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摘 要： 文章結(jié)合GPS 在水文測(cè)量中的應(yīng)用, 探討在儀器設(shè)備先進(jìn)的情況下, 如何更有效地提高水下地形測(cè)量的精度和工作效率, 介紹流態(tài)觀測(cè)和流量測(cè)量定位的新方法, 總結(jié)GPS 在水文測(cè)量中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題。
摘要：文章結(jié)合GPS 在水文測(cè)量中的應(yīng)用, 探討在儀器設(shè)備先進(jìn)的情況下, 如何更有效地提高水下地形測(cè)量的精度和工作效率, 介紹流態(tài)觀測(cè)和流量測(cè)量定位的新方法, 總結(jié)GPS 在水文測(cè)量中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量；新方法；問(wèn)題；
Abstract: This paper combine with the GPS application in the hydrographic survey, to explore in the case of state-of-the-art equipment, how to more effectively improve the measurement accuracy and efficiency of the underwater terrain, and on the flow pattern observation and the new method of flow measurement positioning, summed up the GPS several issues worthy of note in hydrographic surveying.
Key words: GPS measurements; new method; problem
中圖分類(lèi)號(hào)：P332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）01-0020-02
一般地, 進(jìn)行水文測(cè)量的內(nèi)容是相當(dāng)多的, 主要包括: 水下地形測(cè)量( 含礁石等礙航障礙物等) 、水位觀測(cè)、流向、流速、流量觀測(cè)、河道斷面測(cè)量、以及懸移質(zhì)和河床質(zhì)取樣分析等。同時(shí)根據(jù)河工模型試驗(yàn)的具體要求, 為獲得真實(shí)有效的研究資料, 水文測(cè)量的各項(xiàng)內(nèi)容不僅要求同步性, 而且測(cè)量工作水位也有嚴(yán)格要求。為此, 水文測(cè)量成果更注重真實(shí)、準(zhǔn)確、及時(shí)。
1.什么是GPS
GPS（Global Positioning System）又稱(chēng)全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，于上世紀(jì)九十年代建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近10年在我國(guó)多部門(mén)的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大科技工作者的信賴(lài)，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科。
GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置(三維坐標(biāo))。在GPS測(cè)量中通常采用兩類(lèi)坐標(biāo)系統(tǒng)，一類(lèi)是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類(lèi)是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱(chēng)地固坐標(biāo)系統(tǒng)，（如：WGS-84世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系。）在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來(lái)求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測(cè)成果，因此在測(cè)量中被得到了廣泛的應(yīng)用。
2.應(yīng)用GPS 應(yīng)注意的問(wèn)題
2.1 GPS 基準(zhǔn)站設(shè)置與常規(guī)光電儀器設(shè)站區(qū)別較大, 為了防止設(shè)站錯(cuò)誤, 在每次設(shè)站后開(kāi)始測(cè)量時(shí), 均應(yīng)先到其他已知點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試比對(duì), 確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行后續(xù)工作。
2.2 根據(jù)差分GPS 的工作原理, 為了保證測(cè)量的精度和差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈的正常傳播, 特別是采用RTK- GPS 進(jìn)行地形測(cè)量時(shí), 需要嚴(yán)格控制基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的距離。
2.3 GPS 是通過(guò)接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)位定位的, 其定位的實(shí)現(xiàn)和測(cè)量精度主要依賴(lài)于衛(wèi)星的狀況, 在衛(wèi)星狀況不良時(shí)段, 定位的誤差會(huì)突然增大甚至GPS 信號(hào)失鎖無(wú)法進(jìn)行定位。鑒于所測(cè)量的每一碎部點(diǎn)均為相對(duì)獨(dú)立的, 測(cè)量人員在數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)密切注意衛(wèi)星的狀況, 發(fā)現(xiàn)所接收使用的衛(wèi)星數(shù)目( 主要為共同采用數(shù)目) 過(guò)少或出現(xiàn)浮點(diǎn)解時(shí)應(yīng)作特別記錄或延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。
2.4 所有測(cè)量數(shù)據(jù), 特別是水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)均是自動(dòng)采集并以電子文件形式記錄在計(jì)算機(jī)或儀器內(nèi)存里, 為防止數(shù)據(jù)丟失, 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和匯總工作, 或拷貝提供內(nèi)業(yè)后處理和編輯成圖使用。
