代勛

摘要：文章基于GPS技術(shù)定位原理，分析了航道測(cè)繪中使用GPS技術(shù)的工作流程，并研究了采用GPS航道測(cè)繪技術(shù)對(duì)河岸雙側(cè)和水下地形進(jìn)行測(cè)量的方法與效果。關(guān)鍵詞：航道測(cè)繪;GPS;測(cè)繪技術(shù);河岸雙側(cè);水下地形

中圖分類號(hào)：U612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.046

文章編號(hào)：1673-4874（2019）08-0168-03

0引言

GPS定位技術(shù)主要是利用衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確計(jì)算所測(cè)物體的二維或三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的快速定位。該定位系統(tǒng)的主要功能主要是：精確定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、授時(shí)，這三個(gè)作用是其應(yīng)用于航道測(cè)繪的關(guān)鍵，其無論在商業(yè)領(lǐng)域還是民生領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其中航道測(cè)繪是本文探討的重點(diǎn)，接下來本文從以下幾個(gè)部分展開討論。

1GPS定位原理

全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱即為GPS，它是一種利用發(fā)射到太空的衛(wèi)星對(duì)所覆蓋的物體進(jìn)行多角度多維數(shù)空間位置測(cè)量進(jìn)而對(duì)物體定位的一種測(cè)繪技術(shù)。這種技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。全球定位系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地面控制臺(tái)和用戶端三個(gè)部分組成，這三個(gè)部分是實(shí)現(xiàn)全球定位系統(tǒng)定位功能的關(guān)鍵。利用GPS技術(shù)可極大改善導(dǎo)航體系的實(shí)用功能，能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)物體的精確定位，實(shí)時(shí)測(cè)得其三維動(dòng)靜態(tài)空間坐標(biāo)。全球定位系統(tǒng)計(jì)算物體空間位置的數(shù)學(xué)原理為：（1）將衛(wèi)星的當(dāng)前位置作為初始已知坐標(biāo)，當(dāng)不考慮不同位置衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的時(shí)差時(shí)，所測(cè)位置同時(shí)接收三個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的位置信息;（2）根據(jù)不同衛(wèi)星與接收器的距離D1（i=1、2、3）以及三顆衛(wèi)星的當(dāng)前空間坐標(biāo)（x;，y;，z;）（i=1、2、3），可使用數(shù)學(xué)工具列出三組方程，進(jìn)而可以求解被測(cè)物體的空間位置。但是在實(shí)際運(yùn)用，為了達(dá)到測(cè)量精度的要求，時(shí)差是不可忽略的，因此所測(cè)量的量中就多了一個(gè)未知量，即時(shí)差，這就產(chǎn)生了4個(gè)未知量。根據(jù)數(shù)學(xué)方程組相關(guān)的知識(shí)，求解4個(gè)未知量至少需知道4個(gè)方程，因此共需要四顆衛(wèi)星的定位坐標(biāo)，進(jìn)而通過4組方程求解被測(cè)物體的空間位置信息，如圖1所示。

2航道測(cè)繪：GPS的使用

2.1構(gòu)建GPS控制框架

在航道測(cè)繪中，運(yùn)用GPS測(cè)量技術(shù)首先需要構(gòu)建具有功能完善，系統(tǒng)穩(wěn)定的GPS控制網(wǎng)絡(luò)框架，并利用該控制框架精確指導(dǎo)航道設(shè)計(jì)與施工，為改善工作效率、提高工作質(zhì)量、降低框架構(gòu)建成本、便捷管理與后期維護(hù)工作提供良好的服務(wù)。

2.2控制框架網(wǎng)絡(luò)的基本組建原則

在航道測(cè)量技術(shù)中，應(yīng)用GPS的首要工作是需要組建一個(gè)具有可行性高、便捷性好的航道控制框架網(wǎng)絡(luò)，然后利用該網(wǎng)絡(luò)對(duì)航道測(cè)繪進(jìn)行實(shí)時(shí)管理控制，并可監(jiān)測(cè)與查詢所測(cè)物體的空間位置或空間坐標(biāo)。一般而言，航道控制框架網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建原則包括：

（1）在航道測(cè)繪網(wǎng)絡(luò)框架組建之前需要合理地考慮地形的狀態(tài)和測(cè)量的需要，合理布置GPS控制點(diǎn)的分布模式，使其盡量呈均勻分布。另外為了使其效率最大化和節(jié)約成本，控制點(diǎn)的密度也需要控制在合理的范圍內(nèi)。一般而言，距離盡量控制在5～10m之間。

