海域使用管理 GNSS基準框架集成技術研究

周 立,董春來,謝宏全,蔣廷臣,史建青

(淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港 222001)

海域使用管理 GNSS基準框架集成技術研究

周 立,董春來,謝宏全,蔣廷臣,史建青

(淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港 222001)

針對海域使用動態監測與管理,討論海域使用動態監測的特點。分析綜合運用創新的并行動態二級 GNSS布網空間框架結構體系。建立連云港首級并行動態 GPS控制網系統和專業服務海域使用動態監測 E級 GPS工作基點網的模型。

GPS;海域使用動態監測;測量控制網;連續運行參考站網

海域開發利用不同于陸地上的生產活動,它們均發生在海域和海岸附近地區,位置相對偏僻,交通不便,周圍也少有明顯的界線或標識物,海域使用的詳細情況不易被及時掌握。海洋行政主管部門如不及時采取有效手段,極易造成海域使用現狀不清、動態不明的局面,從而使海域使用法制化管理失去客觀基礎,海域使用科學化管理也無從談起。建立海域使用動態監測系統是及時掌握轄區內海域使用現狀的有效途徑,也是《海域使用管理法》的具體要求,因此,急需建立海域使用動態監測空間基準框架。

一、海域使用動態監測特點

海域使用動態監測與管理是一項技術性、科學性很強的業務工作。開展海域使用動態監測與管理,需要進行海域測量,在海域及其海岸帶進行的與位置和方向有關的測繪活動 (海圖測繪、海籍界址點測量)都必須在某一空間參考坐標系內進行。因此,建立海域使用動態監測控制網系統是測繪的依據,海域使用動態監測的地理空間框架和監測控制網系統等空間基礎設施建設勢在必行。

海域使用動態監測設計主要考慮五方面因素：

1)海域使用動態監測控制網系統的性能特征,即海域使用動態監測必須具備統一性、時效性、持續性和全面性。

2)海域使用動態監測工作的性質,即海域使用動態監測測量與管理是一項技術性和社會性相結合的工作,它不但要求用一些有效的技術手段獲取海域使用的位置、面積等信息,還要求采用人工調訪等形式掌握用海人、海域權屬、經營方式、用海收益等社會信息,監測測量須同步采集時空及屬性信息。

3)現階段開展海域使用動態監測的實際條件,海域使用動態監測既有精度指標,又有時效要求。具有海域使用管理職能的基層政府是縣級人民政府,但縣級人民政府中的海洋管理部門開展海域使用動態監測的技術條件薄弱,基本沒有足夠的維護與管理測量控制網系統的能力,也不可能完成較復雜的衛星定位數據處理等工作。只能用服務型的測量控制網系統,因此須選擇一種提供完全、及時的,可自檢了解沿海現場空間位置情況的服務型測量控制網系統。

4)利用網絡 RTK等專業 GPS測量技術,其具有觀測范圍廣、精度高、時效性強、可靠性高等優點,但目前設備成本很高、可操作性不強,只能用于一定時期的海域使用調查,對大多數地區不適宜用于海域使用動態監測。適合動態監測模式的設備如基于 PDA的手持 GPS定位系統簡單易行、監測成本低、也就凝縮成本項目研究的獨特技術思路。

5)利用連續運行參考站技術,在一定地區根據需求按一定距離建立長年連續運行的一個或若干個固定的 GPS參考站,利用計算機、數據通信和互聯網技術將各個參考站與數據中心組成網絡,由數據中心從參考站采集數據,利用參考站網軟件進行處理,然后向不同用戶自動地發布不同類型的 GPS原始數據、RTK改正數據等。用戶只需一臺 GPS接收機進行野外作業,即可進行毫米級、厘米級、分米級、米級的準實時、實時的快速定位、事后定位或導航定位。由這些基準站構成的 GPS網可以實現系統的數據在網內共享,對海域使用動態監測可根據不同需求采用實時 RTK服務或事后定位服務。具有全天候、全自動、實時導航定位等優點。因此,在當前海域使用動態監測控制網點難以維護,監測范圍廣、控制點密度難以滿足需求的特殊作業環境的情況下,建立 GPS連續運行參考站網代替分散的、短期的、靜態的定位測量控制網有其獨到的技術優勢,必將成為現代海域使用動態監測控制網系統發展的一種趨勢。

二、海域使用動態監測控制網的系統結構

根據連云港海域使用動態監測的特點和性質,確立了“科學規劃、統一基準、分級布網、實時可靠、專業服務”的海域使用動態監測控制網系統構建的基本原則：

1)科學規劃指為本地區海域使用動態監測管理空間基準框架建設提供中長期科學規劃。以構建數字海洋為目標,逐步形成基于全球衛星定位系統的現代化海域使用動態監測控制網系統。