2.5 在水文測(cè)量中, 不同的測(cè)量?jī)?nèi)容對(duì)精度的要求也不同, 由于GPS 的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較高, 為此在滿(mǎn)足測(cè)量精度的前提下, 應(yīng)從各方面綜合考慮,采用價(jià)值工程的原理進(jìn)行分析, 盡可能地提高GPS測(cè)量的經(jīng)濟(jì)性和適用性。如在利用DGPS( 或RT K- GPS) 定位系統(tǒng)進(jìn)行流向測(cè)量點(diǎn)定位時(shí), 還要考慮到在小板艇上安置如此昂貴的儀器, 有欠安全; 同時(shí)在流態(tài)復(fù)雜河段容易發(fā)生因跟蹤不上浮標(biāo)而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。
3 .GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)
相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來(lái)講，GPS測(cè)量有以下特點(diǎn)：①測(cè)站之間無(wú)需通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。②定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱(chēng)精度為5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10 ，而在100～500km的基線上可達(dá)10 ～10 。③觀測(cè)時(shí)間短。觀測(cè)時(shí)間短采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間短。例如使用Timble5700GPS接收機(jī)的RTK法可在1s以?xún)?nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。④提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。⑤操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。⑥全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。
4 .流態(tài)觀測(cè)和流量測(cè)量定位的新方法
水文因素互相之間是密切關(guān)聯(lián)的, 要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù), 各項(xiàng)測(cè)量?jī)?nèi)容需要同步進(jìn)行, 同時(shí), 根據(jù)研究的需要, 水文測(cè)量的工作水位要求相當(dāng)嚴(yán)格。這次任務(wù)也不例外, 瞬時(shí)比降觀測(cè)、流速、流態(tài)觀測(cè)、流量測(cè)量、含沙量觀測(cè)及河床質(zhì)取樣均要在同一天內(nèi)完成。過(guò)去, 為了解決該問(wèn)題, 均采取/ 人海戰(zhàn)術(shù)0,以人員來(lái)彌補(bǔ)儀器、方法和工藝等技術(shù)的不足。而在這次測(cè)量中, 我們根據(jù)實(shí)際情況, 經(jīng)過(guò)有關(guān)的專(zhuān)業(yè)理論分析, 大膽拋棄某些傳統(tǒng)的方法, 巧妙地對(duì)它進(jìn)行改進(jìn), 不僅提高了測(cè)量的質(zhì)量, 而且取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
4.1 對(duì)于流速、流態(tài)觀測(cè), 傳統(tǒng)的方法一般采用經(jīng)緯儀( 或平板儀) 交會(huì)法進(jìn)行, 該方法精度不高, 可行性條件苛刻, 勞動(dòng)強(qiáng)度大, 常受人為因素影響。而在這次測(cè)量中, 我們利用DGPS( 或RT K- GPS) 定位系統(tǒng)進(jìn)行流向測(cè)量點(diǎn)跟蹤定位。該方法只需要一個(gè)板艇3 個(gè)人即可操作, 即一個(gè)測(cè)量技術(shù)人員操作GPS 移動(dòng)臺(tái)采集器( 或設(shè)定取點(diǎn)時(shí)間間隔, 由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)) , 一人持GPS 接收天線跟蹤水面浮標(biāo), 一人劃艇。該方法不但操作靈活, 工作簡(jiǎn)便,而且大大減少了所需測(cè)量人員, 提高定位精度, 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí), 為了保證全段測(cè)量的連續(xù)性, 我們將基準(zhǔn)站布設(shè)在測(cè)區(qū)中部( 航道站樓頂上) , 并將發(fā)射天線盡可能地放置于高處, 這樣不必遷移基準(zhǔn)站,也能保證每條流線從灘頭至灘尾跟蹤定位觀測(cè)都有效。
4.2 流量測(cè)量、含沙量觀測(cè)及河床質(zhì)取樣的關(guān)鍵工作是測(cè)船的導(dǎo)航定位, 以便準(zhǔn)確按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行取樣測(cè)量。如果按照傳統(tǒng)方法, 一個(gè)點(diǎn)的位置放樣需要岸上和船上多人配合, 在短時(shí)間內(nèi)完成是根本不可能的, 特別在大洪水觀測(cè)階段, 不僅需要測(cè)量的斷面和垂線增多, 而且水流湍急、紊亂, 定點(diǎn)的難度更加明顯。為此, 我們利用GPS 的導(dǎo)航定位功能,便迅速地指揮測(cè)量船到達(dá)測(cè)量定位點(diǎn)上。該定位方法測(cè)量船舶的導(dǎo)航、放樣等一系列指揮工作均在船上進(jìn)行, 簡(jiǎn)化了許多作業(yè)程序, 作業(yè)人員間配合便顯得默契, 作業(yè)就比較協(xié)調(diào)、有效。經(jīng)實(shí)際測(cè)算, 比常規(guī)使用全站儀工作效率提高40% ~ 80% , 而且保證了測(cè)量定位點(diǎn)的位置準(zhǔn)確, 提高了測(cè)量精度。
5 .結(jié)論
實(shí)踐證明, 利用GPS 進(jìn)行水下地形測(cè)量和各種水文測(cè)量的導(dǎo)航與定位, 不僅操作簡(jiǎn)便、效率高, 而且精度比其他常規(guī)儀器和方法有較大的提高, 完全實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和數(shù)字化。同時(shí), 根據(jù)水文測(cè)量不同內(nèi)容的精度要求, 運(yùn)用價(jià)值工程的原理進(jìn)行綜合分析, 盡可能地提高GPS 在水文測(cè)量中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和適用性是今后值得探討的問(wèn)題
參加文獻(xiàn)：
[1]徐安雄 周剛炎《測(cè)量新技術(shù)在水文工作中的應(yīng)用》
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