梁書祥

【摘 要】近年來，我國基建事業(yè)發(fā)展十分迅速，沿海各個省份、城市紛紛進行各種大型港口航道項目的施工，為往來船只提供便利，使得我國水上交通愈發(fā)順暢。但是港口航道工程偶爾會出現(xiàn)質量問題，為航行船只與往來人員帶來了一定的不便，嚴重時甚至會危害他們的生命財產(chǎn)安全，也不利于水上交通的發(fā)展。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，港口航道工程質量問題產(chǎn)生的原因有很多，其中測量數(shù)據(jù)不準、錯誤估計水位等都是常見的問題，若是在數(shù)據(jù)測量上出現(xiàn)問題，會給港口航道埋下安全隱患。文章結合實際情況，研究GPS-PPK技術在港口航道測量領域的應用。

【關鍵詞】GPS-PPK技術;港口航道測量領域;應用研究

【中圖分類號】P228.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0123-03

1 港口航道測量采用高新科技的重要性

港口航道的暢通乃是發(fā)展水上交通、保證船只順利航行的基礎，與我國航運事業(yè)的發(fā)展有著密切聯(lián)系，根據(jù)我國海洋管理部門調查與統(tǒng)計所獲的數(shù)據(jù)可知：在我國總體經(jīng)濟貿(mào)易中，港口交易占據(jù)了大概1/3的比重，有著舉足輕重的地位，直接影響我國國民生產(chǎn)總值，其中國內(nèi)的運輸量占11%～13%，而進出口貿(mào)易則比前者多一倍。同時，港口的建設與發(fā)展在我國南部沿海地區(qū)的經(jīng)濟建設體系中占據(jù)57%的高額比重，在旅游業(yè)建設體系中更是達到了驚人的63%。可以說，港口的建設對當?shù)亟?jīng)濟的開發(fā)與建設有著十分重大的影響，這些數(shù)據(jù)無一不彰顯著港口建設的重要性。港口航道測量是建設港口時十分重要的步驟，只有減少測量誤差，獲取精準的數(shù)據(jù)，才能保證港口航道的順利開辟，從而使港口建設能夠順利完成，并提升我國水運管理體系的質量，為推進國家經(jīng)濟發(fā)展提供強大的動力。

2 GPS-PPK技術簡介與測量原理

2.1 GPS技術簡介

GPS乃是全球定位技術，依托發(fā)射到太空中的衛(wèi)星作為基礎，采用無線電傳輸進行信息發(fā)送和接收，實現(xiàn)高精度的無線全球定位，自問世以來就廣受歡迎，家喻戶曉。GPS起源于20世紀的美國，最初被應用于軍事領域，能夠幫助軍方實現(xiàn)導彈的精準打擊，隨著這項技術的發(fā)展，它的適用范圍逐漸拓展到民用領域，其具有的定位、導航與測量等強大功能使之有著廣泛的應用領域，其中在汽車導航方面幾乎占據(jù)了整個市場，被譽為汽車的保護神。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，GPS在物流行業(yè)也起到了關鍵作用。而在測量方面，由于它有著極高的精度，因此被廣泛應用于建筑工程中的數(shù)據(jù)測量。

2.2 PPK技術簡介

PPK技術是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術，也就是動態(tài)后處理技術，是最近興起的測量技術，暫時還未被普及使用，一般被視作RTK技術的補充。

