港口航道陸域形變監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)空間基準(zhǔn)框架構(gòu)建

引文格式： 周立，趙新生，蔣廷臣，等. 港口航道陸域形變監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)空間基準(zhǔn)框架構(gòu)建[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(4)：22-24.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0103

港口航道陸域形變監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)空間基準(zhǔn)框架構(gòu)建

周立1，趙新生2，蔣廷臣1，湯均博1，王繼剛1，白玨瑩3

(1. 淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 連云港市海域使用動(dòng)態(tài)保護(hù)監(jiān)管中心，

江蘇 連云港 222001； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

Building of Dynamic Framework of Space in Port and Sea-route for

Shape Change Monitor

ZHOU Li，ZHAO Xinsheng，JIANG Tingchen，TANG Junbo，WANG Jigang，BAI Jueying

摘要：針對(duì)港口航道陸域形變監(jiān)測(cè)與管理，討論了動(dòng)態(tài)形變監(jiān)測(cè)特點(diǎn)。分析了綜合運(yùn)用創(chuàng)新的并行動(dòng)態(tài)二級(jí)GNSS布網(wǎng)空間框架結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建了連云港一級(jí)并行動(dòng)態(tài)GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)和專業(yè)服務(wù)海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)二級(jí)工作基點(diǎn)網(wǎng)的模型，可確保港口航道安全信息的準(zhǔn)確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)；空間基準(zhǔn)框架；衛(wèi)星導(dǎo)航定位；形變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P229.3

收稿日期：2014-08-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng) (201105004)；江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2010125)；連云港市“521新世紀(jì)高層次人才培養(yǎng)工程”科研項(xiàng)目(SH0320)

作者簡(jiǎn)介：周立(1959—)，男，碩士，教授，主要從事海洋測(cè)量技術(shù)研究。E-mail：zhoulilyg@163.com

一、引言

港口碼頭、航道等是重要的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，在自然強(qiáng)地震動(dòng)場(chǎng)和強(qiáng)、急端風(fēng)瀑潮災(zāi)害性氣候動(dòng)力作用下，以及船舶碰撞、航道施工清淤等人為因素影響下，將引發(fā)陸域地表變形及建(構(gòu))筑物動(dòng)力災(zāi)變等重大安全問(wèn)題。近年來(lái)，港口航道在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全中扮演越來(lái)越重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，港口航道建設(shè)呈現(xiàn)出工程建設(shè)占地規(guī)模大、碼頭土石方強(qiáng)度高、航道開(kāi)挖深等特點(diǎn)。對(duì)港口航道開(kāi)展全流程安全監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。

根據(jù)核港口航道陸域安全監(jiān)測(cè)工程需要,必須提供必不可少的形變測(cè)量的空間基準(zhǔn)。以連云港港口及30萬(wàn)噸深水航道工程為背景(示范)，基于衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，研究建立現(xiàn)代精密形變測(cè)量空間基準(zhǔn)框架的關(guān)鍵技術(shù)，將為實(shí)現(xiàn)港口航道重要基礎(chǔ)設(shè)施全流程性能安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警打下基礎(chǔ)。

二、空間基準(zhǔn)框架總體設(shè)計(jì)

港口航道陸域安全監(jiān)測(cè)范圍一般較大，衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)站間距離受到限制?，F(xiàn)代精密形變監(jiān)測(cè)工程空間基準(zhǔn)框架可按兩級(jí)衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)布設(shè)，即一級(jí)控制基準(zhǔn)框架、二級(jí)工作基準(zhǔn)框架。一、二級(jí)相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有相同的配置和運(yùn)行模式。

1. 一級(jí)控制基準(zhǔn)框架

一級(jí)控制基準(zhǔn)框架是在港口航道外圍布設(shè)的一定數(shù)量和密度的測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)，為形變監(jiān)測(cè)提供穩(wěn)定的空間基準(zhǔn)保障?？紤]參考站網(wǎng)綜合服務(wù)及實(shí)時(shí)三維形變測(cè)量特點(diǎn)，采用CGCS2000，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不再引入高斯投影坐標(biāo)變換和高程聯(lián)測(cè)擬合等誤差源。一級(jí)控制基準(zhǔn)框架的主要功能是:

1) 提供二級(jí)工作基準(zhǔn)的框架地固坐標(biāo)，動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)和改正二級(jí)工作基準(zhǔn)框架的準(zhǔn)確性；保障三維形變測(cè)量在統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)上連續(xù)工作。

2) 針對(duì)星歷檢測(cè)、衛(wèi)星可用性、電離層預(yù)報(bào)和二級(jí)基準(zhǔn)空間位移監(jiān)測(cè)等，提供一、二級(jí)基準(zhǔn)框架的完備性信息及預(yù)警。

一級(jí)控制基準(zhǔn)網(wǎng)精度按《全球衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)的要求，不低于1×10-8。

