GPS高程測(cè)量技術(shù)航道工程測(cè)繪中的應(yīng)用研究

劉志祥

摘 要：在經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展下，航道工程測(cè)繪技術(shù)也得到較快發(fā)展。在現(xiàn)代航道測(cè)繪工程測(cè)量技術(shù)方面，以往傳統(tǒng)的控制測(cè)量法被現(xiàn)代高程測(cè)量方法所取代。文章介紹GPS高程測(cè)量的應(yīng)用以及測(cè)量方法，簡(jiǎn)要說(shuō)明GPS高程測(cè)量在航道測(cè)繪工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及實(shí)際操作中的制約因素，然后針對(duì)工程實(shí)例，分析航道治理工程軟土地基沉降觀測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)的GPS高程測(cè)量誤差的探索 ，對(duì)提高其精度測(cè)量方面提出幾點(diǎn)建議。供同仁參考。

關(guān)鍵詞：GPS 高程測(cè)量；測(cè)量方法；測(cè)量技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0055-02

CPS技術(shù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間雖然不久，但其在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛、在水運(yùn)地形圖繪測(cè)工程中，GPS技術(shù)的應(yīng)用能夠極大提高工程的精確度，且更加簡(jiǎn)便操作，幾乎能夠全天候工作，不受限制。運(yùn)用GPS全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的原理在于通過(guò)空間距離的測(cè)量，來(lái)確定其他位置結(jié)果，這也是我們所常說(shuō)的定位方法，快速而準(zhǔn)確、如在動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)和靜態(tài)測(cè)量中，通過(guò)GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位后，再需要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算來(lái)求得結(jié)果。

1 GPS高程測(cè)量在航道測(cè)繪的應(yīng)用現(xiàn)狀

在實(shí)際的工程測(cè)繪中，通過(guò)以GPS加強(qiáng)水下?lián)Q能器控件探頭坐標(biāo)底部和高程的情況下，判定交換通過(guò)測(cè)深儀指向定位水深度測(cè)量，結(jié)果對(duì)水高程點(diǎn)定位能從GPS之間的差測(cè)量仰角和通過(guò)測(cè)量水的深度探測(cè)儀結(jié)合得到，而定位坐標(biāo)點(diǎn)是換能器的坐標(biāo)，GPS可以實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)高程結(jié)合RTK模式坐標(biāo)測(cè)量，如圖1所示，用于精確定位幾乎達(dá)到厘米標(biāo)準(zhǔn)。

GPS-RTK 技術(shù)在航道工程測(cè)量中的應(yīng)用，主要是利用差分原理。測(cè)量環(huán)節(jié)中，能夠從測(cè)量對(duì)象的位置、相位以及距離等方面進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用。為了準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)地籍?dāng)?shù)據(jù)信息的測(cè)量，在測(cè)量中，還需要選擇一個(gè)基準(zhǔn)站，利用輔助基準(zhǔn)站對(duì)其提供技術(shù)支持，同時(shí)還需要接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，將基準(zhǔn)站的工作與輔助站工作相互結(jié)合，對(duì)工程測(cè)量中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)修正。

2 GPS高程測(cè)量的工作原理

運(yùn)用GPS技術(shù)時(shí)，首先測(cè)量出工程地區(qū)的GPS大地高（E）的數(shù)值，以便用來(lái)滿(mǎn)足高程的擬合要求，然后水平法測(cè)量GPS點(diǎn)正常高度（D）的所在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)。獲取大地高（E）的GPS點(diǎn)高和正常高度（D）值，下面就可以計(jì)算出高度差（即Q）的值，高差的公式為：

Q=E-D

此操作之后，在目標(biāo)測(cè)量區(qū)域中的其他GPS點(diǎn)的正常高度由曲面擬合和平面擬合得到。

基于GPS高程測(cè)量技術(shù)的幾個(gè)參考值，大地高（E）的數(shù)值目前尚不清楚的明確的物理定義。大地高（E）是正常的地面點(diǎn)和基準(zhǔn)橢圓法線(xiàn)的距離所參照的橢圓的之間的距離。正高≠正常高，前者是地面點(diǎn)和地平之間的垂直距離，而后者是從地面點(diǎn)到地水準(zhǔn)面的垂直距離。所謂的高程差則是地水平與基準(zhǔn)橢圓之間的距離。

3 GPS的測(cè)量方法及測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1 GPS的測(cè)量方法

首先，GPS全球定位系統(tǒng)的測(cè)量方法重點(diǎn)在于單點(diǎn)定位。相比于其他測(cè)繪方法這種測(cè)量方法是比較易于操作的，該測(cè)繪方法的運(yùn)行原理是由衛(wèi)星發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波來(lái)計(jì)算出某一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。在一般情況下，單點(diǎn)定位測(cè)繪方法最多能夠從四個(gè)衛(wèi)星接收信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算。但這種方法的缺點(diǎn)是需要接收線(xiàn)或天線(xiàn)來(lái)確定三維坐標(biāo)值。所以這種測(cè)量方法所得出來(lái)結(jié)果存在著的精度不夠高的情況，在定位測(cè)量時(shí)往往不利于單點(diǎn)定位。