2)統一基準指根據建設數字中國空間數據基準框架的標準,將對現有的國家平面控制網和國家高精度衛星定位控制網進行聯測,形成新的覆蓋本地區全部海域的國家統一動態三維地心大地坐標系統和 1985國家高程基準。建立WGS-84大地坐標系與 1954北京坐標系和 1980西安坐標系以及CGCS 2000國家大地坐標系統的轉換關系。

3)分級布網指為經濟、高效、精確地開展海域使用動態監測提供測量控制保證,構建并行動態二級布網新模式。首級海域使用動態監測控制網系統基于并行服務的國家級控制網與 GNSS連續運行參考站網;二級海域使用動態監測控制網系統基于并行服務的國家沿海無線電指向標-差分全球定位系統(RBN/DGPS)與專業服務海域使用動態監測 E級工作基點網。

4)實時可靠指確保海域使用動態監測空間基準框架實時、安全、精確、可靠運行,提供實時可靠的高精度互操作信息采集途徑。

5)專業服務指構建連云港海域使用動態監測GPS連續運行參考站網系統,構建業務化測量控制網系統技術服務平臺。提供 E級 GPS工作基點網實時檢校與維護更新服務。

研究的總體思路是以構建現代化的空間數據基準框架——以衛星大地坐標系統為起點,綜合運用創新的并行動態二級布網空間框架結構體系,建設海域使用動態監測 GPS連續運行參考站網,創建新的 GPS連續運行參考站網平臺業務運行模式。通過聯測國家平面控制網和國家高精度衛星定位控制網布設 E級 GPS工作基點網,提供對并行的國家沿海RBN/DGPS的校驗服務。采用 GPS連續運行參考站網主輔站網絡 RTK技術對 E級 GPS工作基點網進行實時檢校與維護更新服務。并行動態二級布網新模式如圖 1所示。

圖 1 并行動態二級布網空間框架結構體系

將現代 GNSS技術綜合運用于并行動態二級布網空間框架,與現有技術資源相結合,實現以地面調查監測手段為主進行海域使用動態監視的總體構想。利用 GNSS綜合技術,可以快速、準確、可靠、全面地發現用海項目的空間分布特征及其動態變化。通過 PDA監測調查系統,可以同步獲知用海項目的各種社會、經濟屬性。海域使用動態監測控制網系統則為用海項目空間特征信息采集和屬性信息整合、管理和應用提供了高效檢測平臺。

三、首級海域使用動態監測控制網新構架

海域使用動態監測與管理控制網系統總體結構方案分首級控制系統和次級控制系統,同級系統采用了相互獨立的并行子系統,上下級之間有機整合。每一層次的海域使用動態監測與管理控制網系統總體上由分布在沿海地區的高密度地面控制網點及 GNSS參考網站并行提供服務,大大提高了海域使用動態監測的保障能力。

首級控制網系統布設總體技術方案利用WGS-84坐標系基準下的江蘇省 C級 GPS控制網沿海部分 6個控制點作為首級控制點。同時,選擇柘枉、墟溝、燕尾港、新浦建立 GPS連續運行參考站點,構網聯測形成首級并行動態控制網系統,如圖 2所示。

圖2 連云港首級 GPS控制網系統

GPS連續運行參考站點網系統利用淮海工學院GPS連續運行參考站網新浦 CORS數據中心,選擇柘枉、墟溝、燕尾港建立海域使用動態監測 GPS連續運行參考站點,構網形成首級并行動態 GPS連續運行參考站點控制網系統(如圖 3所示),覆蓋連云港海域4 000 km2。配以完善的監控功能,保證各部分 24 h內不間斷連續運行。

圖3 GPS連續運行參考站點控制網系統

連云港市的海域使用動態監測工作是在現代信息技術支持下由市、縣 (區)、鄉 (鎮)三級政府的相關部門協同完成的。市級海洋管理部門具備開展海域使用動態監測的管理與技術條件,可直接使用 GPS連續運行參考站發布實時DGPS、網絡 RTK數據服務,對二級控制網系統進行維護與更新,對海域使用動態監測對象進行實時高精度測量定位;縣級海洋管理部門有能力對海域使用動態信息進行整理、分析,依據二級控制網系統,采用國家沿海RBN-DGPS開展有針對性的調查測量,并作為中間層次聯結市有關部門、鄉鎮和重點用海企業;鄉鎮及重點用海企業則可完全、及時、經濟地了解沿?，F場情況。

