GPS高程測量技術(shù)航道工程測繪中的應(yīng)用研究

劉志祥

摘 要：在經(jīng)濟與科技的飛速發(fā)展下，航道工程測繪技術(shù)也得到較快發(fā)展。在現(xiàn)代航道測繪工程測量技術(shù)方面，以往傳統(tǒng)的控制測量法被現(xiàn)代高程測量方法所取代。文章介紹GPS高程測量的應(yīng)用以及測量方法，簡要說明GPS高程測量在航道測繪工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及實際操作中的制約因素，然后針對工程實例，分析航道治理工程軟土地基沉降觀測中的應(yīng)用，通過對實時的GPS高程測量誤差的探索 ，對提高其精度測量方面提出幾點建議。供同仁參考。

關(guān)鍵詞：GPS 高程測量；測量方法；測量技術(shù)

中圖分類號：P224.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0055-02

CPS技術(shù)的開發(fā)時間雖然不久，但其在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛、在水運地形圖繪測工程中，GPS技術(shù)的應(yīng)用能夠極大提高工程的精確度，且更加簡便操作，幾乎能夠全天候工作，不受限制。運用GPS全球定位系統(tǒng)實現(xiàn)定位的原理在于通過空間距離的測量，來確定其他位置結(jié)果，這也是我們所常說的定位方法，快速而準(zhǔn)確、如在動態(tài)測量、快速靜態(tài)和靜態(tài)測量中，通過GPS全球定位系統(tǒng)進行定位后，再需要通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算來求得結(jié)果。

1 GPS高程測量在航道測繪的應(yīng)用現(xiàn)狀

在實際的工程測繪中，通過以GPS加強水下?lián)Q能器控件探頭坐標(biāo)底部和高程的情況下，判定交換通過測深儀指向定位水深度測量，結(jié)果對水高程點定位能從GPS之間的差測量仰角和通過測量水的深度探測儀結(jié)合得到，而定位坐標(biāo)點是換能器的坐標(biāo)，GPS可以實時測量點高程結(jié)合RTK模式坐標(biāo)測量，如圖1所示，用于精確定位幾乎達到厘米標(biāo)準(zhǔn)。

GPS-RTK 技術(shù)在航道工程測量中的應(yīng)用，主要是利用差分原理。測量環(huán)節(jié)中，能夠從測量對象的位置、相位以及距離等方面進行技術(shù)應(yīng)用。為了準(zhǔn)確的實現(xiàn)地籍?dāng)?shù)據(jù)信息的測量，在測量中，還需要選擇一個基準(zhǔn)站，利用輔助基準(zhǔn)站對其提供技術(shù)支持，同時還需要接收衛(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，對工程測量中的數(shù)據(jù)信息進行科學(xué)修正。

2 GPS高程測量的工作原理

運用GPS技術(shù)時，首先測量出工程地區(qū)的GPS大地高（E）的數(shù)值，以便用來滿足高程的擬合要求，然后水平法測量GPS點正常高度（D）的所在測量區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)。獲取大地高（E）的GPS點高和正常高度（D）值，下面就可以計算出高度差（即Q）的值，高差的公式為：

Q=E-D

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

基于GPS高程測量技術(shù)的幾個參考值，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）是正常的地面點和基準(zhǔn)橢圓法線的距離所參照的橢圓的之間的距離。正高≠正常高，前者是地面點和地平之間的垂直距離，而后者是從地面點到地水準(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的測量方法及測量數(shù)據(jù)

3.1 GPS的測量方法

首先，GPS全球定位系統(tǒng)的測量方法重點在于單點定位。相比于其他測繪方法這種測量方法是比較易于操作的，該測繪方法的運行原理是由衛(wèi)星發(fā)出的無線電波來計算出某一個點的三維坐標(biāo)值。在一般情況下，單點定位測繪方法最多能夠從四個衛(wèi)星接收信號并進行運算。但這種方法的缺點是需要接收線或天線來確定三維坐標(biāo)值。所以這種測量方法所得出來結(jié)果存在著的精度不夠高的情況，在定位測量時往往不利于單點定位。

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

針對靜態(tài)測量的時將兩個以上的天線和接收器置于多基準(zhǔn)線的兩端，以接收和處理衛(wèi)星信號，該測定法是所有GPS測量方法中精度最可靠的一種，還有不常用到的測量方式是實時動態(tài)測量。

3.2 GPS的測量數(shù)據(jù)處理

基于GPRS測量數(shù)據(jù)處理主要概括兩主面：首先是對數(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，并且在整個過程的下一個步驟制備。GPS網(wǎng)的調(diào)整的操作原理是利用一個點作為3D點和坐標(biāo)變換，GPS網(wǎng)標(biāo)和平差處理是在一個時間進行。

4 GPS測量的誤差分析

之所以產(chǎn)生GPS 測量的誤差，重點應(yīng)關(guān)注以下幾點：即信號傳播影響、衛(wèi)星相關(guān)影響、接收線相關(guān)影響等。