然后，是相對(duì)定位，相對(duì)定位含括有：動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)測(cè)量、靜態(tài)測(cè)量，當(dāng)操作的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法時(shí)，是在該區(qū)域確定選擇的一個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，使用的天線(xiàn)與接收跟蹤衛(wèi)星可見(jiàn)，與靜態(tài)測(cè)量相比，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度尚比不上靜態(tài)測(cè)量精準(zhǔn)。而操作快速靜態(tài)測(cè)量也是需要選擇一個(gè)參考點(diǎn)，以保持對(duì)基準(zhǔn)的原控制點(diǎn)上設(shè)置一部接收器保持不變，其他接收機(jī)，用于觀察。

針對(duì)靜態(tài)測(cè)量的時(shí)將兩個(gè)以上的天線(xiàn)和接收器置于多基準(zhǔn)線(xiàn)的兩端，以接收和處理衛(wèi)星信號(hào)，該測(cè)定法是所有GPS測(cè)量方法中精度最可靠的一種，還有不常用到的測(cè)量方式是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3.2 GPS的測(cè)量數(shù)據(jù)處理

基于GPRS測(cè)量數(shù)據(jù)處理主要概括兩主面：首先是對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)先處理和GPS網(wǎng)平差。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是獲得由統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)的全球定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)矢量和排序，并且在整個(gè)過(guò)程的下一個(gè)步驟制備。GPS網(wǎng)的調(diào)整的操作原理是利用一個(gè)點(diǎn)作為3D點(diǎn)和坐標(biāo)變換，GPS網(wǎng)標(biāo)和平差處理是在一個(gè)時(shí)間進(jìn)行。

4 GPS測(cè)量的誤差分析

之所以產(chǎn)生GPS 測(cè)量的誤差，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：即信號(hào)傳播影響、衛(wèi)星相關(guān)影響、接收線(xiàn)相關(guān)影響等。

4.1 信號(hào)傳播影響

在地面40 km區(qū)域之上屬于對(duì)流層氣流，通過(guò)對(duì)流層的GPS信號(hào)傳播路徑極易發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生測(cè)量距離偏差，此種現(xiàn)象被稱(chēng)為折射誤差?？梢酝ㄟ^(guò)使用同步測(cè)量數(shù)據(jù)被減少所造成的測(cè)量距離所致誤差。多途徑誤差影響著GPS測(cè)量精度，其是一個(gè)存在的重要因素。測(cè)量過(guò)程中，在目標(biāo)測(cè)量對(duì)象內(nèi)的大部分區(qū)域會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)起到反射作用，從而產(chǎn)生一定的偏差。應(yīng)對(duì)這種情況可對(duì)天線(xiàn)過(guò)行加裝抑徑板，它是能夠抑制反射信號(hào)中的干擾因子。電離層是一種的接地高50～1 000 km的介質(zhì)層，并與發(fā)生折射流層（Nagareso）相似，彎曲電離層通過(guò)的GPS信號(hào)，得到的電離層折射誤差信號(hào)路徑——是電離層的折射誤差，通過(guò)同步觀測(cè)和互動(dòng)觀測(cè)可起到減弱誤差的作用。

4.2 衛(wèi)星相關(guān)影響

共體現(xiàn)在以下一些方面：

①星歷誤差。即衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置和衛(wèi)星實(shí)際位置之間的誤差。通過(guò)設(shè)置在同一個(gè)衛(wèi)星作多個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)相對(duì)是有效的途徑。

②相對(duì)論效應(yīng)，發(fā)生在形式不同的接收器和衛(wèi)星時(shí)鐘誤差。要想減少這種誤差可保持鐘機(jī)和衛(wèi)星時(shí)鐘的相對(duì)獨(dú)立性運(yùn)作。

4.3 接收線(xiàn)相關(guān)影響

在應(yīng)用中響應(yīng)于天線(xiàn)相位中心的位置的誤差，這是位于該天線(xiàn)的中心的過(guò)程中實(shí)際觀察引起的誤差，該誤差體現(xiàn)出錯(cuò)誤的接收機(jī)天線(xiàn)線(xiàn)中心和一個(gè)觀測(cè)站的中心位置之間的接收機(jī)的位置的誤差。這一點(diǎn)在觀察過(guò)程要仔細(xì)，以避免減少偏差，或避免，錯(cuò)誤操作。接收時(shí)鐘誤差石英表，衛(wèi)星鐘、錯(cuò)誤接收鐘時(shí)三方之間的偏差所致。

