試論GPS技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用

陳猛棠

摘 要 作為一項全天候、高精準(zhǔn)度的定位系統(tǒng)，GPS具備十分顯著的優(yōu)勢特征，比如費用低、定位速度快、操作方式簡便等等。因此其不僅在測量工作中有著廣泛應(yīng)用，同時在導(dǎo)航學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域中也有著明顯發(fā)展?；诖耍疚木蛯⑨槍PS的組成和特點作為研究基礎(chǔ)，進一步分析GPS技術(shù)在航道測量工作中的應(yīng)用情況，希望對測量行業(yè)發(fā)展提供一定幫助作用。

關(guān)鍵詞 GPS技術(shù);航道測量;應(yīng)用

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

1航道測量基礎(chǔ)作用和基本方式

航道測量在航道維護和管理過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]。航道測量其他測量作業(yè)具備許多相同的原則要求，但是和其他測量工作性質(zhì)不同，就具體測量內(nèi)容而言，航道測量和一般測量方式相同點雖然都需要在作業(yè)中對地形地貌情況進行測量，但是航道測量工作還主要需要對水下的礙航淺礁等三維坐標(biāo)進行測量乃至包括流速流態(tài)流向等水文情況進行測量。可見航道的測量對于航道建設(shè)和維護都有著不可忽視的基礎(chǔ)性作用。

而GPS在對航道進行測量的過程中，主要工作原理就是用戶的GPS移動站接收機通過接收GPS衛(wèi)星發(fā)播的無線電定位信號，以及接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分解算數(shù)據(jù)，使移動站可以在最短時間內(nèi)獲得定位固定解、從而得出精確的亞米級或厘米級三維坐標(biāo)成果，并且通過配合聲波測深儀對同步定位的位置測深記錄。在對測量位置進行定位的過程中，主要原理就是借助測距交會原理對點位進行明確;對測量位置進行測深的過程中，就是通過對水下發(fā)射聲波往返記錄計算，獲得所在位置瞬時水深。所以在進行航道測量中，通過GPS定位技術(shù)進行平面坐標(biāo)定位或厘米級精度的RTK實時動態(tài)定位以采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)：平面x、y坐標(biāo)加上實時水位高程z，同時測深儀器通過單波束或多波束在水中的反射波來準(zhǔn)確掌握坐標(biāo)位置的水深情況h，實時水面高程z減去實時水深h即為實時水下巖面高程。因此測深中任意一點的記錄實際上都是三個參數(shù)：x、y、（z-h）。

2GPS技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用

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

2.1 GPS控制網(wǎng)測量

在對GPS控制網(wǎng)進行網(wǎng)形設(shè)計的過程中，首先需要根據(jù)測量任務(wù)要求對GPS網(wǎng)的精度和密度等問題進行明確，從而和規(guī)范要求進行有效融合，之后更有效的對不同點之間的連接方法進行優(yōu)化。平面控制網(wǎng)的建立采用GPS靜態(tài)測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《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定可代替四等水準(zhǔn)測量，但《工程測量規(guī)范》（GB5006-2007）和其他行業(yè)測量規(guī)范則規(guī)定代替五等水準(zhǔn)測量，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)因為大地水準(zhǔn)面起伏大，應(yīng)適當(dāng)增加水準(zhǔn)重合點進行觀測，用GPS測定大地高和水準(zhǔn)測定正常高計算出高程異常，采用數(shù)字?jǐn)M合確定該區(qū)域中其他點的高程異常，采用的已知水準(zhǔn)點越多，擬合精度越高[2]。在將所布設(shè)網(wǎng)點采集的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，若帶狀區(qū)域慎用曲面擬合，如重合點數(shù)達到三或是三以上，借助布爾薩七參數(shù)法進行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)據(jù)。在對航道進行測量的過程中，由于河道狹窄道路彎曲性較為明顯，所以很容易造成對控制網(wǎng)布設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響，在對控制網(wǎng)進行建立的過程中，要注意避免長短邊問題，如網(wǎng)形角度設(shè)計注意要大于30?，從而將網(wǎng)形布設(shè)方整，避免最短邊建網(wǎng)問題的出現(xiàn)等。

