基于GPS技术的航道测绘技术应用研究

代勋

摘要：文章基于GPS技术定位原理，分析了航道测绘中使用GPS技术的工作流程，并研究了采用GPS航道測绘技术对河岸双侧和水下地形进行测量的方法与效果。关键词：航道测绘;GPS;测绘技术;河岸双侧;水下地形

中图分类号：U612 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.046

文章编号：1673-4874（2019）08-0168-03

0引言

GPS定位技术主要是利用卫星导航与定位系统，准确计算所测物体的二维或三维坐标，从而实现对被测物体的快速定位。该定位系统的主要功能主要是：精确定位、实时导航、授时，这三个作用是其应用于航道测绘的关键，其无论在商业领域还是民生领域应用非常广泛。其中航道测绘是本文探讨的重点，接下来本文从以下几个部分展开讨论。

1GPS定位原理

全球定位系统的简称即为GPS，它是一种利用发射到太空的卫星对所覆盖的物体进行多角度多维数空间位置测量进而对物体定位的一种测绘技术。这种技术在各个行业中应用非常广泛。全球定位系统主要由卫星、地面控制台和用户端三个部分组成，这三个部分是实现全球定位系统定位功能的关键。利用GPS技术可极大改善导航体系的实用功能，能在较短时间内实现对所测物体的精确定位，实时测得其三维动静态空间坐标。全球定位系统计算物体空间位置的数学原理为：（1）将卫星的当前位置作为初始已知坐标，当不考虑不同位置卫星传输数据所产生的时差时，所测位置同时接收三个卫星发射的位置信息;（2）根据不同卫星与接收器的距离D1（i=1、2、3）以及三颗卫星的当前空间坐标（x;，y;，z;）（i=1、2、3），可使用数学工具列出三组方程，进而可以求解被测物体的空间位置。但是在实际运用，为了达到测量精度的要求，时差是不可忽略的，因此所测量的量中就多了一个未知量，即时差，这就产生了4个未知量。根据数学方程组相关的知识，求解4个未知量至少需知道4个方程，因此共需要四颗卫星的定位坐标，进而通过4组方程求解被测物体的空间位置信息，如图1所示。

2航道测绘：GPS的使用

2.1构建GPS控制框架

在航道测绘中，运用GPS测量技术首先需要构建具有功能完善，系统稳定的GPS控制网络框架，并利用该控制框架精确指导航道设计与施工，为改善工作效率、提高工作质量、降低框架构建成本、便捷管理与后期维护工作提供良好的服务。

2.2控制框架网络的基本组建原则

在航道测量技术中，应用GPS的首要工作是需要组建一个具有可行性高、便捷性好的航道控制框架网络，然后利用该网络对航道测绘进行实时管理控制，并可监测与查询所测物体的空间位置或空间坐标。一般而言，航道控制框架网络的构建原则包括：

（1）在航道测绘网络框架组建之前需要合理地考虑地形的状态和测量的需要，合理布置GPS控制点的分布模式，使其尽量呈均匀分布。另外为了使其效率最大化和节约成本，控制点的密度也需要控制在合理的范围内。一般而言，距离尽量控制在5～10m之间。

（2）在布置网点的过程中，如果遇到某些较为重要的区域，比如桥梁双侧、河段起点与终点等，需要进行必要的网点加密，以免在这些关键区域由于网点过于稀疏而影响控制框架网络的质量。

（3）在控制网络框架组建时，需要格外注意某些信号干扰源，在这些干扰源的附近不宜设置网点，如信号反射场（源）或高压电线附近，障碍物附近也应避免设置网点。此外，还应注意的是，控制框架网络点的设置需要以仰角的状态布置，一般情况下最佳仰角为15°。

2.3获取数据

首先应该明确，这里所谓的数据收集主要是指与航道测绘有关的测绘数据。航道测绘的关键成果之一就是测绘数据，这是航道测绘中较为关键一个工作，需要相关工作人员尽职尽责的完成任务以确保测绘质量。在这里需要采集的数据主要包括测绘系统的控制框架布设方法、项目要求的测量精度和信息接收终端的数量等。这些数据对测量结果都有非常大的影响，因为只有依靠上述测量数据，才能实现GPS在航道测绘中的应用。