參考站點(diǎn)位長(zhǎng)期穩(wěn)定:一般采用具有強(qiáng)制對(duì)中裝置的鋼筋混凝土觀測(cè)墩深埋至基巖。必要時(shí),可使用水泥沉樁。

2. 二級(jí)工作基準(zhǔn)框架

二級(jí)工作基準(zhǔn)框架是在港口碼頭、航道周圍內(nèi)布設(shè)的一定數(shù)量和密度的測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)。主要為滿足港口航道施工生產(chǎn)及災(zāi)害過(guò)程中陸域形變觀測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)密度需要，在一級(jí)控制基準(zhǔn)站網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)的由一定數(shù)量衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站組成的獨(dú)立控制網(wǎng)。為形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)三維形變測(cè)量提供空間基準(zhǔn)保障。

二級(jí)工作基準(zhǔn)框架的主要功能是：

1) 提供二級(jí)工作基準(zhǔn)差分改正值計(jì)算的三維坐標(biāo)。集成大氣誤差反演、多路徑估計(jì)、GPS數(shù)據(jù)融合處理等多種技術(shù)，建立多個(gè)工作基準(zhǔn)參考站生成的區(qū)域大氣誤差改正數(shù)模型，生成載波相位觀測(cè)值差分改正信息。

2) 基于INTRIP協(xié)議的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)向監(jiān)測(cè)站播發(fā)綜合差分改正信息；保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)毫米級(jí)三維形變監(jiān)測(cè)精度。

二級(jí)工作基準(zhǔn)網(wǎng)精度參照《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—93)的要求，相鄰點(diǎn)中誤差不低于±1.5mm。

二級(jí)工作基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)覆蓋港口航道相關(guān)陸域，包括碼頭區(qū)域、堆場(chǎng)、廠房、運(yùn)輸線路、航道影響區(qū)域等，為保證精度和可靠性,盡可能選擇持久、穩(wěn)定、便利的控制點(diǎn)。一般采用具有強(qiáng)制對(duì)中裝置的鋼筋混凝土觀測(cè)墩深埋至基巖，必要時(shí)，可使用水泥沉樁。盡量使其在生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中不被摧毀、不需要搬遷。

二級(jí)工作基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)需定期動(dòng)態(tài)解算(如每周解算一次的時(shí)間序列)，獲得穩(wěn)定性(三維位移)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若其點(diǎn)位足夠穩(wěn)定，可以繼續(xù)監(jiān)測(cè)。否則，以最新的解算坐標(biāo)數(shù)據(jù)供形變監(jiān)測(cè)工程使用。

三、連云港港口航道陸域地表形變監(jiān)測(cè)空間基準(zhǔn)框架構(gòu)建

連云港港口地處海州灣西南岸，北面黃海，南靠云臺(tái)山山脈。港口航道陸域展布東西延綿數(shù)十千米。區(qū)域地形復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造豐富。

1. 一級(jí)控制基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建

在變形監(jiān)測(cè)中，無(wú)論水平位移觀測(cè)還是垂直位移觀測(cè)，都希望力求使控制基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)保持穩(wěn)定不動(dòng)，從而使基準(zhǔn)點(diǎn)遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)，否則其穩(wěn)定性難以保證。一級(jí)控制基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)區(qū)域，選擇在遠(yuǎn)離變形監(jiān)測(cè)區(qū)域50km，并且其間有地質(zhì)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的中云臺(tái)山間隔的連云港海州區(qū)。由3個(gè)CORS參考站構(gòu)成變形監(jiān)測(cè)一級(jí)控制基準(zhǔn)網(wǎng)。如圖1所示。為了保障基準(zhǔn)網(wǎng)的相對(duì)精度和完備性，HHBB、TGXQ、DGXQ 3個(gè)參考站間距不超過(guò)10km。采用徠卡儀器公司的專業(yè)型GRX1200 Pro參考站硬件和CORS參考站網(wǎng)NRS軟件，嚴(yán)格按照CORS系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的相關(guān)規(guī)范和要求，通過(guò)Internet局域?qū)＞W(wǎng)，集成監(jiān)測(cè)一級(jí)控制基準(zhǔn)CORS系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的監(jiān)測(cè)預(yù)警，一級(jí)空間基準(zhǔn)框架服務(wù)應(yīng)選擇固定CORS參考點(diǎn)，以便于實(shí)時(shí)計(jì)算和自檢。保證變形分析結(jié)果的正確性，消除各期觀測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)性偏差，亦即實(shí)現(xiàn)各期觀測(cè)結(jié)果基準(zhǔn)的統(tǒng)一。固定基準(zhǔn)點(diǎn)與國(guó)際ITRF站點(diǎn)組網(wǎng)，聯(lián)測(cè)IGS跟蹤站ITRF2000坐標(biāo)，取得固定基準(zhǔn)點(diǎn)動(dòng)態(tài)大地測(cè)量坐標(biāo)。3個(gè)參考站與國(guó)際ITRF上海、武漢和韓國(guó)站點(diǎn)組網(wǎng)聯(lián)測(cè)和檢核。其中，HHBB、DGXQ 為固定基準(zhǔn)點(diǎn)，TGXQ為檢核基準(zhǔn)點(diǎn)。聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)采用GAMIT軟件解算，利用精密星歷和高精度起算點(diǎn)的情況下，基線解的相對(duì)精度能夠達(dá)到10-9左右。滿足安全監(jiān)測(cè)一級(jí)控制基準(zhǔn)網(wǎng)要求，可以作為相對(duì)固定基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖1　連云港港口航道三維空間基準(zhǔn)框架