RTK技術，全稱載波相位差分技術，是依托GPS定位技術進行的重要技術升級與革新，是GPS應用過程中的重大突破，也是GPS應用史上十分重要的里程碑。RTK技術是實時處理兩測量站之間載波相位觀測量的差分方法，基準站負責利用GPS技術對載波相位進行采集與測量，并將其發(fā)送給用戶接收端，接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行計算，從而獲得被測點的坐標。之前的靜態(tài)測量與動態(tài)測量等多種測量方法都是需要在事后分析和計算時才能夠獲得較高精度的數(shù)據(jù)，而這種技術卻能夠實時獲得精確的待測點坐標且精度能夠達到厘米級，誤差控制在幾厘米，這種技術的發(fā)明為各種領域的數(shù)據(jù)測量帶來了新的曙光，大大提升了作業(yè)效率。但RTK技術存在一個十分致命的弊端：它受到作業(yè)距離的限制，當作業(yè)距離較遠，超出信號覆蓋范圍時，或者在偏遠、信號差、基站少的山區(qū)進行測量時，就無法接受差分信號，不能進行測量。差分傳輸是一種信號傳輸技術，通過數(shù)據(jù)鏈進行傳輸工作，會在一定程度上受到周圍環(huán)境的影響，而PPK技術正好彌補了這一缺陷，它不需要應用數(shù)據(jù)通信且作業(yè)半徑較大，高達300 km，在很多RTK技術受到限制無法正常使用的區(qū)域，PPK技術也能準確獲取數(shù)據(jù)。

PPK技術所使用的系統(tǒng)同樣由基準站和流動站組成，由于它是進行事后處理，因此不需要用戶端裝備數(shù)據(jù)通信鏈，也不需要考慮流動站是否能夠接收到通信信號的問題，觀測時更方便，限制較少。由于港口都建設在海岸周圍，茫茫大海上的信號傳輸會受到一定的阻礙，很難接收通信信號，因此它更能勝任港口碼頭的測量工作。

3 測量原理

（1）GPS定位原理。GPS定位是通過3顆衛(wèi)星對同一用戶端的距離數(shù)據(jù)計算得出用戶端的位置坐標，但這是理想情況下的條件，而實際進行定位時，為了消除誤差，提升數(shù)據(jù)精度，會選擇第四顆衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)作為參照，以獲得最為精準的用戶端坐標。

（2）載波相位測量原理。衛(wèi)星與地面進行數(shù)據(jù)交換所使用的電磁波都具有一定的周期，其波形是固定的，某特定時刻的電磁波在循環(huán)中所處的位置稱為相位，利用衛(wèi)星上某時刻的載波相位與到達接收機時的相位和所使用電磁波的波長，能夠計算出衛(wèi)星與接收機之間的距離，再將數(shù)據(jù)帶入公式進行計算，可得出載波相位測量的線性方程。

4 GPS-PPK技術在港口航道測量領域的應用

4.1 制樁前對水位等的測量

樁乃是港口航道中最基礎也是最重要的部分，一般會在基地進行制作，再運輸?shù)街付ǖ攸c進行沉放。在進行預制時，應當按照高樁港口航道的不同分類進行材料和結構、長度、粗細等的選擇，并且按照沉樁順序分類生產(chǎn)。制樁工作應當先于高樁港口航道工程進行，保證在施工過程中不會出現(xiàn)因為缺樁而導致的工程延期、停工等問題。同時應當注意，生產(chǎn)樁的時間不能過早，否則會增加儲存費用和維護費用，而且在其堆積存放的過程中也可能出現(xiàn)一定的損耗和腐蝕問題，增加建造成本，還可能出現(xiàn)生產(chǎn)量過大、浪費資源的問題，以及增大積壓資金導致后續(xù)工作缺乏資金等麻煩。應當在施工規(guī)劃大體完成后進行制樁，確保數(shù)量和型號不會出現(xiàn)較大偏差，根據(jù)工程項目計劃書中規(guī)定的樁數(shù)留出一定余量，防止開工后因為樁的問題影響工程進度。

項目書中所需樁數(shù)量的計算與所用樁的長度、直徑等，需要先對目標海域的水深、水流速度等進行測量，傳統(tǒng)測量方式中存在較大誤差，尤其是計算水深時，需要在潮起潮落受到海浪影響嚴重的海面上進行，原始的水深測量方法需要對聲速、水位等數(shù)據(jù)進行一系列測量與計算，才能得到圖載水深，在不考慮海底地形變化等因素的影響時，可以將其表示為以下公式：

