他控制點進行數據采集。在后處理時，建立當地坐標系統，輸入通過GNSS靜態相對觀測求取的坐標轉換參數，并在當地坐標系統下進行約束平差可以獲得流動站采集的控制點坐標。整個作業過程無需實時接收差分數據，成功避免并解決無線電傳播的問題。

3）應用情況

架設基準站時與 RTK類似，不同的是測量類型應為“FastStatic”，記錄間隔宜為1 s。考慮控制測量要求精度相對較高，流動站采用快速對中腳架進行對中，測量類型應為“后處理動態測量”，連續觀測300歷元。經驗證，坐標轉換參數可用，順利完成湄洲灣三期工程控制網點驗證工作。

若在面積較大、地貌比較復雜的地區，需不停地移動中繼站或搬遷基準站，作業效率較低；在機場等無線電限制區域，禁止使用 RTK無線電，進行地形測量不得不采用全站儀等常規作業手段，作業效率低。而GNSS PPK作業模式，不受無電傳輸距離限制，作業距離較遠，可以在面積較大、地貌復雜的地區和無線電限制區域進行地形測量。

2.2 攝影測量

1）存在問題

無人機低空攝影測量作業效率高，在陸域地形測量中得以廣泛應用。隨著DGPS輔助航空攝影測量技術的進步，大量減少了空中三角測量中地面像片控制點的布設，但高程測量精度仍無法滿足吹填區地形測量的精度要求。

2）應用原理

搭載可進行PPK的高精度GNSS接收機和慣導系統IMU（Inertial measurement unit）的無人機，在航空攝影測量時，用GNSS記錄相機曝光時刻航攝儀物鏡中心的位置，IMU記錄航攝儀的姿態參數。GNSS采用PPK作業模式，經后處理可獲得每張像片對應航攝儀的精確位置，與 IMU數據進行聯合處理，可直接獲得每張像片的六個外方位元素，建立各張航片的相對位置關系，大量減少地面控制點布設的數量，甚至無需地面控制點。

3）應用情況

采用配備GNSS接收機和IMU的Trimble UX5 HP無人機在廣州港南沙某吹填區域進行攝影測量，GNSS采樣頻率采用20 Hz，單個航次（30分鐘）完成0.7 km2吹填區地形測量。吹填區地勢相對平坦，本次作業布設地面像片控制點一個。為分析其精度，作業前在吹填區設置了 20處明顯標志，便于在像片中精確識別，并采用激光掃描全站儀，對設置標志實測平面坐標和高程坐標，比對情況見表1。可以看出：本測區檢測點平面點位誤差最小值為 0.013 m，最大值為 0.055 m，點位中誤差為±0.038 m；檢測點高程誤差最小值為0.006 m，最大值為0.062 m，高程中誤差為±0.029 m，滿足疏浚與吹填工程1:500大比例尺地形測量和吹填施工測量的精度要求。

表1 攝影測量與激光掃描全站儀測量成果比較 /m

2013年臺山某測量項目使用GPS單點定位進行攝影測量，點位中誤差為 0.5 m，高程中誤差為0.3 m。而此次試驗采用GNSS PPK技術進行攝影測量，極大地提高了平面及高程精度，主要原因有：對于高速飛行器，GNSS采樣頻率采用20 Hz，經后處理可以直接精確獲取每張像片的空間位置，而常規GPS輔助攝影測量中DGPS精度低、RTK采樣頻率為1 Hz；本次測量面積小，測區地形相對平坦；配備了3 600萬像素的全景相機，獲取的影像可達到1 cm精度的分辨率；專業的無人機影像后處理軟件具有基線解算功能，可以全自動匹配連接點、自動空三測量，功能強大，解算精度高。在今后的應用過程中將繼續研究并驗證其精度的穩定性。

2.3 三維水深測量

1）存在問題

對于沿海長航道水深測量，測區超出岸邊水位站有效控制范圍，需在海上設立臨時水位站（修建驗潮站、拋壓力式驗潮儀）、潮位推算，或直接進行GPS RTK三維水深測量。但上述方法均存在一些難以克服的缺點，影響其在沿海長航道水深測量的適用性。