2. 二級(jí)工作基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建

在港口航道大區(qū)域監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐中，利用國(guó)際先進(jìn)的高精度GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)及有關(guān)算法，自動(dòng)高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供毫米級(jí)高精度的形變信息。如Stone RT實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 克服了多種常規(guī)GPS應(yīng)用局限性，如電磁干擾、遮擋、多路徑、時(shí)間同步等，自動(dòng)高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供毫米級(jí)高精度的形變信息。

但是，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要工作基準(zhǔn)點(diǎn)距離變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能太遠(yuǎn)，一般不超過(guò)2km，否則會(huì)影響測(cè)量精度。試驗(yàn)選擇蒼穹RockT200和司南導(dǎo)航M300接收機(jī)，實(shí)測(cè)分析如圖2所示。

圖2　基準(zhǔn)點(diǎn)距離變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)誤差衰減曲線

為此，利用GNSS定位技術(shù)，在港口航道陸域地區(qū)根據(jù)需求按一定距離建立長(zhǎng)年連續(xù)運(yùn)行的若干個(gè)CORS工作基準(zhǔn)站。利用數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LAN/WAN)技術(shù)將各個(gè)工作基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心組成網(wǎng)絡(luò)，由數(shù)據(jù)中心從工作基準(zhǔn)站采集數(shù)據(jù)，利用基于雙差、三差模型靜態(tài)網(wǎng)平差軟件進(jìn)行處理，計(jì)算工作基準(zhǔn)站精密的時(shí)序CGCS2000坐標(biāo)。然后數(shù)據(jù)中心向各監(jiān)測(cè)站提供工作基準(zhǔn)站動(dòng)態(tài)坐標(biāo)基準(zhǔn)(如圖3所示)。

圖3　連云港港口航道三維CORS工作基準(zhǔn)框架

工作基準(zhǔn)站網(wǎng)的穩(wěn)定性是一個(gè)相對(duì)的概念。由于受到周圍環(huán)境的影響，基準(zhǔn)點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生位移。因此，對(duì)工作基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，是變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)不可忽視的重要內(nèi)容。在與控制基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)接時(shí)，為了不產(chǎn)生尺度上的伸縮，采用無(wú)強(qiáng)制約束的聯(lián)接方法，即只采用固定一個(gè)點(diǎn)HHBB和固定一個(gè)定向方向HHBB-TGXQ。設(shè)計(jì)工作基點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)位選擇多在空曠的理想選點(diǎn)區(qū)。通過(guò)多時(shí)段QC評(píng)估，工作基點(diǎn)為贛榆BTGY、虛溝BTXG、連云BTLY和燕尾港BTYW。如圖1所示。

以HHBB為基準(zhǔn)站解算與其相連的工作基準(zhǔn)站之間的基線，平差仍以網(wǎng)中基線解算基準(zhǔn)HHBB點(diǎn)和HHBB-TGXQ方向固定三維CGCS2000地心坐標(biāo)作為工作基準(zhǔn)網(wǎng)平差的位置基準(zhǔn)。其平差基線精度如圖4所示。

圖4　平差基線北方向殘差統(tǒng)計(jì)圖

四、結(jié)束語(yǔ)

從連云港港口航道陸域精密形變監(jiān)測(cè)工程空間基準(zhǔn)框架構(gòu)建的實(shí)踐，對(duì)基于衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的精密工程控制網(wǎng)的等級(jí)及其功能劃分進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用兩級(jí)CORS站網(wǎng)構(gòu)建空間基準(zhǔn)框架的實(shí)踐證明這種系統(tǒng)是行之有效的，完全可以滿足工程建設(shè)要求，為港口航道的高質(zhì)安全建設(shè)提供了可靠基礎(chǔ)。這種系統(tǒng)的各層次控制網(wǎng)都是按需要設(shè)計(jì)網(wǎng)形，比單純采用方格網(wǎng)的方法靈活有效,而且這種系統(tǒng)有不同的層次，能較好地將工作中的絕對(duì)和相對(duì)的定位要求協(xié)調(diào)一致。

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