全球定位系統(tǒng)在湖區(qū)疏浚測量中的應用

□丁富軍（河南省水利第一工程局）

一、工程概況

南四湖湖內(nèi)治理工程位于山東省濟寧市境內(nèi)，工程包括南四湖湖內(nèi)淺槽工程和泗河治理工程兩大部分。南四湖湖內(nèi)淺槽工程的主要任務是在一期湖內(nèi)清障工程的基礎上，在阻水嚴重的湖內(nèi)卡口地段開挖4條淺槽，清除卡口地段蘆葦和人為障礙，降低糙率，改善南四湖行洪條件，提高行洪能力，有效降低南四湖洪水位，使上級湖來水盡快南下，將南四湖防洪標準由目前的20年一遇提高到50年一遇。工程建成后與東調(diào)南下其他工程一道，發(fā)揮總體效益，以保證南四湖湖區(qū)和湖東、湖西濱湖地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生命財產(chǎn)的防洪安全，促進流域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程南四湖湖內(nèi)工程（淺槽一、淺槽二）工程3標段為淺槽二0+000～2+300段疏浚工程，挖槽設計底寬500m，底高程30.79m，設計疏浚(挖泥船施工)開挖總土方262.3萬m3，河南省水利第一工程局共投入2艘350m3/h絞吸式挖泥船。

南四湖是我國第六大淡水湖，也是北方最大的淡水湖，形狀狹長，西北—東南走向，南北長約125km，東西寬約5～25km，最窄處僅5km；南四湖屬于淺水型湖泊，湖內(nèi)葦草、魚塘等眾多，開挖區(qū)離岸太遠，采用常規(guī)的測量方法難度比較大，根據(jù)這一特殊的施工環(huán)境，施工人員選擇采用GPS進行測量放樣。

二、GPS測量簡介

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) (G1oba1Positioning System簡稱GPS)，是以人造地球衛(wèi)星為觀測對象的無線電導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為用戶提供精密的三維空間坐標、運動物體的三維速度和標準時間，具有全球性、連續(xù)性和全天候的功能。它由導航星座、地面臺站和用戶定位設備3部分組成。導航星座是由24顆位于地球上空約20000km軌道上衛(wèi)星網(wǎng)所組成，它們分布在6個不同的軌道面上，這6個軌道面與赤道面傾角為55°。軌道相互間隔120°，相鄰軌道面鄰星相位差為40°，運行周期為11h58min，衛(wèi)星網(wǎng)的這種布置格局保證了在地球上任何地點任何時刻至少能同時觀測到4顆衛(wèi)星，最多時可觀測到11顆衛(wèi)星播發(fā)的導航信號，實現(xiàn)三維精確定位。衛(wèi)星發(fā)射有3種信號，即精密的P碼(廣泛應用于軍事領域)、非精密的捕獲碼C/A(用于民用方面)和導航電文。地面臺站由一個主控站、5個監(jiān)控站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)控站觀測到的數(shù)據(jù)計算出每顆衛(wèi)星的軌道等數(shù)據(jù)，注入到各衛(wèi)星存儲器。用戶定位設備即GPS接收機，由天線、信號識別和處理裝置、微機操作板、指示器、數(shù)據(jù)存貯器、精密振蕩器、電源等六大部分組成，其主要功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號并利用本身的偽隨機噪聲碼取得觀測量以及內(nèi)含衛(wèi)星位置和鐘差改正信息的導航電文，然后計算出接收機的三維坐標和運動速度。我國測繪等部門10多年的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。

相對于經(jīng)典測量學來說，GPS測量主要有以下特點：

一是測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題，GPS這一特點，使得選點更加靈活方便，但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。

二是定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。

三是觀測時間短。采用GPS布設一般等級的控制網(wǎng)時，在每個測站上的觀測時間一般在1～2h左右，采用快速靜態(tài)定位的方法，觀測時間更短。

四是提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

五是操作簡便。GPS測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

六是全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點、任何時間連續(xù)地進行，一般不受天氣狀況的影響。

三、GPS在湖區(qū)疏浚測量中的應用

主要采用GPS靜態(tài)定位和動態(tài)技術相結合的方法進行控制測量、斷面測量、施工放樣等。

實時動態(tài)(RTK)定位技術是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS(RTDGPS)技術，它是GPS測量技術發(fā)展的一個新突破，在工程測量中有廣闊的應用前景。GPS靜態(tài)定位、準動態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無法實時解算出定位結果，同時無法及時對觀測數(shù)據(jù)進行檢核，這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質量，在實際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果。解決這一問題可通過延長觀測時間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，但這樣一來就降低了GPS測量的工作效率。實時動態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準站和流動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置1臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。這樣就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質量和基線解算結果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。

