一、項(xiàng)目簡介

青島海灣大橋是我國目前國有獨(dú)資單一企業(yè)投資建設(shè)的最大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是我國北方冰凍海域首座特大型橋梁集群工程，全長41.58km，其中一期工程全長28.880km，二期工程12.7km。大橋橫穿青島膠州灣，每年有50天以上的大霧，常有風(fēng)大浪急的惡劣天氣，且同時(shí)展開的工作面多達(dá)上百個(gè)，如此密度的施工作業(yè)面在上述惡劣的條件下，常規(guī)測量手段存在極大的困難。為確保工程高質(zhì)量、高效率地順利完成，并避免施工測量事故的發(fā)生，經(jīng)論證工程采用了由首級平面及高程控制網(wǎng)、大橋GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)和高精度三維控制基準(zhǔn)及精密跨海高程傳遞三部分構(gòu)成的整體方案。青島海灣大橋GPS測量控制系統(tǒng)，是全國首例為大型橋梁施工提供測繪服務(wù)而建立的高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、多功能的綜合服務(wù)系統(tǒng)。

二、相關(guān)技術(shù)的綜合比較

由于GPS技術(shù)具有諸多優(yōu)越性，在國內(nèi)外的大型工程中都有應(yīng)用，但是高精度的似大地水準(zhǔn)面技術(shù)在大型橋梁施工中應(yīng)用，本工程尚屬首例。下面以國內(nèi)外大型工程為例進(jìn)行對比分析。

1、GPS相關(guān)技術(shù)背景材料

2.1、丹麥與瑞典之間的連接道路

丹麥和瑞典之間即將貫通一個(gè)16km的隧道。主體工程已于1995年夏天開始啟動，而GPS是這個(gè)工程最重要的測量工具。工程建設(shè)管理局建設(shè)了一個(gè)包括5個(gè)固定站，一個(gè)流動站和一個(gè)監(jiān)測/控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要提供實(shí)時(shí)平面測量，定位精度達(dá)到3cm，同時(shí)提供數(shù)據(jù)后處理服務(wù)。

2.2、香港青馬大橋

香港特區(qū)政府路政署決定使用GPS技術(shù)對三座大橋進(jìn)行全自動、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)高精度的變形監(jiān)測，系統(tǒng)已于2001年1月正式建成并投入運(yùn)行，該系統(tǒng)通過對橋梁位移和變形墩的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，為橋梁的管理和維護(hù)提供依據(jù)。

2.3、GPS在杭州灣大橋施工中的應(yīng)用

目前在杭州灣大橋施工區(qū)域，設(shè)置了三個(gè)參考站，分布于南北兩岸和海中B試樁平臺上，通過無線電臺每天24小時(shí)不間斷地向海上流動站發(fā)布差分信號，使海上流動站可以隨時(shí)進(jìn)行打樁、套箱安裝等工程施工的精密定位和竣工偏位測量。

2、高精度三維控制基準(zhǔn)及精密跨海高程傳遞研究

隨著現(xiàn)代大地測量技術(shù)的發(fā)展及其在相關(guān)地學(xué)(如地球物理學(xué)、海洋學(xué))中應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，大地水準(zhǔn)面的研究在大地測量學(xué)的發(fā)展中始終保持著重要地位，不斷提高其分辨率和準(zhǔn)確度以滿足應(yīng)用上的高要求，始終是大地測量學(xué)中一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，其近期目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)確定具有5′×5′的分米級進(jìn)而1′×1′的厘米級精度的大地水準(zhǔn)面，這一目標(biāo)在一些發(fā)達(dá)國家正在實(shí)現(xiàn)。

在常規(guī)大地測量中，大地水準(zhǔn)面高是將地面測量結(jié)果投影歸算到參考橢球面所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；大地水準(zhǔn)面是定義正高高程系統(tǒng)的基準(zhǔn)面，是大地測量學(xué)的垂直基準(zhǔn)面，又是確定參考橢球的一個(gè)約束面，由參考橢球面與大地水準(zhǔn)面的最佳擬合準(zhǔn)則可求定參考橢球的形狀、大小和定位參數(shù)，因此大地水準(zhǔn)面是定義和建立大地測量坐標(biāo)系起基準(zhǔn)作用的一個(gè)曲面。

