GPS 在河道測量中的應用探討

李向可

（中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽464001）

1 引言

河道測量具有施工范圍廣、野外作業難度大、地形復雜等特點。河流具備了蓄水、排澇、供電、灌溉、游覽、環保和海運等綜合功用，是中國水資源的“動脈”，也是影響水資源環境的關鍵因素[1]。但人為損害河道頻率的增加，以及長期以來各類影響河道穩定的不利因素影響的存在，使得河流疏浚整治與建設的進度處在停滯狀態，導致了河網淤積和水體環境污染等問題嚴重，狀況不容樂觀。河道內積水區域不僅影響了河水的正常流動，也使得河道的通航能力大打折扣。基于此，對現有河道存在的問題進行系統性處理已迫在眉睫，而河道測量是對河道進行系統性處理的前置工作，測量結果的準確程度影響著河道治理的質量。在河道測量工作中采用GPS 測量技術不僅可以提高測量精度，還可以大幅度縮短測量工期，提高測量效率[2]。

2 GPS 測量技術

GPS 測量技術是一種基于全球導航定位的測量技術，在測量工作中得到了越來越廣泛的應用。GPS 測量技術所涉及的設備主要由發射GPS 信號的衛星、接受GPS 信號的地面基站設備以及手持移動測量終端設備3 部分組成[3]。結合信息通信技術，可以將需要測量區域的三維位置信息由靜態模式變成遙感模式，再對動態遙感數據進行后期加工處理，就可以測量出真實的地表位置。無論是河道測量還是建筑物的沉降監測、變形監測等，應用GPS 測量技術均能夠較好地完成測量任務[4]。

3 GPS 測量技術的優勢

GPS 測量技術是基于全球定位導航系統的一種測量技術，是一種基于載波相位實施動態觀測的定位技術。在預定坐標系內，可以提供測站點的三維定位數據。GPS 測量技術與傳統測量技術相比，具有定位準確、降低作業條件要求、可全天候24 h 作業以及操作便捷的優勢。

第一點，定位準確。GPS 測量技術獲取的測量數據安全可靠，通常情況下只要達到GPS 測量技術的基本要求，在GPS有效測量半徑范圍內，其平面測量精度和高程測量精度都可以達到厘米級別[5]。

第二點，降低了作業條件要求。GPS 測量技術在測量觀測時是通過電磁波完成的，也就是兩個測站之間只要達到電磁波通視即可，并不像傳統測量那樣需要兩個測站之間達到光學可視，所以GPS 測量技術對地形條件要求不高。此外，天氣狀況或者大氣能見度對GPS 測量技術的測量結果沒有影響。與此同時，不同基站之間彼此獨立，測量誤差不會逐漸累加，對復雜地形環境測量精度提供了有效保障。

第三點，GPS 測量可全天候24 h 作業，充分提高了野外測量作業效率。只要能接收到GPS 衛星信號，測量作業就不會受外部環境變換的影響，可持續工作。GPS 測量技術在一般測量環境下僅需幾秒便可以獲取坐標數據，減少了傳統測量頻繁移動基站的次數，大大降低了測量人員的工作強度，提高了測量效率[6]。

第四點，GPS 測量設備屬于高度集成自動化設備，操作便捷，測量人員易于掌握。在野外測量時，只需要將基站架設平整并調試完畢便可以利用軟件控制進行測量，將人為誤差降到最低，提高了測量精度。

4 GPS 測量技術在河道斷面測量中的具體應用

4.1 GPS 測量設備的基本設置

4.1.1 基準站的設置

GPS 測量作業的有效半徑為10 km，在有效半徑范圍內均可以獲取準確測量數據，所以在測量過程中根據測量區域地形特點可以一次性選取可以覆蓋整個區域的基站建設點。但有一點需要注意，一些信號塔或者高大建筑會削弱GPS 信號，所以基站架設的位置應選擇相對空曠的位置，保證測量數據的準確。基站位置選定后，開始架設基站并連接好GPS 接收機，配置測量參數[7]。基準站和流動站之間的數據傳輸是通過數據鏈進行實時傳輸的，由于傳輸數據的編碼和檢錯是同步進行的，所以架設的基站和流動基站的波特率均應設置為9 600 Bd，才能保障數據的暢通，電臺發射距離計算如式（1）：

式中，d 為發射距離；H1為發射基站天線高度；H2為流動基站的天線高度。

4.1.2 移動站的設置

當流動基站GPS 接收機處于運行狀態后，會接收到基準站發射的信號，這時移動站便進入測量模式，打開手持控制終端設備，新建測量工程后填寫測量工程的基本信息。第一步，坐標和高程系統的校訂。測量坐標參數的轉化可以在手持終端設備上進行操作，轉換的依據是根據已知點坐標和GPS 現場測量的經緯度坐標，使用3 個點或者3 個點以上作為控制點進行計算就可以得出布爾莎模型的7 個參數，測量的坐標參數與已知點的參數進行比對，如果精度符合要求，再次輸入參數后便可測量單位的獨立坐標。第二步，中央子午線的確定。根據獨立系統建設的基本要求，選擇隨機的高斯三度帶投影來建立坐標。通常，中央子午線的經度設置為120°。第三步，流動基站的測量。確定測量坐標系和中央子午線后，移動基站的地位點是固定解，即可對測量區域進行局部測量或者河道斷面進行測量[8]。