動態(tài)定位在疏浚工程中的應用可以覆蓋原始斷面測量、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。RTK技術具有很大的優(yōu)點：整個測量過程在不需通視的條件下，測量1～3s，精度就可以達到10～30mm，實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果(包括高程)，有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點；徹底擺脫了由于粗差造成的返工，從而提高了GPS作業(yè)效率；作業(yè)效率高，每個放樣點只需要停留1～2s，流動站小組作業(yè)1～3人即可進行測量作業(yè)，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的。

（一）控制測量

由于業(yè)主提供的測量控制點大都在開挖區(qū)內(nèi)，這些控制點在施工過程中將會被破壞，需要重新布設測量控制點。具體步驟如下：

1.GPS點選址。調(diào)察業(yè)主提供的高等級GPS點以便進行聯(lián)測。組織技術人員對施工現(xiàn)場進行初步勘察，查看沿線可選作GPS點的位置情況。選點要綜合考慮沿線地形地物、作業(yè)時衛(wèi)星狀況、精度要求等因素，盡量選擇設在開闊、不易被破壞、便于尋找、便于工作及以后應用的點位。

2.埋石。按勘測規(guī)范要求，埋選標石，并現(xiàn)場做好點記。

3.架設GPS儀觀測。理論上GPS點觀測時只須在3個GPS點上架設GPS儀同時觀測即可確定這3個點的坐標?？紤]到湖區(qū)疏浚測量本身的特點采用4臺GPS儀同時觀測4個GPS點，這樣可大大加快全線的測量速度。4個GPS點觀測的共同時間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)等應滿足規(guī)范要求。在外業(yè)的觀測中規(guī)定觀測時間不得少于0.5h，有效觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4個。

4.GPS觀測數(shù)據(jù)的處理。外業(yè)觀測結束后將GPS中的數(shù)據(jù)傳入計算機中，采用南方公司的軟件(包括采集器與計算機通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標轉換軟件)，及時進行數(shù)據(jù)處理和質量分析，最終確定引測控制點的坐標。

（二）基準站的設立

本工程基準站選擇設在較開闊且較高的項目部所在民用樓的三樓樓頂上，使基準站發(fā)射的UHF信號有效控制整個工程施工區(qū)域，同時，還需盡量減少誤差。在設立基準站時，采用4臺GPS進行靜態(tài)測量，測出所設基準站的點位的坐標。將基準站設在該點上后，在移動站到離施工區(qū)域最近和最遠的已知點上進行精度測試，結果表明，施工區(qū)域均能可靠接受差分信號和衛(wèi)星信號，精度符合有關規(guī)范要求。

（三）斷面控制樁放樣

根據(jù)施工圖紙挖槽中心線的坐標，推算出各斷面控制樁點的坐標。采用實時GPS測量，只需將斷面控制樁點的坐標輸入GPS接收機中，系統(tǒng)就會定出放樣的點位。由于每個點的測量都是獨立完成的，不會產(chǎn)生累積誤差，各點放樣精度趨于一致。

（四）橫斷面測量

首先將每個橫斷面的2個控制點的坐標輸入GPS接收機中，設置GPS中的導航軟件，通過查看電子圖形中小船（小船的十字中心代表GPS天線的位置）與設計斷面線的位置或者查看偏航窗口中的偏航距離，移動GPS天線的位置，消除測點與設計橫斷面的平面位置偏差，保證沿斷面方向進行測點數(shù)據(jù)采集。測點數(shù)據(jù)采集完成后，通過繪圖軟件，可繪出各測點的橫斷面。整個作業(yè)過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理。

（五）施工放樣

挖泥船施工采用分條開挖的施工方法，根據(jù)設計圖紙推算出各分條中心線、邊線的坐標，利用實時GPS系統(tǒng)進行放樣，在河道挖槽中心線、開挖邊線處設立樣標，便于挖泥船定位及施工。

四、結語

沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程南四湖湖內(nèi)工程（淺槽一、淺槽二）工程3標段的施工中利用GPS測量技術進行控制測量、斷面測量、施工放樣，操作簡單，測量精度高，極大地降低了勞動作業(yè)強度，提高了作業(yè)效率，取得了良好的應用效果。