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        GNSS PPK技術(shù)在疏浚與吹填工程測(cè)量中的應(yīng)用

        2020-10-22 06:39:08黃幼明
        港工技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:水位站流動(dòng)站水深

        李 煒,黃幼明

        (中交華南勘察測(cè)繪科技有限公司,廣東 廣州 510220)

        引 言

        全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛,定位需求從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài),定位精度越來越高,定位技術(shù)越來越豐富,有SPS(偽距單點(diǎn)定位)、PPP(精密單點(diǎn)定位)、載波高精度定位(靜態(tài))、DGNSS(偽距差分)、RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位)、NRTK(網(wǎng)絡(luò)RTK)和PPK(后處理動(dòng)態(tài)定位)等定位技術(shù)。不同的定位技術(shù)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)、不同的適用范圍,比如:DGNSS無需載波相位觀測(cè)值,避免周跳、模糊度等復(fù)雜問題,但定位精度較低(1~2 m);靜態(tài)相對(duì)定位的精度較高,但外業(yè)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜;RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位),精度相對(duì)較高(cm級(jí)),但需架設(shè)基站,精度受距離限制,且作業(yè)距離受無線電傳播的限制,一般小于20 km;NRTK(網(wǎng)絡(luò)RTK)無需架設(shè)基站,距離可拓寬50 km,精度與RTK相當(dāng),但主要應(yīng)用在城市CORS網(wǎng)下。

        在疏浚工程測(cè)量中,DGNSS、RTK、NRTK技術(shù)已廣泛應(yīng)用,但PPK(Post Processing Kinematic)技術(shù)僅用于潮位測(cè)量,應(yīng)用相對(duì)較少。PPK模式即后處理動(dòng)態(tài)測(cè)量模式,是GNSS測(cè)量作業(yè)的一種常用、成熟模式。PPK技術(shù)與RTK技術(shù)均屬于高精度動(dòng)態(tài)定位,但PPK技術(shù)不受無線電高波特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒖垢蓴_性及基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的距離等因素的影響和限制,有效作用距離可以達(dá)到80 km,可以作為RTK技術(shù)的有效補(bǔ)充,具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

        1 基本原理

        在GNSSPPK作業(yè)模式,采用一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺(tái)流動(dòng)接收機(jī)同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星,無需實(shí)時(shí)接收流動(dòng)站到基準(zhǔn)站之間的坐標(biāo)差分量,只需連續(xù)記錄基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù);事后在計(jì)算機(jī)中利用GPS處理軟件進(jìn)行線性組合,形成虛擬的載波相位觀測(cè)量值,確定接收機(jī)之間厘米級(jí)高精度的相對(duì)位置;然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動(dòng)站在地方坐標(biāo)系中精確的三維坐標(biāo)。

        以Trimble R10為例,雙頻GNSS在PPK作業(yè)模式下,其平面和高程測(cè)量精度分別為:

        M=±8 mm+1 ppm×D,

        M=±15 mm+1 ppm×D

        式中:D為基線長(zhǎng)度,單位為km。

        在基線長(zhǎng)度小于30 km時(shí),平面和高程精度優(yōu)于±5 cm,滿足疏浚工程控制測(cè)量、地形測(cè)量和吹填施工測(cè)量要求;在基線長(zhǎng)度小于80 km時(shí),平面和高程精度均優(yōu)于±10 cm,滿足疏浚工程水深測(cè)量要求。

        2 GNSS PPK在疏浚工程中的應(yīng)用

        2.1 控制測(cè)量

        1)存在問題

        在疏浚工程開工前,需要對(duì)控制點(diǎn)資料進(jìn)行平面精度驗(yàn)證和求取WGS-84坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。以湄洲灣深水航道三期工程為例,4個(gè)控制點(diǎn)分別位于湄洲灣兩岸,兩點(diǎn)間距約 6~13 km。首先采用4臺(tái)套GNSS進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)觀測(cè),通過對(duì)采集的GNSS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線處理、無約束平差和約束平差。經(jīng)驗(yàn)證,業(yè)主提供的4個(gè)控制點(diǎn)均無顯著變化。然后采用經(jīng)無約束平差得到的各控制點(diǎn) WGS84坐標(biāo)和已知的 1954年北京坐標(biāo),求取WGS-84坐標(biāo)和1954年北京坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。為驗(yàn)證求取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性,須選擇在其中一個(gè)控制點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站,RTK流動(dòng)站分別采集其他控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析。但由于RTK配備的PDL電臺(tái)老化、基準(zhǔn)站架設(shè)的周邊環(huán)境影響等原因,距離基準(zhǔn)站最近的控制點(diǎn)僅6 km,卻未能收到基準(zhǔn)站播發(fā)的無線電差分信號(hào)。

