基于CORS的河道測量方法——以婁宋溝河道測量為例

基于CORS的河道測量方法——以婁宋溝河道測量為例

戴洪寶1,凌以奎2,許繼影3

(1.宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000;2.宿州市水利局勘測隊，安徽 宿州 234000;3.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

摘要：在一定區(qū)域內(nèi)，GPS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)可向用戶提供高精度的實時差分定位信息，深化了GPS在測量工程中的應(yīng)用層次。以淮水北調(diào)婁宋溝河道測量項目為平臺，應(yīng)用CORS測量技術(shù)，通過內(nèi)外業(yè)一系列工作，完成了河道測量中帶狀圖、縱橫斷面圖的繪制，為項目施工方案提供準(zhǔn)確、可靠的測量資料。并進(jìn)行了大量的測量數(shù)據(jù)的處理與分析，表明CORS技術(shù)足以高效、精確地完成河道中的測量任務(wù)。對類似的河道測量工作有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；淮水北調(diào)；斷面測量；連續(xù)運行參考站系統(tǒng)

中圖分類號：P 28.42

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2015.03.010

Measurement Method of Riverway Based on CORS——Taking Lousong River Survey as An Example

DAI Hong-bao1,LING Yi-kui2,XU Ji-ying3

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China；2.Survey Team of Suzhou Water Conservancy Bureau,Suzhou,Anhui 234000,China；3.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou，Anhui 234000,China)

Abstract:In a certain region,GPS continuously operational reference system (CORS) can simultaneously provide accurate and real-time differential positioning information for users,whith has been used widely in engineering surveying.In this paper taking Lousong River of Huai River to North Water as the basic platform and Using CORS method,the belt map and vertical &horizontal section were completed through a series of work,and a mass of surveying data were processed and analyzed.The results can provide accurate survey inginformation for measurement tasks efficiently and accurately.The method provides certain reference value for the similar river measurement.

Key words:GPS;Huai River to North Water;section survey;CORS

1前言

連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合系統(tǒng)(continuous operational reference system,CORS)是在網(wǎng)絡(luò)實時差分定位(real-time kinematic,RTK)基礎(chǔ)上建立的，伴隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)在測量工程中的廣泛使用，這項新技術(shù)在工程測量中的作用也愈發(fā)重要[1]。

針對于河道測量工程，傳統(tǒng)的技術(shù)手段如全站儀極坐標(biāo)法、GPS架基站法在改善河道線路測量水平的同時，也存在一些不足，例如：在時間、空間和效率上存在一定程度的浪費[2]。CORS技術(shù)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)測量無法克服的問題，在時間、空間上取得大幅度改進(jìn)，測量效率獲得顯著提高，取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文以淮水北調(diào)婁宋溝河道測量項目為平臺，應(yīng)用CORS技術(shù)進(jìn)行測量，通過內(nèi)外業(yè)一系列工作，完成了河道測量中帶狀圖、縱橫斷面圖的繪制工作，為項目施工方案提供測量圖件數(shù)據(jù)資料，結(jié)果表明CORS技術(shù)可以高效、精確地完成河道中的測量任務(wù)。

1河道測量的內(nèi)容與方法

1.1　河道測量的內(nèi)容

1)帶狀地形圖的測量。帶狀地形圖指狹長地帶的地形圖，常用于鐵路、公路、河道等線形工程紙上定線和初步設(shè)計[3]。具體是對河道中心線兩邊一定范圍內(nèi)的地物、地貌等進(jìn)行測繪成圖的工作，其測繪內(nèi)容主要包括建筑物、河流、道路、橋涵等。進(jìn)行野外平面圖測制，其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是現(xiàn)場采集點位信息，并在國家測繪規(guī)范下進(jìn)行成圖，平面圖能夠準(zhǔn)確地還原現(xiàn)場的地形情況。

2)河道縱斷面的測量。河道縱斷面測量是河道左、中、右3條邊線上的定樁高程，為河道縱向坡度、橋、涵、閘等位置的設(shè)計提供服務(wù)。在縱斷面測量過程中，需要沿河流走向，自上游往下游定里程樁，一般規(guī)定為間隔50 m定一根里程樁，以便于縱斷面測量工作。河道縱斷面測量的精度要求達(dá)到四等水準(zhǔn)測量，故而采用DS3水準(zhǔn)儀根據(jù)水準(zhǔn)測量的基本原理完成縱斷面測量工作。

3)河道橫斷面測量。橫斷面是垂直于線路中線的面，測量百米樁的水平距離和高程，進(jìn)而繪制橫斷面圖，實際工作中，選擇在縱斷面測量過程中間隔50 m的里程樁所處的斷面作為代表橫斷面。橫斷面圖是確定工程土方、施工橫向范圍的基礎(chǔ)資料。河道縱橫斷面測量是河道工程在勘測設(shè)計階段初測或定線過程中的一項重要工作[4]。