Ht=HO+△I+△H+△D+Tide+ξ（1）

其中，Ht為圖載水深，HO為野外觀測水深，△I為測深儀指標差改正值，△H為聲速改正值，△D為吃水改正值，Tide為水深改正值，ξ為其他改正項。水深測量的基本結構如圖1所示。

這種方法存在許多弊端，例如多個因素之間相互影響、相互制約，其中一個變量發(fā)生改變時，會同時引發(fā)其他多個數(shù)據(jù)的變化，導致最終結果不準確。船舶航行時，受到海浪的作用，測量換能器的吃水深度十分困難且誤差較大。而利用GPS-PPK技術進行水深測量，則可以避免這個問題，消除海浪、換能器吃水等多個因素的影響，測量原理如圖2所示。

S=D+SM+V-H

圖2中，H代表利用GPS-PPK技術測得的大地高度，其中H代表利用GPS-PPK技術測得的大地高度，而D則是代表從船底到海底地形的實際水深，V代表GPS天線到換能器表面的高度，S代表從海圖基準面到海底地形的圖載水深，ED則是該點海底的大地高（大地高：某點沿參考橢球面法線到參考橢球面的距離）。

4.2 基線的測量

樁必須精確地沉放到預定位置才能起到作用，保證港口平臺的穩(wěn)定性，保障航道的安全，否則容易出現(xiàn)傾斜和坍塌事故。為了確保樁的沉放位置不出現(xiàn)偏差，應當預設施工基線，并在相應的位置標出控制點。一般布置相互垂直的兩條基線，其中一條與港口航道中軸線平行，這樣能夠保證樁與港口航道面垂直，形成穩(wěn)定結構。選取施工基線的布置點時，應當注意在水平地面上且無沉陷、位移、傾斜，盡量遠離施工中心，避免基線受到施工影響而產(chǎn)生走位，不能精準指示位置。若港口航道附近沒有能夠依據(jù)的岸線或者建筑物，可以在現(xiàn)場制作測量平臺，以供定位使用。當港口航道附近地形復雜，不能采用上述任何一種方法時，可以設置不垂直的兩條基線（特殊情況下，繪制水平或者垂直方向上的基線具有一定難度，因此可以利用兩條不成直角的基線輔助施工），用經(jīng)緯儀采用特殊方法進行基線繪制，做到在任何情況下都能保證基線精度。在繪制基線時需要測量很大一片區(qū)域的平整度、長度與寬度等，傳統(tǒng)測量方式是采用人工測量，以三角高程測量方法為基礎，配合水準測量、導線測量等多種方法，再經(jīng)過大氣等方面的改正計算，最后得出數(shù)據(jù)，很容易受到工程師工作狀態(tài)和天氣因素的影響而出現(xiàn)誤差，而利用GPS-PPK技術可以直接獲得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動獲取重力、大氣等相關數(shù)據(jù)，并進行計算，大大節(jié)省測量時間，并具有較高的精度，也不受天氣影響。

4.3 沉樁過程中的測量

沉樁是碼頭航道構建過程中最重要且最關鍵的步驟，但同時也是難度最大的一項施工，因為它受到環(huán)境和施工條件的影響最大，容易出現(xiàn)偏差。施工單位必須在沉樁前對當?shù)刈匀画h(huán)境、地形等做好調查，依托有利環(huán)境，選擇最佳時機進行沉樁，為日后港口航道的建造打下良好的基礎。

（1）因地制宜地選擇沉樁方法。目前，常采用的沉樁方法，例如打入樁、震動沉樁、靜力壓樁等，適用的環(huán)境與主要依托的動力都有差別，施工前應當根據(jù)當?shù)氐牡匦翁攸c、水位、風向等條件，選擇最恰當?shù)某翗斗椒?。例如，在覆土較厚的地區(qū)，可以采用鉆孔埋樁法。想要獲得風力、水位、水底地質、砂石厚度等數(shù)據(jù)，就必須進行復雜的測量工作，會消耗大量的人力、物力資源，而采用GPS-PPK技術可以直接獲取數(shù)據(jù)，為沉樁工作提供科學的依據(jù)。