5 實(shí)際應(yīng)用分析

5.1 工程案例

長(zhǎng)江某處深水航道治理工程將航道自然水深由6 m增深到9 m的水平，使航道滿(mǎn)足運(yùn)輸力達(dá)大船乘潮進(jìn)港標(biāo)準(zhǔn)，約5萬(wàn)t散貨船乘潮進(jìn)出港的要求，關(guān)于本航道工程測(cè)繪中的測(cè)量技術(shù)，對(duì)軟土地基沉降觀測(cè)誤差，存在著各種各樣的問(wèn)題，特別是介于本工程的許多地形地勢(shì)惡劣，處于交通不便的郊區(qū)，路徑坎坷，它的實(shí)際操作若采用傳統(tǒng)測(cè)量方法相對(duì)較難。

5.2 測(cè)量效果分析

通過(guò)了解GPS高程的參數(shù)指標(biāo)和GPS高程的測(cè)量的工作原理，針對(duì)在過(guò)去的幾年里實(shí)際的應(yīng)用中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的掌據(jù)等，本工程利用GPS水準(zhǔn)法來(lái)進(jìn)行高程異常的確定，也就是通過(guò)GPS測(cè)量資料及水準(zhǔn)資料來(lái)進(jìn)行高程異常確定的方法，目前常使用的高程異常確定方法有等值線(xiàn)圖法和高程擬合法，根據(jù)實(shí)踐證明，高程測(cè)量中，在選點(diǎn)密度均勻合理的情況下，利用數(shù)學(xué)規(guī)律來(lái)進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面的擬合，得出的該地區(qū)的高程擬合精度可以達(dá)到很高。

本工程測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)處理采用EXCEL軟件讀取GPS數(shù)據(jù)記錄，見(jiàn)表1。

數(shù)據(jù)處理流程：RTK數(shù)據(jù)剔除→當(dāng)鎖定表示4時(shí)（保留）→當(dāng)數(shù)什為5或1時(shí)剔除→載波數(shù)據(jù)過(guò)濾→檢測(cè)→清除→25 min的數(shù)據(jù)（ 1次/s）平滑處理→平差計(jì)算→確定觀測(cè)精度。

根據(jù)半圓體穩(wěn)定和沉降計(jì)算，施工初期，在石堆基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的引力重量作用下，會(huì)產(chǎn)生30 cm的沉降，此沉降量計(jì)算值在①標(biāo)段的地基監(jiān)測(cè)中得到驗(yàn)證，且沉降的歷時(shí)曲線(xiàn)也是比較接近的。通過(guò)由設(shè)計(jì)提供的計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降的結(jié)果對(duì)比，實(shí)測(cè)值一般與計(jì)算結(jié)果相符，通過(guò)土壤沉降的觀測(cè)的測(cè)定值可以推斷土壤的固結(jié)強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證排水處理效果。

6 GPS高程測(cè)量建議

①GPS高程測(cè)量技術(shù)被航道工程建設(shè)廣泛地應(yīng)用，迫使從業(yè)工作者在航道建設(shè)時(shí)對(duì)GPS高程測(cè)量數(shù)據(jù)的精度提高越來(lái)越多的關(guān)注，以下基于GPS高程測(cè)量精度控制問(wèn)題幾點(diǎn)建議：用高程擬合法實(shí)際的點(diǎn)位高程，然后在通過(guò)與該點(diǎn)位的水準(zhǔn)資料數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比從而得出高程異常值，即其差值。差值越小證明精度越高。

②在GPS的高程測(cè)量過(guò)程參考高精度基準(zhǔn)網(wǎng)。

③測(cè)繪過(guò)程盡量使用雙頻的型號(hào)相同的GPS接收機(jī)。

④對(duì)大地差的測(cè)量精度作提高，預(yù)先了解衛(wèi)星預(yù)報(bào)，GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)要科學(xué)，測(cè)量時(shí)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)周?chē)h(huán)境。

7 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際工作中經(jīng)?？梢?jiàn)，在進(jìn)行水運(yùn)地形測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)用GPS 技術(shù)的同時(shí)，還可以結(jié)合測(cè)深儀，進(jìn)一步更加測(cè)量快速與作業(yè)效率高，同時(shí)保證測(cè)量的精確度。 當(dāng)下，水下測(cè)量在許多的水庫(kù)、河流或航道中得到了廣泛的應(yīng)用。 然而，由于許多地區(qū)對(duì)水下測(cè)量的要求標(biāo)準(zhǔn)不相同，因此，其中還是存在很多的問(wèn)題亟待解決。而GPS高程測(cè)量技術(shù)在航道測(cè)繪中的運(yùn)用，省力、省時(shí)、不通視、效率高值得業(yè)界的大力推廣。

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