1.2　河道測量的方法與比較

1)全站儀測量。全站儀是將電子經(jīng)緯儀、電子測距儀及電子記錄手簿結(jié)合在一起，在同一微處理機控制和檢核下，同時兼具有觀測數(shù)據(jù)的自動獲取和改正、計算和記錄等多種功能的經(jīng)緯儀[5]。全站儀測量在早期的河道測量中發(fā)揮了重要的作用，基本上取代了經(jīng)緯儀測量。

2)常規(guī)RTK測量。RTK是一種能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它的出現(xiàn)極大地提高了野外作業(yè)效率[6]。在傳統(tǒng)RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站是通過數(shù)據(jù)電臺將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站的，流動站接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時采集GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，給出厘米級定位結(jié)果。

3)CORS測量。CORS是衛(wèi)星導(dǎo)航定位、計算機信息科學(xué)、電子通訊技術(shù)等高新科技多方位結(jié)合的產(chǎn)物，由基準(zhǔn)站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、定位數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)四部分組成，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將各個基準(zhǔn)站和監(jiān)控分析中心連成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)，以服務(wù)于測量工程[7]。

4)全站儀測量、常規(guī)RTK測量、CORS測量的比較。通過多年的河道測量案例來分析比較3種方法，可以有效說明CORS測量的較大優(yōu)勢。

CORS測量相對于全站儀測量的優(yōu)點：①解除了通視條件的限制。全站儀測量需要測站點和照準(zhǔn)點通視才能進(jìn)行測量，因為河道兩邊多為樹林和民房，造成全站儀測量受到一定的限制，CORS測量采用GPS后方交會原理，只需要接受衛(wèi)星和CORS站的信號，無需考慮通視要求。②解除了距離限制條件。全站儀測程一般為3 km范圍內(nèi)，實際工作中因為外界條件和觀測者的限制，只能達(dá)到1 km范圍內(nèi)，CORS則可以覆蓋網(wǎng)內(nèi)30 km范圍。③避免誤差累計。全站儀測量需要站站定向，定向過程中易出現(xiàn)定向誤差，進(jìn)而影響控制點和碎部點的精度，下一站會延續(xù)上一點的定向誤差，造成誤差的累計，CORS測量采用單點測量技術(shù)，點與點之間無需定向聯(lián)系，誤差不會累計。④技術(shù)人員和作業(yè)時間的減少。全站儀測量需要3-4名技術(shù)人員，分別為測量員、跑尺員、繪圖員，并且需3人具備一定的協(xié)作能力，CORS測量只需要1名技術(shù)員即可，且采集每一個碎部點只需要10 s，真正實現(xiàn)單兵高效測量。⑤操作簡便。CORS測量只需要技術(shù)員攜帶手簿和接收機即可工作。⑥全天候作業(yè)，功能多，應(yīng)用廣泛。

CORS測量相對與常規(guī)RTK測量的優(yōu)點：①擴大工作范圍。傳統(tǒng)RTK測量的有效測量范圍在基準(zhǔn)站周圍10 km范圍內(nèi)，而CORS測量將這個數(shù)值提升到30 km。②擁有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地消除系統(tǒng)誤差和周跳，增強差分作業(yè)的可靠性。③單機作業(yè)。傳統(tǒng)RTK測量需要架設(shè)基準(zhǔn)站，而河道測量的線路比較長，在測量過程中需要不斷地移動基準(zhǔn)站，給工作帶來了不便，CORS測量使用永久固定基準(zhǔn)站，無需單獨架站。④使用穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈通訊方式，減少噪聲干擾。⑤由于削弱了對流層、電離層的誤差和隨距離逐漸增加的比例誤差，利用CORS得到的河道測量數(shù)據(jù)比常規(guī)RTK測量精度更加可靠。⑥提供了遠(yuǎn)程Internet服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[8]。

2實例分析

本文以淮水北調(diào)婁宋溝河道測量工程為平臺進(jìn)行實例分析?；此闭{(diào)工程屬“南水北調(diào)”東線安徽配套工程，也是皖北地區(qū)規(guī)模最大的跨區(qū)域調(diào)水工程，自蚌埠五河站從淮河干流抽水，經(jīng)淮北市濉溪縣黃橋閘向北至宿州市蕭縣岱山口閘，調(diào)水線路總長266 km，估算投資10.3億元，主要保障淮北、宿州兩市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水[9]。2014年4月，淮水北調(diào)靈璧縣婁宋溝段測量工程，河道全長13.5 km，采用中海達(dá)H32型GNSS接收機，以AHDLCORS為平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次測量主要任務(wù)是在地面上沿河道中心線定出左右岸兩邊的里程樁，并實地測量帶狀圖、縱斷面圖、橫斷面圖，內(nèi)業(yè)進(jìn)行一體化成圖，結(jié)合設(shè)計橫斷面圖，對土方量進(jìn)行全面計算，為工程全面施工提供完整的測量基礎(chǔ)資料。