本項(xiàng)目在青島海灣似大地水準(zhǔn)面計(jì)算中，采用了1364個(gè)點(diǎn)重力數(shù)據(jù)和15個(gè)高精度GPS水準(zhǔn)四期觀測資料，EIG04C地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了大地水準(zhǔn)面的計(jì)算。重力似大地水準(zhǔn)面與獨(dú)立的四期15個(gè)高精度GPS水準(zhǔn)資料比較的最優(yōu)精度為±0.004m。

重力數(shù)據(jù)分布圖

2′30″×2′30″重力似大地水準(zhǔn)面圖(米)

2′30″×2′30″重力似大地水準(zhǔn)面圖(米)

3、似大地水準(zhǔn)面精化相關(guān)技術(shù)

青島海灣大橋高精度三維空間測量控制系統(tǒng)利用連續(xù)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)，克服了國內(nèi)同類系統(tǒng)建設(shè)時(shí)精度隨距離變化的問題，利用光纜專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)與移動網(wǎng)的多種通信方式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)差分定位、單點(diǎn)定位和后處理高精度定位，利用自主開發(fā)的高精度數(shù)據(jù)自動處理及GPS水汽反演軟件，精確確定基準(zhǔn)站的位置和大氣壓力、溫度、濕度與水汽含量；具有通過WEB方式發(fā)布GPS原始定位數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息及水汽數(shù)據(jù)等功能。在特大型橋梁建設(shè)中，系統(tǒng)使用的定位方式、定位精度、通信手段和用戶使用的靈活性均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。與其他大橋GPS應(yīng)用系統(tǒng)比較的差別具體表現(xiàn)在：系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不同，數(shù)據(jù)處理技術(shù)不同，定位的方式不同。

青島海灣高精度局部似大地水準(zhǔn)面及高精度GPS網(wǎng)成果，是目前精度最高的似大地水準(zhǔn)面，不僅可以建立與國家大地測量坐標(biāo)相一致的精確的區(qū)域大地測量平面控制框架，而且結(jié)合高精度GPS大地高可以快速地獲取地面點(diǎn)的水準(zhǔn)高程，將極大地改善傳統(tǒng)高程測量作業(yè)模式，滿足長距離一等水準(zhǔn)測量的精度要求，從而使費(fèi)用高、難度大、周期長的傳統(tǒng)高精度水準(zhǔn)測量工作量減少到最低限度。似大地水準(zhǔn)面成果結(jié)合GPS測量可以滿足青島海灣大橋施工測量和工程建設(shè)對高程精度的需要。本工程首次將高精度的似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)應(yīng)用于大型橋梁施工中，具有特別重要的科學(xué)意義、社會效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

三、青島海灣大橋GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

青島海灣大橋測量控制系統(tǒng)采用目前先進(jìn)的全球衛(wèi)星定位技術(shù)，并兼顧其他測量技術(shù)和國內(nèi)外先進(jìn)的無線電通信技術(shù)，采用公共通訊網(wǎng)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管理，充分利用現(xiàn)有的資源和基礎(chǔ)設(shè)施，以提高經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)兼顧目前及今后的發(fā)展，滿足青島海灣大橋控制點(diǎn)的布設(shè)、施工測量、項(xiàng)目監(jiān)理、移動目標(biāo)導(dǎo)航、水下地形測量、地面沉降監(jiān)測、基準(zhǔn)點(diǎn)位移變化、氣象預(yù)報(bào)、大橋安全監(jiān)測等多方面的需求，也可以為青島市的規(guī)劃、建設(shè)、管理等各個(gè)單位提供高精度的三維空間坐標(biāo)信息。

3.1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)內(nèi)容為如下幾項(xiàng)：

1）建立由3個(gè)GPS衛(wèi)星連續(xù)跟蹤站組成的首級GPS區(qū)域網(wǎng)，該網(wǎng)與原有GPS控制網(wǎng)聯(lián)測構(gòu)成二等控制網(wǎng)，成為青島海灣地區(qū)高精度三維大地測量控制網(wǎng)，為大橋的建設(shè)管理提供高精度的GPS觀測數(shù)據(jù)，使后處理達(dá)到毫米級的定位精度。

控制網(wǎng)示意圖如下：

首級高程控制網(wǎng)布設(shè)如下圖所示。

2）利用連續(xù)跟蹤站組成的GPS區(qū)域網(wǎng)。連續(xù)發(fā)布偽距差分信號和載波相位差分信號，使實(shí)時(shí)用戶獲得不隨距離變化的差分信號。