（2）在布置網(wǎng)點(diǎn)的過程中，如果遇到某些較為重要的區(qū)域，比如橋梁雙側(cè)、河段起點(diǎn)與終點(diǎn)等，需要進(jìn)行必要的網(wǎng)點(diǎn)加密，以免在這些關(guān)鍵區(qū)域由于網(wǎng)點(diǎn)過于稀疏而影響控制框架網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

（3）在控制網(wǎng)絡(luò)框架組建時(shí)，需要格外注意某些信號(hào)干擾源，在這些干擾源的附近不宜設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)，如信號(hào)反射場(chǎng)（源）或高壓電線附近，障礙物附近也應(yīng)避免設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)。此外，還應(yīng)注意的是，控制框架網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的設(shè)置需要以仰角的狀態(tài)布置，一般情況下最佳仰角為15°。

2.3獲取數(shù)據(jù)

首先應(yīng)該明確，這里所謂的數(shù)據(jù)收集主要是指與航道測(cè)繪有關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)。航道測(cè)繪的關(guān)鍵成果之一就是測(cè)繪數(shù)據(jù)，這是航道測(cè)繪中較為關(guān)鍵一個(gè)工作，需要相關(guān)工作人員盡職盡責(zé)的完成任務(wù)以確保測(cè)繪質(zhì)量。在這里需要采集的數(shù)據(jù)主要包括測(cè)繪系統(tǒng)的控制框架布設(shè)方法、項(xiàng)目要求的測(cè)量精度和信息接收終端的數(shù)量等。這些數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果都有非常大的影響，因?yàn)橹挥幸揽可鲜鰷y(cè)量數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)GPS在航道測(cè)繪中的應(yīng)用。

2.4數(shù)據(jù)處理

在完成2.3節(jié)中測(cè)繪數(shù)據(jù)測(cè)量之后，需要對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行程序化處理。處理數(shù)據(jù)的主要工作是對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析等工作，并根據(jù)處理結(jié)果獲得需要的航道測(cè)繪信息。通常，GPS航道測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)處理包括：計(jì)算基線向量、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和GPS網(wǎng)平差的計(jì)算等。精確的計(jì)算對(duì)于航道測(cè)繪有著同等重要的影響，所以這對(duì)相關(guān)工作人員的自身專業(yè)素養(yǎng)也有嚴(yán)格的要求。

2.4.1求解基線向量

在航道的測(cè)繪過程中，通常計(jì)算基線向量的方法為雙差相位法和多時(shí)段自處理法。在計(jì)算基線向量時(shí)，取合適的衛(wèi)星高度作為初始計(jì)算高度，按照相應(yīng)的計(jì)算方法要求和規(guī)定的精度計(jì)算基線向量，然后對(duì)計(jì)算誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，最后核算所得的結(jié)果是否合理。值得注意的是，如果計(jì)算的結(jié)果含有所謂的超越基線向量，需要將此類向量去除，以確?；€向量控制在正確合理的范圍內(nèi)。

2.4.2檢測(cè)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量

在GPS航道測(cè)繪收集數(shù)據(jù)結(jié)束后，需要確保在外作業(yè)獲得數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，檢測(cè)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量一般使用相關(guān)的質(zhì)量檢測(cè)法。對(duì)于質(zhì)量要求的高低一般取決于航道測(cè)繪所需的精度。而質(zhì)量檢測(cè)一般的評(píng)價(jià)依據(jù)是觀測(cè)站的大氣狀況、衛(wèi)星的工作狀況及信號(hào)接收終端的工作狀況等。為了排除質(zhì)量隱患，切實(shí)保證外業(yè)工作質(zhì)量，提高作業(yè)效率，質(zhì)量檢測(cè)工作是必不可少的。

2.4.3網(wǎng)平差

獲得GPS網(wǎng)平差一般的方法是三維無約束GPS網(wǎng)平差。這種網(wǎng)平差一般是在WG-284坐標(biāo)下進(jìn)行分析的，可使用相關(guān)軟件在該坐標(biāo)系下選取一個(gè)點(diǎn)作為計(jì)算起始點(diǎn)，其目的是在滿足精度要求的前提下，獲得被測(cè)物的三維坐標(biāo)。