2.4数据处理

在完成2.3节中测绘数据测量之后，需要对所得数据进行程序化处理。处理数据的主要工作是对所得数据进行专业的统计、计算、分析等工作，并根据处理结果获得需要的航道测绘信息。通常，GPS航道测绘技术的数据处理包括：计算基线向量、检验数据质量和GPS网平差的计算等。精确的计算对于航道测绘有着同等重要的影响，所以这对相关工作人员的自身专业素养也有严格的要求。

2.4.1求解基线向量

在航道的测绘过程中，通常计算基线向量的方法为双差相位法和多时段自处理法。在计算基线向量时，取合适的卫星高度作为初始计算高度，按照相应的计算方法要求和规定的精度计算基线向量，然后对计算误差进行统计处理，最后核算所得的结果是否合理。值得注意的是，如果计算的结果含有所谓的超越基线向量，需要将此类向量去除，以确保基线向量控制在正确合理的范围内。

2.4.2检测采集数据的质量

在GPS航道测绘收集数据结束后，需要确保在外作业获得数据的质量达标，检测采集数据的质量一般使用相关的质量检测法。对于质量要求的高低一般取决于航道测绘所需的精度。而质量检测一般的评价依据是观测站的大气状况、卫星的工作状况及信号接收终端的工作状况等。为了排除质量隐患，切实保证外业工作质量，提高作业效率，质量检测工作是必不可少的。

2.4.3网平差

获得GPS网平差一般的方法是三维无约束GPS网平差。这种网平差一般是在WG-284坐标下进行分析的，可使用相关软件在该坐标系下选取一个点作为计算起始点，其目的是在满足精度要求的前提下，获得被测物的三维坐标。

3GPS航测技术对河岸双侧和水下地形的测量

3.1河岸双侧地形测量

當GPS航道测绘框架网络组建完成后，利用该测绘网络可测量河岸双侧的地形地貌。采集数据后，可获得相关的地形数据信息如测绘区域测绘点的空间坐标等。可以使用实时动态测量的GPS测绘技术对岸边进行测量，该技术的测量精度较高，适用性较好，可快速绘制岸边地形概况。通常使用GPS-RTK技术开展此类工作。RTK技术也称为实时动态测量技术，这种实时动态定位技术主要基于载波相位观测值，可以较为快速地获得所需的地形测量数据。应用RTK技术对岸边地形测量的基本方法为：（1）在GPS控制网络框架内的某个测绘控制点上安装基准架，之后打开信号接收终端，卫星传输的型号由信号接收终端负责，与此同时内流动站需向观测点发送相应的载波。（2）通过信号接收终端获得相应的相位观测值和伪距观测值，在流动站接收终端在初始化后，会连续获得信号发射站的数据信息和载波相位数据，并通过系统内的数据处理程序求解载波相位相关的数据信息。（3）根据基准站和流动站的关联性获得流动站的空间三维坐标和相应高程。另外关于RTK技术测量高程的可靠性问题需要强调一点，由该技术测量的水位高程需要通过与人工测量的数据进行对比来判断该其可靠性，这样可确保测量数据准确无误。通常可使用从所得数据中提取水位高程信息绘制水位曲线的方法，然后根据所得曲线的光滑与否来判断个别误差点，并通过去除这些点补齐光滑曲线的方法进行修正。

3.2水下地形测绘

通常，岸边地形测绘与水下地形测绘是分开进行的，在完成各自的测绘工作后再通过相关的测绘软件将采集的数据进行合成，进而获得航道测绘结果。对于水下地形的测绘采用RTK技术与测深仪相结合的方法。测深仪的工作原理是：测深仪的换能器在水中发射声波，声波遇到水下障碍物后会发生反射，然后由测深仪的声波接收器接收，根据声波发射与返回的时间差计算声波传播的距离进而确定测量深度。与岸边地形测绘类似，需要先在控制网络框架的控制点上设置相应的基准站，再布设静态控制网点，以它们的初始坐标作为计算初始值，然后发射载波相位信号，将流动站安装在船上，同步测量深度并将数据存储以备处理使用，最后使用测绘相关的软件将所测数据如水深数据和定位数据等合并绘图。

4结语

由以上分析可知，GPS航道测绘技术的动态实时定位测测绘可有效地确保航道测绘的效率和质量，降低成本，促进航道测绘技术的发展。本文着重分析了航道测绘中使用GPS技术的基本原理和工作流程。分析表明：GPS航道测绘技术可有效地提高测绘精度和测绘速度，能够达到快速检测、快速绘制岸边、水下地形图的目的。此外该技术还有实时性、可动态测量等优点。希望该技术能被相关专业人员推广使用。