3）利用該網(wǎng)中基準(zhǔn)站長期觀測的數(shù)據(jù)，積累大橋地區(qū)地殼形變資料，為大橋地區(qū)形變監(jiān)測、沉降監(jiān)測提供實(shí)測數(shù)據(jù)。

4）該網(wǎng)將形成覆蓋大橋區(qū)域的GPS氣象服務(wù)網(wǎng)，提供高精度、高時(shí)空分辨率、全天候、近實(shí)時(shí)的水汽變化參數(shù)，并由此形成一個(gè)大橋區(qū)域的突發(fā)性、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)新系統(tǒng)。

5）與現(xiàn)有的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，精化大地水準(zhǔn)面，滿足了大橋建設(shè)對高程精度的需要。

6）將定位數(shù)據(jù)作為一種寶貴的資源加以開發(fā)、共享，滿足青島海灣大橋與青島市的其他社會需求。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

覆蓋范圍：大橋所有作業(yè)區(qū)域和管理區(qū)域，并對青島、黃島等臨接城區(qū)進(jìn)行有效覆蓋。

精度：后處理精密定位精度，水平方向≤3mm，垂直方向≤6mm；RTK實(shí)時(shí)定位：水平方向≤2cm，垂直方向≤3cm。

可用性：靜態(tài)，一年內(nèi)可用性95%；動態(tài)，一年內(nèi)可用性95%。

完好性：報(bào)警時(shí)間＜6s；誤報(bào)概率＜0.3%。

青島海灣大橋測量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)原理

青島海灣大橋測量控制系統(tǒng)由GPS基準(zhǔn)站、有線、無線通信網(wǎng)、GPS用戶和數(shù)據(jù)中心幾個(gè)部分組成。

GPS基準(zhǔn)站：建設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)站，采集原始觀測數(shù)據(jù)，組成覆蓋大橋區(qū)域差分網(wǎng)絡(luò)。輸出的原始數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送至中心站進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)：GPRS無線DDN通信系統(tǒng)為行業(yè)用戶提供永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用專網(wǎng)將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心：GPS監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、VRS工作站、原始數(shù)據(jù)自動處理工作站和監(jiān)控工作站組成。其主要功能是接收基準(zhǔn)站的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成差分信息并發(fā)布。同時(shí)對原始數(shù)據(jù)的分析和存儲，對基準(zhǔn)站進(jìn)行控制和監(jiān)視。

GPS用戶部分：GPS用戶包括實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶。實(shí)時(shí)用戶通過無線方式接收GPS差分信息進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)時(shí)定位解算可以達(dá)到厘米級的定位精度。對高精度監(jiān)測的用戶，可以利用快速靜態(tài)和靜態(tài)測量模式，下載基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，定位精度達(dá)到毫米級。

整個(gè)系統(tǒng)的組成如下圖：

3.4 基準(zhǔn)站組成和建設(shè)

連續(xù)跟蹤站選址充分考慮安全、供電、通信、交通等多種因素，為便于管理、維護(hù)和解決通信問題，連續(xù)跟蹤站選在大橋附屬設(shè)施附近。為了增加基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性，基準(zhǔn)站應(yīng)建設(shè)在基巖上，周圍無高大遮擋物，無微波輻射和強(qiáng)電場干擾及落雷區(qū)；根據(jù)以上要求，選擇青銀路、紅島、紅石崖三個(gè)收費(fèi)站作為基準(zhǔn)站的建設(shè)地點(diǎn)，并對建站地點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行了測試，符合建設(shè)要求。基準(zhǔn)站設(shè)備主要由GPS接收機(jī)、工控機(jī)、氣象儀和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)如下：