4.1 信號傳播影響

在地面40 km區(qū)域之上屬于對流層氣流，通過對流層的GPS信號傳播路徑極易發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生測量距離偏差，此種現(xiàn)象被稱為折射誤差。可以通過使用同步測量數(shù)據(jù)被減少所造成的測量距離所致誤差。多途徑誤差影響著GPS測量精度，其是一個存在的重要因素。測量過程中，在目標(biāo)測量對象內(nèi)的大部分區(qū)域會對衛(wèi)星信號起到反射作用，從而產(chǎn)生一定的偏差。應(yīng)對這種情況可對天線過行加裝抑徑板，它是能夠抑制反射信號中的干擾因子。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，彎曲電離層通過的GPS信號，得到的電離層折射誤差信號路徑——是電離層的折射誤差，通過同步觀測和互動觀測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)星實時位置和衛(wèi)星實際位置之間的誤差。通過設(shè)置在同一個衛(wèi)星作多個觀測站點觀測相對是有效的途徑。

②相對論效應(yīng)，發(fā)生在形式不同的接收器和衛(wèi)星時鐘誤差。要想減少這種誤差可保持鐘機和衛(wèi)星時鐘的相對獨立性運作。

4.3 接收線相關(guān)影響

在應(yīng)用中響應(yīng)于天線相位中心的位置的誤差，這是位于該天線的中心的過程中實際觀察引起的誤差，該誤差體現(xiàn)出錯誤的接收機天線線中心和一個觀測站的中心位置之間的接收機的位置的誤差。這一點在觀察過程要仔細(xì)，以避免減少偏差，或避免，錯誤操作。接收時鐘誤差石英表，衛(wèi)星鐘、錯誤接收鐘時三方之間的偏差所致。

5 實際應(yīng)用分析

5.1 工程案例

長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，使航道滿足運輸力達大船乘潮進港標(biāo)準(zhǔn)，約5萬t散貨船乘潮進出港的要求，關(guān)于本航道工程測繪中的測量技術(shù)，對軟土地基沉降觀測誤差，存在著各種各樣的問題，特別是介于本工程的許多地形地勢惡劣，處于交通不便的郊區(qū)，路徑坎坷，它的實際操作若采用傳統(tǒng)測量方法相對較難。

5.2 測量效果分析

通過了解GPS高程的參數(shù)指標(biāo)和GPS高程的測量的工作原理，針對在過去的幾年里實際的應(yīng)用中對測量數(shù)據(jù)的掌據(jù)等，本工程利用GPS水準(zhǔn)法來進行高程異常的確定，也就是通過GPS測量資料及水準(zhǔn)資料來進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圖法和高程擬合法，根據(jù)實踐證明，高程測量中，在選點密度均勻合理的情況下，利用數(shù)學(xué)規(guī)律來進行似大地水準(zhǔn)面的擬合，得出的該地區(qū)的高程擬合精度可以達到很高。

本工程測量出來的數(shù)據(jù)處理采用EXCEL軟件讀取GPS數(shù)據(jù)記錄，見表1。

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

根據(jù)半圓體穩(wěn)定和沉降計算，施工初期，在石堆基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的引力重量作用下，會產(chǎn)生30 cm的沉降，此沉降量計算值在①標(biāo)段的地基監(jiān)測中得到驗證，且沉降的歷時曲線也是比較接近的。通過由設(shè)計提供的計算沉降與實測沉降的結(jié)果對比，實測值一般與計算結(jié)果相符，通過土壤沉降的觀測的測定值可以推斷土壤的固結(jié)強度來驗證排水處理效果。

6 GPS高程測量建議

①GPS高程測量技術(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)時對GPS高程測量數(shù)據(jù)的精度提高越來越多的關(guān)注，以下基于GPS高程測量精度控制問題幾點建議：用高程擬合法實際的點位高程，然后在通過與該點位的水準(zhǔn)資料數(shù)據(jù)來對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的高程測量過程參考高精度基準(zhǔn)網(wǎng)。

③測繪過程盡量使用雙頻的型號相同的GPS接收機。

④對大地差的測量精度作提高，預(yù)先了解衛(wèi)星預(yù)報，GPS網(wǎng)的設(shè)計要科學(xué)，測量時觀測區(qū)域內(nèi)周圍環(huán)境。

7 結(jié) 語

在實際工作中經(jīng)常可見，在進行水運地形測量的過程中，應(yīng)用GPS 技術(shù)的同時，還可以結(jié)合測深儀，進一步更加測量快速與作業(yè)效率高，同時保證測量的精確度。 當(dāng)下，水下測量在許多的水庫、河流或航道中得到了廣泛的應(yīng)用。 然而，由于許多地區(qū)對水下測量的要求標(biāo)準(zhǔn)不相同，因此，其中還是存在很多的問題亟待解決。而GPS高程測量技術(shù)在航道測繪中的運用，省力、省時、不通視、效率高值得業(yè)界的大力推廣。

參考文獻：

[1] 張高興，李忠金.GPS 結(jié)合全站儀在礦山地面控制測量中的應(yīng)用[J].礦 業(yè)工程，2006，（05）.

[2] 程叢順，朱保平，祁洪山.特殊困難地區(qū)全站儀三角高程測量之實踐[J]. 淮海工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（S1）