2）應用原理

GNSS PPK三維水深測量基于海洋測繪軟件HYPACK 2014進行，在外業數據采集過程中采用GNSS PPK進行導航定位，存儲單點定位的平面數據和高程數據，在內業數據處理時采用經后處理的精確三維坐標逐一替換原始數據中的單點定位數據，達到精確定位和水位改正，從而不需要建立水位站進行驗潮。

3）應用情況

在廣州港南沙港池進行GNSS PPK三維水深測量，并與廣東省海測大隊的水深測量圖進行水深重合比對分析。測區水深小于20 m，在不同作業組、不同測量日期重復測深線的重合處，比對互差小于等于0.4 m占97.8 %，證明GNSS PPK三維水深測量符合我國現行《水運工程測量規范》有關要求，可以有效解決沿海長航道水深測量問題。

圖1 外符合精度分析

在GNSS PPK三維水深測量中，無需對水位進行擬合，而是進行實時水位改正，避免了水位曲線擬合所引起的誤差；且GNSS PPK實時水位包含了涌浪造成的測量船升沉量的改正，進一步有效提高了水深測量精度。

2.4 海上高程異常測定

1）存在問題

GNSS測量獲得的高程成果是基于WGS-84參考橢球的大地高，而我國法定高程系統為以似大地水準面為基準的正常高，兩者存在的差異即為高程異常。在離岸一定距離的海上或島礁，在使用GNSS進行高程測量或精化區域似大地水準面時，須精確測定高程異常值。在陸地，會與國家大地控制進行GNSS靜態相對觀測和水準測量分別獲取控制點的大地高和正常高；而在海上或島礁，無法與國家大地控制網進行水準聯測。

2）應用原理

大地測量學假定平均海面為大地水準面，因此各地的多年平均海面，其高程應該是相等的。但由于短期擾動的影響，各地多年平均海面的高程存在差異，但差異是微小的，一般在每100 km范圍內平均僅為10 mm，優于國家二等水準測量的精度要求。采用同步期平均海面法傳遞高程，兩水位站距離72 km時，大潮期間同步觀測3天，計算的高差最大差值小于0.05 m。所以，可以認為在相距50 km以內的沿岸和海上分別設立陸地水位站和海上臨時水位站，在大潮期間同步觀測3天或7天以上，分別計算的臨時平均海水面（逐時潮位的平均值）相等。

而海上臨時水位站觀測采用GNSS PPK作業，若不考慮高程異常影響，在大潮期間同步觀測3天或7天以上的兩個臨時平均海水面應一致。反之，若兩個臨時平均海水面不一致，則是基準站與流動站的高程異常不同所致。根據高程異常的定義，似大地水準面到參考橢球面的距離，計算公式為：高程異常=大地高-正常高。陸地水位站觀測水位屬于正常高，GNSS PPK獲得的水位（高程數據未經高程異常改正）屬于大地高，所以海上臨時水位站所處位置的高程異常等于GNSS PPK所測水位的平均值減去陸地水位站觀測水位的平均值。

3）應用情況

在港珠澳大橋工程中，在測區挖泥船“金雄”上安裝GNSS接收機，設置海上臨時水位站，陸地水位站采用香港天文臺公開發布的香港赤鱲角水位。分別于2012年11月10日至12日，2014年5月14日至17日進行了兩次同步觀測，所求得的高程異常僅相差0.4 mm，說明采用GNSS PPK進行同步驗潮測定海上高程異常的方法可靠。

3 結 論

1）GNSS PPK技術不受無限電傳播距離限制，有效作用距離較遠，精度較高。采用GNSS PPK技術不僅解決了遠距離 RTK無法完成控制網點驗證的問題，還可以應用于面積較大、地貌復雜的地區和無線電限制區域進行地形測量。

2）采用GNSS PPK技術解決了常規攝影測量精度相對較低、不能滿足疏浚與吹填工程中大比例尺測圖精度要求的問題，不僅提高了平面精度和高程精度，而且大量減少了地面像片控制點的布設。

3）采用GNSS PPK技術解決了遠距離水深測量水位控制和精度保證的問題，成功應用于三維水深測量，還解決了海上高程異常測定的難題。在今后的疏浚與吹填工程測量中具有廣闊的應用前景。