數(shù)據(jù)中心主要功能有如下幾項(xiàng)：

1）自動處理服務(wù)器安裝原始數(shù)據(jù)自動處理軟件，自動處理基準(zhǔn)站的原始數(shù)據(jù)，及時(shí)修訂基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。自動化后處理軟件是基于高精度數(shù)據(jù)處理軟件，編制自動下載、處理、存儲、顯示、報(bào)警的綜合處理系統(tǒng)，此系統(tǒng)自動化程度高，功能齊全，大大增強(qiáng)了海量數(shù)據(jù)的處理能力，減少人工投入，降低技術(shù)門檻。整個(gè)系統(tǒng)分為原始數(shù)據(jù)采集存儲、自動處理、Web顯示等組成部分，其中自動處理又包括IGS自動數(shù)據(jù)下載、觀測數(shù)據(jù)自動獲取、原始數(shù)據(jù)自動處理、結(jié)果數(shù)據(jù)自動存儲和錯(cuò)誤信息自動報(bào)警等功能；生成基準(zhǔn)站位移圖和水汽反演圖。

2）監(jiān)控工作站實(shí)時(shí)監(jiān)控基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)的工作狀況，設(shè)置GPS接收機(jī)，同時(shí)監(jiān)控用戶接收機(jī)的定位結(jié)果，也可以通過視頻方式對基準(zhǔn)站進(jìn)行監(jiān)控。

3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器具有管理、備份原始數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、提供基準(zhǔn)站坐標(biāo)數(shù)據(jù)等功能。

4）訪問服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)用戶的撥號接入。

5）VRS服務(wù)器負(fù)責(zé)接收原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)處理，生成差分信號及管理用戶的撥入。

基準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)圖

四、創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目成果主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：

1、創(chuàng)新性的將現(xiàn)代測繪技術(shù)、信息技術(shù)有機(jī)集成，綜合應(yīng)用于大橋的施工建設(shè)和檢測中；

2、創(chuàng)新性的將高精度似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)應(yīng)用于跨海高程傳遞，對大型橋梁建設(shè)中測量控制系統(tǒng)的建立具有重要的示范和推廣價(jià)值；

3、區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化方法使精密跨海高程傳遞精度達(dá)到±5mm。

五、總結(jié)

青島海灣大橋測量控制系統(tǒng)的完成，不僅解決了平面測量問題，同時(shí)解決了高精度高程測量問題，實(shí)現(xiàn)大橋施工中的三維一體化測量。項(xiàng)目成果實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性利用廉價(jià)高效的衛(wèi)星定位，取代高價(jià)低效的水準(zhǔn)測量，直接測定海拔高的目標(biāo)；突破了長期困擾測繪行業(yè)的高程測量技術(shù)上的瓶頸問題；引領(lǐng)了我國高程測量模式的革命性轉(zhuǎn)變和向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化；為我國全面實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維衛(wèi)星導(dǎo)航定位，奠定了經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

在大橋覆蓋的區(qū)域，系統(tǒng)可為測量用戶提供基準(zhǔn)站的相位數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)RTK的方式進(jìn)行厘米級高精度實(shí)時(shí)定位服務(wù)，結(jié)合高精度似大地水準(zhǔn)面成果，用戶只需一臺接收機(jī)，幾秒鐘即可完成一點(diǎn)的三維定位工作，既迅速又方便，并且由于GPS測量直接對應(yīng)于測點(diǎn)的位置坐標(biāo)，精度高且均勻，極大的提高了工作效率。

青島海灣大橋測量控制系統(tǒng)兼顧目前及今后的發(fā)展，將滿足青島海灣大橋控制點(diǎn)布設(shè)、施工測量、項(xiàng)目監(jiān)理、移動目標(biāo)導(dǎo)航、水下地形測量、地面沉降監(jiān)測、基準(zhǔn)點(diǎn)位移變化、氣象預(yù)報(bào)、大橋安全監(jiān)測等各種測量要求。

高精度局部似大地水準(zhǔn)面及高精度GPS網(wǎng)成果，不僅可以建立與國家大地測量坐標(biāo)相一致的精確的區(qū)域大地測量平面控制框架，而且結(jié)合高精度GPS大地高可以快速地獲取地面點(diǎn)的水準(zhǔn)高程，將極大地改善大型橋梁施工過程中傳統(tǒng)高程測量作業(yè)模式，滿足長距離一等水準(zhǔn)測量的精度要求，從而使費(fèi)用高、難度大、周期長的傳統(tǒng)高精度水準(zhǔn)測量工作量減少到最低限度，極大地提高了工作效率。似大地水準(zhǔn)面成果結(jié)合GPS測量可以滿足青島海灣大橋施工測量和工程建設(shè)對高程精度的需要，具有特別重要的科學(xué)意義、社會效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。