基于GPS技术的航道水下地形测量研究

2022-09-12

GPS是卫星全球定位系统的简称, 自问世以来, 以其精度高、速度快、操作简单、自动化程度高、经济效益显著等特点, 得到了广泛的应用。由于GPS具有全能性 (陆地、海洋、航空和航天) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能, 能为用户提供精确的三维坐标、速度和时间, 在测量领域具有广阔的应用前景。

由于水下地形测量受天气、水流、波浪等因素的影响, 用传统的测量方法存在很多缺陷, 如不易整平、精度低、速度慢等, 而运用GPS水下地形测量技术可以解决以上问题, 其推广和应用势在必行。

1 GPS水下地形测量原理

基本工作原理:当GPS卫星在用户视界升起时接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星并能够跟踪这些卫星的运行时所接收到的GPS信号, 具有变换、放大和处理的功能, 以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间, 解释出GPS卫星所发送的导航电文, 实时地他出测站的三维位置, 甚至三维速度和时间。

GPS定位原理是利用测距交会的原理确定电位。GPS卫星发射测距信号和导航电文, 导航电文中含有卫星的位置信息, 用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号, 测量出测站点 (接收机天线中心) P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该GPS卫星的空间坐标, 据此利用距离交会法解算出测站P的位置依据测距的原理其定位的方法主要有伪距法定位, 载波相位测量定位以及差分, GPS定位等。在水下地形测量中, 利用GPS卫星定位系统定位技术瞬时确定航道内某一点的平面坐标A (x, y) 同时, 测深仪测出该点水深h。因此, 记录的任意一点都包括三个参数A (x, y, z) 。

2 水下地形测量控制网测量方案

建立水下地形测量控制网要综合考虑岸上和水下地形碎部测量时的需要, 合理布设控制点, 在可靠性许可条件下, 结合效率和简易性选择测量方案。GPS定位后处理软件使得确定两点之间的基线向量, 有了多种可供选择的测量模式。总体来讲包括静态、快速静态、准动态和动态相对定位模式, 其中准动态和动态相对定位模式由于定位精度较低, 要求连续跟踪卫星数目多控制网测量不宜选用。

静态定位模式是采用2台或2台以上接收设备, 分别安置在一条或数条基线的两个端点, 同步观测4颗以上卫星, 每时段长1h左右。这是一种经典模式, 基线的相对定位精度可达5mm+1ppm·D, D为基线长度 (km) 。所有观测基线应组成一系列封闭图形, 以利于外业检核, 提高成果可靠度。并且可以通过平差, 有助于进一步提高定位精度。快速静态定位模式是在测区中部选择一个基准站并安置1台接收设备连续跟踪所有可见卫星;另1台接收机依次到各点流动设站, 每点观测数分钟。流动站相对于基准站的基线中误差为5mm+1ppm·D。这种模式作业速度快, 精度高, 能耗低, 但2台接收机工作时, 构不成闭和图形, 可靠性差。

3 GPS水下地形测量作业流程

航道普查测量时运用的GPS测量航道数据资料的硬件和软件设备一般包括:硬件设备为1-2台GPS卫星信号接收机、1台数字测深仪和1台笔记本电脑;软件设备为上海天测科技有限公司提供的Ezhydro (外业软件) 和Walk (内业软件) 各1套。

3.1 测量前准备工作

收集与所测航道有关的地图, 准备必要的工具、绳索、吊具用来绑扎固定测深杆。测量艇驾驶员要选择熟悉航道的有丰富经验的船长。另外, 要及时观测水尺或与水文站联系以获取测量时水位资料。

3.2 安装、调试及解算模式

先将测深杆按要求固定在测量艇一侧, GPS接收天线放置在测深杆上方。然后将GPS卫星信号接收机、数字测深仪和笔记本电脑用数据线正确联接。调试测深仪, 设定吃水改正数, 并用测杆校对。

如用差分解, 用2台GPS卫星信号接收机, 分别设置为基准站和流动站, 基准站GPS与发射电台相连, 并用手提电脑在基准站采集坐标, 然后把手提电脑拿到测量船与流动GPS连接, 流动GPS接收卫星信号和基准站电台发射信号, 进行差分记录, 精度为5mm±2ppm。如不设基准站, 只需1台GPS卫星信号接收机, 流动GPS接收卫星信号进行自主解记录, 点位精度在1m以内。

3.3 航道纵、横断面图测量

测量船沿航道中心线行驶, 速度不大于10km/h, 纵断面与横断面点间距可根据需要设置, 一般纵断面设置为隔20m或30m记录一点, 横断面设置为2m~5m记录一点, 确定后电脑自动记录数据, 包括点位N, E坐标和水深数据。从外业软件测出的纵、横断面图结合内业软件对水深点的分析, 可方便准确地判定航道最小宽度和最小水深。

3.4 航道标志记录

在正常测量时, 电脑自动记录每一点的坐标N, E和水深数据。遇到船闸、高压电线、桥梁、码头等临跨河建筑物或地理位置时, 在GPS天线靠近或到达其下方时, 记录下点号, 并用相应符号 (图例) 在电脑屏幕显示的航迹图上的正确位置予以标记, 并可在旁边用文字加以说明。 (注意:测量时应经常对文件进行保存, 以免丢失数据。)

3.5 内业整理

在用外业软件对数据进行水深编辑、水位改正、导出水深点和航道标志、计划线、航道注记等操作后进入内业编辑。

运用内业软件引入航迹线、水深点、航道标志、航道注记等。进行航迹线编辑时, 根据航迹线上标注的地物位置, 用软件提供的标尺量得相应航段的里程和确定建筑物距航段起点里程 (准确位置) , 用自动捕捉圆心和做图的方法量出航道拐弯处的弯曲半径。

结合外业软件提供的航道纵、横断面图, 根据已有水文资料, 用内插法计算相应位置最高和最低设计通航水位, 根据测时水位和水深, 经计算确定出航段水深和底宽。将采集的数据填入调查中。

4 GPS水下地形测量结果验证

为验证GPS水下地形测量结果, 可以选择几条航道, 将之与原有大比例尺航道测图的进行比较, 在航段起讫点有固定点位置情况下, 通过与GPS测量成果相比较, 里程误差均小于5m~10m;通过GPS测量航段纵横断面航道计算出的水深和宽度等与测量图纸上的数据相比较, 排除时间影响因素, 几乎一致。

综上所述, 应用GPS系统进行水下地形测量, 能迅速准确地确定航道水深、里程及航标、桥梁等的具体位置, 解决了以前困扰我们的一大难题。GPS系统技术先进, 功能实用、便于携带、效率高、可靠性强、完全满足水下地形测量精度要求, 还为下一步基于GIS的全国内河航道基础信息管理系统开发及GPS与GIS的融合奠定了基础, 具有较好的推广和学习价值。

摘要：本文基于笔者长期从事水下地形测量的相关工作经验, 研究探讨了GPS技术在水下地形测量中应用, 笔者首先详细阐述了GPS水下地形测量的原理及水下地形测量控制网测量方案, 而后基于长期的项目实践给出了具体的作业流程, 最后概述了水下地形测量结果的验证方法, 全文既是来自于多个项目的技术总结, 同时笔者也进行了一定的理论提炼, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS技术,水下地形测量,控制网,作业流程