4.2 實際測量的具體應用

河道測量工作中最重要的就是河道斷面測量，而河道斷面測量主要包括橫斷面測量和縱斷面測量。橫斷面是河道中垂直與河水流動的斷面，橫斷面測量是河道測量的主要內容，橫斷面測量的上限是河流水面測量，下限是河床測量，橫斷面兩側為河道護坡和河道堤防。在河道測量的實際外業測量中，將河道岸上測量和河道水下測量分開進行，在內業數據處理過程中再將岸上測量數據和水下測量數據合并處理便可獲取完整的河道水下地形圖和橫斷面圖。

4.2.1 河道岸上測量

河道岸上測量的工作主要是河道岸上斷面樁的測量，斷面樁的測量通常一人便可完成，將控制手部固定在移動基站上，在移動過程中保證測桿對中且測桿上的水平汽包居中，對中幾秒后便可完成測量，獲取點位的坐標，自動保存在手部中已經新建的項目內，持續重復以上操作，便可獲取河道岸上斷面樁的坐標數據。

4.2.2 河道水下地形測量

與河道岸上斷面測量不同，水下地形測量除了設置基站和移動基站外，還需使用測深儀。將測深儀和移動基站的GPS連接，在測量過程中可以同時獲取點位的坐標和水深數據，再通過軟件處理可以同時記錄下點位的坐標數據和水深數據。測深儀和移動基站的GPS 天線連接后，需要對測深儀器進行相應的參數設置，集中必須設置的參數包括測量參數、天線高度、校正參數以及斷面線路導入參數等。測深儀設置完畢后，先隨機選取幾個點位進行測量，保存數據；再采用傳統的測量方法即測桿測量，并記錄數據，將兩者的測量數據進行比對，如果測量數據差距較小，說明之前的參數設置符合要求，可以繼續進行后續的測量作業。如果二者數據比較差距較大，需要對測深儀參數進行重新校訂，直至二者測量數據偏差較小為止。正式測量時，測量路線沿著GPS 指導的斷面線進行測量，高程點采樣按照1 m 間隔進行采樣。在實際測量中，測深儀通常固定在測量船上，由于河道水流速度以及測量環境風速等因素的影響，測量船不一定會按照預定斷面線航行，而大多數情況下，測量船航跡分布在斷面的兩側。當測量船實際航行路線與斷面線的偏差不大時，則實際測量點可以作為合格的測量數據使用；如果測量船行業軌跡與斷面線的偏差較大時，應重新測量獲取準確數據。以上所敘述的測深儀是應用在水面較寬、水深較大的河道測量中，如果河道水深較淺或者離河岸較近的測量區域內，可以采用測桿來代替測深儀，可以較為便捷且準確地獲取水深測量數據，在通過GPS 測量技術便可獲取測量點的坐標數據和測量點的水底高程。

綜上所述，在水下測量過程中通過測深儀或者測桿的綜合應用，再加上GPS 測量技術的配合，可以完成不同復雜環境下的河道測量任務。

5 測量數據的處理優化

測量數據的處理是在測量外業完成后，將河道岸上測量數據導入河道水下測量數據中，獲取完整的河道測量數據。將完整的測量數據導入水深測量軟件后，間隔5 m 進行測量取樣，對異常點進行可靠處理后，生成HTT 格式的數據文件，再將HTT 格式文件轉化成水深測量軟件可以使用的CASS 格式文件。

1）斷面圖繪制。將獲取的CASS 格式文件數據導入南方CASS7.1 地形圖繪圖軟件中，將復合線作為河道中心線，在CASS7.1 地形圖繪圖軟件中的工具欄選擇工程應用模塊，打開工程應用模塊點擊縱斷面生成，再點擊新建按鈕，根據實際測量數據修改間距和左右距離，形成新的里程文件。在此基礎上，再選中河道中線線模塊，在工具欄中選擇工程應用模塊，在此模塊下選擇縱斷面生成，將河道中心線插值修改成10 m，生成里程文件。最后，在軟件工具欄中選擇斷面法土方計算模塊，再選擇任意斷面計算，選擇里程文件后將橫向比例選擇為1∶1 000、將縱向比例選擇為1∶200，將橫坐標選為河道長度，將縱坐標選擇為河道高程即可。

2）河道水下地形圖繪制。與斷面圖繪制方法基本相同，同樣是將獲取的CASS 格式文件導入南方CASS7.1 地形圖繪圖軟件中，根據繪圖的高程點建立DTM，DTM 的建立也可以采用圖面數據進行處理獲得，DTM 建立后繪制等高線，刪除外業測量中得三角網，刪除三角網的原因是其不參與高程建模得應用。最后，依據實際河道地形情況對軟件生成得等高線進行校訂和修改，確保修改后的等高線與實際河道地形一致，將等高線清晰標記，并將相關的工程信息進行標注，即可獲取完成的河道水下地形測量圖。

6 結語

GPS 測量技術具有精度高、效率高等諸多優點，這些優點使得其在測量作業中得到了較為廣泛的應用。在實際測量中，GPS 信號容易受到高達建筑或者通信基站的影響而導致測量結果的不準確，隨著GPS 測量設備的不斷更新換以及我國北斗導航系統的民用版開發，GPS 測量技術逐步完善，在各類測量作業中，特別是河道測量工程中發揮了重要作用。