3GPS航測(cè)技術(shù)對(duì)河岸雙側(cè)和水下地形的測(cè)量

3.1河岸雙側(cè)地形測(cè)量

當(dāng)GPS航道測(cè)繪框架網(wǎng)絡(luò)組建完成后，利用該測(cè)繪網(wǎng)絡(luò)可測(cè)量河岸雙側(cè)的地形地貌。采集數(shù)據(jù)后，可獲得相關(guān)的地形數(shù)據(jù)信息如測(cè)繪區(qū)域測(cè)繪點(diǎn)的空間坐標(biāo)等?？梢允褂脤?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的GPS測(cè)繪技術(shù)對(duì)岸邊進(jìn)行測(cè)量，該技術(shù)的測(cè)量精度較高，適用性較好，可快速繪制岸邊地形概況。通常使用GPS-RTK技術(shù)開展此類工作。RTK技術(shù)也稱為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，這種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)主要基于載波相位觀測(cè)值，可以較為快速地獲得所需的地形測(cè)量數(shù)據(jù)。應(yīng)用RTK技術(shù)對(duì)岸邊地形測(cè)量的基本方法為：（1）在GPS控制網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi)的某個(gè)測(cè)繪控制點(diǎn)上安裝基準(zhǔn)架，之后打開信號(hào)接收終端，衛(wèi)星傳輸?shù)男吞?hào)由信號(hào)接收終端負(fù)責(zé)，與此同時(shí)內(nèi)流動(dòng)站需向觀測(cè)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的載波。（2）通過信號(hào)接收終端獲得相應(yīng)的相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值，在流動(dòng)站接收終端在初始化后，會(huì)連續(xù)獲得信號(hào)發(fā)射站的數(shù)據(jù)信息和載波相位數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理程序求解載波相位相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。（3）根據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的關(guān)聯(lián)性獲得流動(dòng)站的空間三維坐標(biāo)和相應(yīng)高程。另外關(guān)于RTK技術(shù)測(cè)量高程的可靠性問題需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，由該技術(shù)測(cè)量的水位高程需要通過與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來判斷該其可靠性，這樣可確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。通?？墒褂脧乃脭?shù)據(jù)中提取水位高程信息繪制水位曲線的方法，然后根據(jù)所得曲線的光滑與否來判斷個(gè)別誤差點(diǎn)，并通過去除這些點(diǎn)補(bǔ)齊光滑曲線的方法進(jìn)行修正。

3.2水下地形測(cè)繪

通常，岸邊地形測(cè)繪與水下地形測(cè)繪是分開進(jìn)行的，在完成各自的測(cè)繪工作后再通過相關(guān)的測(cè)繪軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，進(jìn)而獲得航道測(cè)繪結(jié)果。對(duì)于水下地形的測(cè)繪采用RTK技術(shù)與測(cè)深儀相結(jié)合的方法。測(cè)深儀的工作原理是：測(cè)深儀的換能器在水中發(fā)射聲波，聲波遇到水下障礙物后會(huì)發(fā)生反射，然后由測(cè)深儀的聲波接收器接收，根據(jù)聲波發(fā)射與返回的時(shí)間差計(jì)算聲波傳播的距離進(jìn)而確定測(cè)量深度。與岸邊地形測(cè)繪類似，需要先在控制網(wǎng)絡(luò)框架的控制點(diǎn)上設(shè)置相應(yīng)的基準(zhǔn)站，再布設(shè)靜態(tài)控制網(wǎng)點(diǎn)，以它們的初始坐標(biāo)作為計(jì)算初始值，然后發(fā)射載波相位信號(hào)，將流動(dòng)站安裝在船上，同步測(cè)量深度并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備處理使用，最后使用測(cè)繪相關(guān)的軟件將所測(cè)數(shù)據(jù)如水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)等合并繪圖。

4結(jié)語

由以上分析可知，GPS航道測(cè)繪技術(shù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位測(cè)測(cè)繪可有效地確保航道測(cè)繪的效率和質(zhì)量，降低成本，促進(jìn)航道測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。本文著重分析了航道測(cè)繪中使用GPS技術(shù)的基本原理和工作流程。分析表明：GPS航道測(cè)繪技術(shù)可有效地提高測(cè)繪精度和測(cè)繪速度，能夠達(dá)到快速檢測(cè)、快速繪制岸邊、水下地形圖的目的。此外該技術(shù)還有實(shí)時(shí)性、可動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。希望該技術(shù)能被相關(guān)專業(yè)人員推廣使用。