2.2 岸上地形測量

地形測量分為水上和水下兩部分，無論水上水下，本質(zhì)上都是主要進行地形的三維坐標(biāo)采集記錄處理，所以在通過如上控制網(wǎng)的有效設(shè)計和測算，GPS校核控制點得出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)后，就可以根據(jù)測繪區(qū)域計劃，根據(jù)相關(guān)測量規(guī)范和要求進行GPS碎步測量，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)進行河道野外測量時，要注意盡量避開樹林、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信號受干擾定位不精確，這時就要用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀全站儀等測量工具作補充。

2.3 水下地形測量

在對水下地形進行測量的過程中，需要在臨近控制網(wǎng)的區(qū)域?qū)Φ匦问y站點進行選擇，架設(shè)好基準(zhǔn)站好，利用已知點對GPS流動接收機進行檢驗校核，再和超聲波回聲探測儀進行連裝，利用打水板等對測深儀所測水深讀數(shù)進行校驗改正，使各項誤差符合《水運工程測量規(guī)范》等規(guī)定的允許誤差值之內(nèi)。這樣通過對流動接收機以及測深儀的設(shè)置校核，再有效根據(jù)河道斷面變化情況、流速大小等情況進行布計劃線施測。在進行測量的過程中，注意船速的控制和所采集數(shù)據(jù)的精確度比如因為水泡、水草以及淤泥等造成的假水深問題，以及補測因為信號問題而缺失記錄等情況。由于水下地形施測往往會受到較為顯著的經(jīng)濟影響，所以在對方案進行選擇的過程中也要選擇一些簡便的方案，比如在較淺難測區(qū)域用探桿等潛代測深儀?；诮?jīng)濟性、便捷性、準(zhǔn)確性綜合因素來說，目前GPS水下地形測量已經(jīng)成為國內(nèi)主要采用的定位測探技術(shù)。

3GPS技術(shù)的局限性和改進

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)境對于GPS技術(shù)的使用和精準(zhǔn)度也會產(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木都可能對GPS接受準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，基站與移動站之間的差分信號傳輸也受影響，所以在實際測量過程中需要盡量避開這類障礙物。在接收衛(wèi)星信號困難地區(qū)，往往只能借助全站儀和水準(zhǔn)儀實現(xiàn)對附近測量任務(wù)的開展。當(dāng)然在當(dāng)前GPS技術(shù)不斷發(fā)展和進步的過程中，上述因素對于測量工作的影響也明顯降低，比如當(dāng)前國內(nèi)主流的GPS接收機日趨融合接收俄羅斯衛(wèi)星GLONASS信號、中國北斗BDS（且預(yù)留對歐洲GALILEO信號的升級接收），我們在瀾滄江的工程實踐中證明，隨著衛(wèi)星的增多、加上配合中繼電臺等新技術(shù)采用，GPS的衛(wèi)星信號跟蹤及數(shù)據(jù)鏈傳輸性能在信號困難地區(qū)由此獲得顯著改善。

4結(jié)束語

綜上所述，測繪任務(wù)的發(fā)展受到航道測量技術(shù)的影響較大，通過對多次航道測量數(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，在對軟件進行基線求解或是測繪軟件過程中，相比傳統(tǒng)導(dǎo)線測量手段，可以實現(xiàn)更有效的幫助作用，達到事半功倍的效果。此外，在測繪技術(shù)不斷發(fā)展和進步過程中，航道的測量發(fā)展也會得到明顯進步，并在工作中形成簡便和高效的工作優(yōu)勢，這對于航道測量的發(fā)展而言必然是十分顯著和積極的。所以，GPS定位技術(shù)和測深技術(shù)因其經(jīng)濟性、便捷性和達到相當(dāng)?shù)木_性，加上智能化自動化趨勢，也將成為今后我國航道工程測量中最重要的發(fā)展方向。

參考文獻

[1] 李發(fā)忠.GPS技術(shù)在航道測量工程中的應(yīng)用[J].交通世界（運輸.車輛），2013，26（11）：126-127.

[2] 馬遷，朱繼文.GPS 水準(zhǔn)高程擬合精度分析[J].煤炭技術(shù)，2001，28 （01）：150-152.