全球定位系统在湖区疏浚测量中的应用

2010-08-15丁富军河南省水利第一工程局

河南水利与南水北调 2010年6期

□丁富军（河南省水利第一工程局）

一、工程概况

南四湖湖内治理工程位于山东省济宁市境内，工程包括南四湖湖内浅槽工程和泗河治理工程两大部分。南四湖湖内浅槽工程的主要任务是在一期湖内清障工程的基础上，在阻水严重的湖内卡口地段开挖4条浅槽，清除卡口地段芦苇和人为障碍，降低糙率，改善南四湖行洪条件，提高行洪能力，有效降低南四湖洪水位，使上级湖来水尽快南下，将南四湖防洪标准由目前的20年一遇提高到50年一遇。工程建成后与东调南下其他工程一道，发挥总体效益，以保证南四湖湖区和湖东、湖西滨湖地区工农业生产及人民生命财产的防洪安全，促进流域社会经济的可持续发展。沂沭泗河洪水东调南下续建工程南四湖湖内工程（浅槽一、浅槽二）工程3标段为浅槽二0+000～2+300段疏浚工程，挖槽设计底宽500m，底高程30.79m，设计疏浚(挖泥船施工)开挖总土方262.3万m3，河南省水利第一工程局共投入2艘350m3/h绞吸式挖泥船。

南四湖是我国第六大淡水湖，也是北方最大的淡水湖，形状狭长，西北—东南走向，南北长约125km，东西宽约5～25km，最窄处仅5km；南四湖属于浅水型湖泊，湖内苇草、鱼塘等众多，开挖区离岸太远，采用常规的测量方法难度比较大，根据这一特殊的施工环境，施工人员选择采用GPS进行测量放样。

二、GPS测量简介

全球卫星定位系统 (G1oba1Positioning System简称GPS)，是以人造地球卫星为观测对象的无线电导航系统，该系统能为用户提供精密的三维空间坐标、运动物体的三维速度和标准时间，具有全球性、连续性和全天候的功能。它由导航星座、地面台站和用户定位设备3部分组成。导航星座是由24颗位于地球上空约20000km轨道上卫星网所组成，它们分布在6个不同的轨道面上，这6个轨道面与赤道面倾角为55°。轨道相互间隔120°，相邻轨道面邻星相位差为40°，运行周期为11h58min，卫星网的这种布置格局保证了在地球上任何地点任何时刻至少能同时观测到4颗卫星，最多时可观测到11颗卫星播发的导航信号，实现三维精确定位。卫星发射有3种信号，即精密的P码(广泛应用于军事领域)、非精密的捕获码C/A(用于民用方面)和导航电文。地面台站由一个主控站、5个监控站组成。主控站根据各监控站观测到的数据计算出每颗卫星的轨道等数据，注入到各卫星存储器。用户定位设备即GPS接收机，由天线、信号识别和处理装置、微机操作板、指示器、数据存贮器、精密振荡器、电源等六大部分组成，其主要功能是接收卫星播发的信号并利用本身的伪随机噪声码取得观测量以及内含卫星位置和钟差改正信息的导航电文，然后计算出接收机的三维坐标和运动速度。我国测绘等部门10多年的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：

一是测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题，GPS这一特点，使得选点更加灵活方便，但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

二是定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

三是观测时间短。采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1～2h左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。

四是提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

五是操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。

六是全天候作业。GPS观测可在任何地点、任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

三、GPS在湖区疏浚测量中的应用

主要采用GPS静态定位和动态技术相结合的方法进行控制测量、断面测量、施工放样等。

实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在工程测量中有广阔的应用前景。GPS静态定位、准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后，所以无法实时解算出定位结果，同时无法及时对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题可通过延长观测时间来保证测量数据的可靠性，但这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置1台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

动态定位在疏浚工程中的应用可以覆盖原始断面测量、施工放样、监理和GIS前端数据采集。RTK技术具有很大的优点：整个测量过程在不需通视的条件下，测量1～3s，精度就可以达到10～30mm，实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程)，有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点；彻底摆脱了由于粗差造成的返工，从而提高了GPS作业效率；作业效率高，每个放样点只需要停留1～2s，流动站小组作业1～3人即可进行测量作业，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。

（一）控制测量

由于业主提供的测量控制点大都在开挖区内，这些控制点在施工过程中将会被破坏，需要重新布设测量控制点。具体步骤如下：

1.GPS点选址。调察业主提供的高等级GPS点以便进行联测。组织技术人员对施工现场进行初步勘察，查看沿线可选作GPS点的位置情况。选点要综合考虑沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素，尽量选择设在开阔、不易被破坏、便于寻找、便于工作及以后应用的点位。

2.埋石。按勘测规范要求，埋选标石，并现场做好点记。

3.架设GPS仪观测。理论上GPS点观测时只须在3个GPS点上架设GPS仪同时观测即可确定这3个点的坐标。考虑到湖区疏浚测量本身的特点采用4台GPS仪同时观测4个GPS点，这样可大大加快全线的测量速度。4个GPS点观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求。在外业的观测中规定观测时间不得少于0.5h，有效观测卫星数不少于4个。

4.GPS观测数据的处理。外业观测结束后将GPS中的数据传入计算机中，采用南方公司的软件(包括采集器与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件)，及时进行数据处理和质量分析，最终确定引测控制点的坐标。

（二）基准站的设立

本工程基准站选择设在较开阔且较高的项目部所在民用楼的三楼楼顶上，使基准站发射的UHF信号有效控制整个工程施工区域，同时，还需尽量减少误差。在设立基准站时，采用4台GPS进行静态测量，测出所设基准站的点位的坐标。将基准站设在该点上后，在移动站到离施工区域最近和最远的已知点上进行精度测试，结果表明，施工区域均能可靠接受差分信号和卫星信号，精度符合有关规范要求。

（三）断面控制桩放样

根据施工图纸挖槽中心线的坐标，推算出各断面控制桩点的坐标。采用实时GPS测量，只需将断面控制桩点的坐标输入GPS接收机中，系统就会定出放样的点位。由于每个点的测量都是独立完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。

（四）横断面测量

首先将每个横断面的2个控制点的坐标输入GPS接收机中，设置GPS中的导航软件，通过查看电子图形中小船（小船的十字中心代表GPS天线的位置）与设计断面线的位置或者查看偏航窗口中的偏航距离，移动GPS天线的位置，消除测点与设计横断面的平面位置偏差，保证沿断面方向进行测点数据采集。测点数据采集完成后，通过绘图软件，可绘出各测点的横断面。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理。