2.1　外業(yè)實施

本次外業(yè)測量使用了3臺中海達(dá)GPS，依托CORS系統(tǒng)，分為左岸、右岸、測深3個工作組，在10個工作日內(nèi)完成外業(yè)測量任務(wù)。CORS作為1個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站，利用移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，實時地向3臺移動站提供經(jīng)過檢驗的GPS載波相位、各種改正數(shù)、狀態(tài)等信息。在測量過程中，3臺移動站通過連接AHDLCORS，在對已知控制點進(jìn)行參數(shù)校正，獲得能夠保證整個測區(qū)精度的七參數(shù)之后，即可進(jìn)行碎步測量，放置接收機于待測點上，操作手簿即可完成碎步測量工作。

2.2　內(nèi)業(yè)處理

將外業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS成圖軟件，在計算機上進(jìn)行帶狀地形圖的數(shù)字化繪制。在帶狀地形圖基礎(chǔ)上制作縱、橫斷面里程數(shù)據(jù)，在Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，得到按順序排放的橫斷面里程文件，然后將縱、橫里程文件分別導(dǎo)入南方CASS軟件制作出縱、橫斷面線。結(jié)合工程實際在CAD中制作相應(yīng)的表格，將縱、橫斷面線按照準(zhǔn)確的基準(zhǔn)線嵌套到表格中，即可得出河道的縱、橫斷面圖。本次內(nèi)業(yè)成圖步驟如下：①數(shù)據(jù)整理及帶狀地形圖的繪制；②制作里程文件，獲得.hdm格式文件；③數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，即將整理好的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入進(jìn)CASS軟件；④繪制縱橫斷面圖。圖1為內(nèi)外業(yè)一體化制圖流程圖。

圖1　內(nèi)外業(yè)一體化流程圖

2.3　成果分析

帶狀地形圖1∶500比例尺的地形圖繪制，采用西安80坐標(biāo)系為平面坐標(biāo)系。

橫斷面圖如圖2～5所示，圖中的水平比例尺為1∶100，垂直比例尺為1∶1000，橫軸為水平距離(單位：m)，縱軸為85黃海高程值(單位：m)。

該段河道是南北走向，南部地勢較低，為河道下游，北部地勢較高，為河道上游。橫斷面的分析自東向西(即圖中的左岸為東岸，右岸為西岸)，具體分析如下：①圖2中的橫軸0位置是河道橫斷面的最東邊，為堤壩的東部邊緣，0到30 m之間為河道左側(cè)呈一定坡度的堤壩；橫軸30 m位置處有一明顯的轉(zhuǎn)折點，可見其為左岸的河口所在點；橫軸30 m到50 m為從河口到河底最深處的河道邊坡，由圖分析可知此段地形陡峭，坡度較大；高程最小值出現(xiàn)在河道中心的底部處，此處即為河底;沿河底往西出現(xiàn)又一段邊坡和堤壩，為河道右側(cè)區(qū)域。從圖中可見左右兩岸呈現(xiàn)基本對稱、局部不同的特點。②從圖2～5依次對比中發(fā)現(xiàn)高程變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，變化顯著處即是河底的高程，這給河道的設(shè)計工作提供了參考依據(jù)。③圖6是縱斷面圖，從該圖中分析得出河道左岸、右岸、河底的基本走向，高程從最下游0+000里程到01+500逐步上升。

通過縱橫斷面圖的繪制和分析，為工程施工、土方量分配、現(xiàn)場定線等工作提供了基礎(chǔ)圖件和數(shù)據(jù)資料。

圖2　0+000里程處橫斷面 圖3　0+100里程處橫斷面

圖4　0+200里程處橫斷面 圖5　0+300里程處橫斷面

3結(jié)論

綜合本次應(yīng)用實踐，得到以下2點結(jié)論：

(1)CORS能夠滿足線路測量的技術(shù)要求。將其運用于河道測量，繪制出縱、橫斷面圖，為土方計算和施工現(xiàn)場提供了基礎(chǔ)性圖件資料，可見CORS技術(shù)足以完成河道的測量任務(wù)。

(2)CORS測量提高了工作效率。與傳統(tǒng)全站儀極坐標(biāo)法和常規(guī)GPS測量相比，在測量時間和空間上有較大的改進(jìn)，減少了測量人員，測量的范圍更廣、距離更長，測量手段更簡單，體現(xiàn)出了多方面的優(yōu)勢。說明CORS技術(shù)所具有的高效性。

圖6　河道縱斷面圖

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[責(zé)任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]