（2）沉樁間距的測量。沉樁順序與間距的選擇關系到施工質量與整個工程的進度，它并不是固定的，可以根據(jù)現(xiàn)場情況進行調整，一般采用順岸沉樁的順序，從港口航道的岸邊開始逐漸向外設樁。在使用單一打樁船工作時，應當注意保持樁之間的間隔，采用多條打樁船同時進行施工時，需要讓它們之間保持一定的距離，防止相鄰的樁下沉時引發(fā)的震動帶來水壓驟變，引發(fā)對岸坡的沖擊，給施工帶來不便。此外，樁之間需要保持一定距離，這個距離需要根據(jù)水壓、水深等多方面的數(shù)據(jù)進行確定，利用GPS-PPK技術能夠方便地獲取這些數(shù)據(jù)。

4.4 布置樁基工作中的測量

（1）樁長測量。支撐樁的長度由硬土層的標高決定，而摩擦樁的長度則根據(jù)結構重量與將要施加在它身上的壓力決定，樁尖標高需要盡可能地保持一致，不能出現(xiàn)較大差距，否則可能造成港口平面傾斜;此外，樁長不能超過打樁船能夠接受的最大高度，否則就需要進行逐節(jié)接樁，并且接樁時也不能使用太多，接樁處較為脆弱，要將接樁位置設置在腐蝕較小處。由于海底地勢不平，在測量硬土層高度時會遇到許多阻礙且需要多次測量，由人工進行測量工作量巨大，采用GPS-PPK技術可以節(jié)省大量人力、物力。此外，想要在不平整的海底地勢條件下保持樁尖高度一致，就需要在水下進行高度測量，傳統(tǒng)測量方式會受到海浪波動的影響，GPS-PP技術不受這些因素的影響，能直接獲取數(shù)據(jù)。

（2）樁基的平面與縱向布置中的距離監(jiān)測。樁基縱向布置需要根據(jù)橫向排架間距確定，一般采用較長的樁和較大間距跨度，降低造價。而進行平面布置時需要精確測量與計算斜樁的傾斜角度和方向，避免樁在水底互相碰撞。此外，樁基之間需要預留超過0.5 m的間距，防止由于誤差導致的兩樁相碰。在水中確定1 m以下的長度時較為困難，唯有依托新技術，才能夠方便地進行間距測量，并準確獲取斜樁的傾斜角度。

5 GPS-PPK技術在港口航道測量領域的使用前景展望

經(jīng)過大量的測試實踐，如今GPS-PPK技術所獲得的水深、大地高等數(shù)據(jù)精度已經(jīng)達到較高水平，完全能夠滿足我國港口航道測量時對于數(shù)據(jù)的精度要求，可將誤差控制在可接受范圍內(nèi)，不會影響安全性。此外，這項技術的作用距離也將大大提升，能夠覆蓋港口航道測量所需的作業(yè)范圍。未來，還可發(fā)展GPS-PPK聯(lián)測的測量方式，利用多個觀測點對某幾個標段或者整體標段進行聯(lián)測，最大限度地消除誤差，提高測算結果的精度，并提升測量效率。隨著信息化技術的發(fā)展，測量數(shù)據(jù)平臺的構建也會提上日程，屆時大型碼頭航道建設工程中就會建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，多項數(shù)據(jù)的測量、多個標段的數(shù)據(jù)采集工作可同時進行，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺，可以方便地進行數(shù)據(jù)比對、計算與保存，還可綜合考慮不同標段情況的差異對工程進行整體的調整。

參 考 文 獻

[1]諶業(yè)良，姜曉暉.雙頻GPS PPK技術在西藏公路線路測量中的應用[J].水道港口，2002（2）：97-99.

[2]鄒進貴，陳健，余銳，等.GPS PPK技術在船舶通航試驗中的應用[J].測繪通報，2012（s1）：76-78.

[3]暴景陽，劉雁春.海道測量水位控制方法研究[J].測繪科學，2006（6）：49-51.