四、GPS海域使用動態監測工作控制網點布設

為及時、全面、準確地掌握轄區內全部海域使用情況,提供有效的專業信息采集服務,建立國家級沿海RBN-DGPS與專業服務海域使用動態監測 E級 GPS工作基點網并行的二級海域使用動態監測控制網系統,以確保提供實時可靠的高精度互操作信息采集途徑。最終要準確提供高精度的原始數據和差分信息,為本地區開展海域使用監管提供業務化測量控制網系統技術平臺。提供 E級工作基點網實時檢校與維護更新;采集本地區全部海域的參考站網和 E級工作基點網數據,為精化大地水準面準備充分的資料。

利用WGS-84坐標系基準下的江蘇省 C、D級GPS控制網沿海部分 6個控制點和沿海岸線布設的21個 E級 GPS控制點。同時,選擇燕尾港國家沿海RBN/DGPS臺站,共同構網形成二級并行動態控制網系統。

E級 GPS工作基點網系統布設總體技術方案利用WGS-84坐標系基準下的江蘇省 C級 GPS控制網沿海部分兩個控制點 (贛榆海頭、灌云農場)的同時,選用連云港市 4個 D級 GPS控制點 (贛榆I

D30、墟溝 YH10、洋橋農場 YQNC、燕尾港 Y WZL)作為高級控制點。選擇沿海岸線布設 E級 GPS網,該網采取邊連式和點連式混合構網方式,控制點共27個,約每 10 km設置一組點(為了DGPS海域使用動態監測碎部測量時檢核方便),一組為兩個,兩點間距為 100～300 m。構網聯測形成二級并行動態控制網系統。

根據 E級 GPS工作基點實際布網情況和坐標系轉換的要求,GPS連續運行參考站網控制系統可對工作基點進行實時檢測。根據對工作基點的需求實時更新布點,極大地提高了 GPS工作基點網系統的有效性、可靠性、完備性和精確性。

在連云港市海域使用動態監測與管理市縣鄉三級集成系統海域使用動態監流程中：鄉級系統負責海域使用動態信息的采集、海域使用協管員首先依據 E級 GPS工作基點,可利用RBN-DGPS概略定位并上報縣級系統,要求每日一報,突發情況及時上報;縣級系統負責收集、處理、上報由鄉級系統提供的動態信息,根據市級系統指令,對重要海域使用項目,采用準動態DGPS或網絡 RTK,對海域使用動態目標進行精確調查測量,并上報市級系統;市級系統負責匯總、處理動態監視監測數據,進行各種專業分析,發布調查與測量指令,對重點動態目標進行跟蹤實時調查測量,提供各級系統所需基礎數據,定期進行監測和基礎資料更新。

五、結束語

根據海域使用動態監測目標調查測量現實需要,當前采用WGS-84地心三維坐標系統構建綜合運用創新的并行動態二級 GNSS布網空間框架結構體系。布設了連云港首級并行動態 GPS控制網系統和專業服務海域使用動態監測 E級 GPS工作基點網。在動態監測目標上增加了 GPS定位跟蹤監視系統,使用 GPS連續運行參考站網控制系統實時發布的RTCM差分數據,提供厘米級的空間定位信息,極大地提高了跟蹤監測的精確性和可靠性。在海域管理工作中發揮了明顯的支持保障作用,并對強化海洋執法、海洋環境保護,全面促進海洋綜合管理工作表現出強大的輔助推動作用。

空間基準框架支撐連云港海域使用動態監測監視三級聯動系統,為連云港市及所屬區縣的海洋管理、執法和相關技術單位提供服務,有力地支撐起海域使用管理工作平臺。在開展海域使用申請審批、海域使用權拍賣、海域使用論證、海域使用統計、海域使用執法、海岸線確定等多項工作中,該系統已經成為必不可少的現代化地理空間定位工具和手段。該系統的運行與應用,不僅建立了連云港市海域使用數字化管理的地理空間框架和海洋空間信息技術體系,對提高海域使用管理的科學化、業務化水平和人員素質發揮了顯著作用,還極大地滿足了市、縣(區)兩級海域管理部門的監測業務的不同需要,有效促進和發揮了鄉 (鎮)級政府和單位在海域使用監測與管理中的積極作用,對海域使用管理的工作機制建設也有積極意義。

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Research on the Integration Technology of GNSS Benchmark Frame in the Sea Area Managing

ZHOU Li,DONG Chunlai,XIE Hongquan,J IANG Tingchen,SH IJianqing

0494-0911(2010)12-0010-04

P228.4

B

2010-11-03

江蘇省科技支撐計劃項目 (BE2010125);連云港市科技攻關項目(CG0805)

周 立(1959—),男,江蘇宜興人,教授,主要從事 GIS、RS、GPS技術應用研究。