        2)應(yīng)用原理

        采用 GNSSPPK作業(yè)模式在控制點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站,流動(dòng)站分別架設(shè)于其他控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在后處理時(shí),建立當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng),輸入通過GNSS靜態(tài)相對(duì)觀測(cè)求取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),并在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行約束平差可以獲得流動(dòng)站采集的控制點(diǎn)坐標(biāo)。整個(gè)作業(yè)過程無需實(shí)時(shí)接收差分?jǐn)?shù)據(jù),成功避免并解決無線電傳播的問題。

        3)應(yīng)用情況

        架設(shè)基準(zhǔn)站時(shí)與 RTK類似,不同的是測(cè)量類型應(yīng)為“FastStatic”,記錄間隔宜為1 s??紤]控制測(cè)量要求精度相對(duì)較高,流動(dòng)站采用快速對(duì)中腳架進(jìn)行對(duì)中,測(cè)量類型應(yīng)為“后處理動(dòng)態(tài)測(cè)量”,連續(xù)觀測(cè)300歷元。經(jīng)驗(yàn)證,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可用,順利完成湄洲灣三期工程控制網(wǎng)點(diǎn)驗(yàn)證工作。

        若在面積較大、地貌比較復(fù)雜的地區(qū),需不停地移動(dòng)中繼站或搬遷基準(zhǔn)站,作業(yè)效率較低;在機(jī)場(chǎng)等無線電限制區(qū)域,禁止使用 RTK無線電,進(jìn)行地形測(cè)量不得不采用全站儀等常規(guī)作業(yè)手段,作業(yè)效率低。而GNSS PPK作業(yè)模式,不受無電傳輸距離限制,作業(yè)距離較遠(yuǎn),可以在面積較大、地貌復(fù)雜的地區(qū)和無線電限制區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量。

        2.2 攝影測(cè)量

        1)存在問題

        無人機(jī)低空攝影測(cè)量作業(yè)效率高,在陸域地形測(cè)量中得以廣泛應(yīng)用。隨著DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,大量減少了空中三角測(cè)量中地面像片控制點(diǎn)的布設(shè),但高程測(cè)量精度仍無法滿足吹填區(qū)地形測(cè)量的精度要求。

        2)應(yīng)用原理

        搭載可進(jìn)行PPK的高精度GNSS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU(Inertial measurement unit)的無人機(jī),在航空攝影測(cè)量時(shí),用GNSS記錄相機(jī)曝光時(shí)刻航攝儀物鏡中心的位置,IMU記錄航攝儀的姿態(tài)參數(shù)。GNSS采用PPK作業(yè)模式,經(jīng)后處理可獲得每張像片對(duì)應(yīng)航攝儀的精確位置,與 IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理,可直接獲得每張像片的六個(gè)外方位元素,建立各張航片的相對(duì)位置關(guān)系,大量減少地面控制點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量,甚至無需地面控制點(diǎn)。

        3)應(yīng)用情況

        采用配備GNSS接收機(jī)和IMU的Trimble UX5 HP無人機(jī)在廣州港南沙某吹填區(qū)域進(jìn)行攝影測(cè)量,GNSS采樣頻率采用20 Hz,單個(gè)航次(30分鐘)完成0.7 km2吹填區(qū)地形測(cè)量。吹填區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦,本次作業(yè)布設(shè)地面像片控制點(diǎn)一個(gè)。為分析其精度,作業(yè)前在吹填區(qū)設(shè)置了 20處明顯標(biāo)志,便于在像片中精確識(shí)別,并采用激光掃描全站儀,對(duì)設(shè)置標(biāo)志實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo),比對(duì)情況見表1。可以看出:本測(cè)區(qū)檢測(cè)點(diǎn)平面點(diǎn)位誤差最小值為 0.013 m,最大值為 0.055 m,點(diǎn)位中誤差為±0.038 m;檢測(cè)點(diǎn)高程誤差最小值為0.006 m,最大值為0.062 m,高程中誤差為±0.029 m,滿足疏浚與吹填工程1:500大比例尺地形測(cè)量和吹填施工測(cè)量的精度要求。

        表1 攝影測(cè)量與激光掃描全站儀測(cè)量成果比較 /m

        2013年臺(tái)山某測(cè)量項(xiàng)目使用GPS單點(diǎn)定位進(jìn)行攝影測(cè)量,點(diǎn)位中誤差為 0.5 m,高程中誤差為0.3 m。而此次試驗(yàn)采用GNSS PPK技術(shù)進(jìn)行攝影測(cè)量,極大地提高了平面及高程精度,主要原因有:對(duì)于高速飛行器,GNSS采樣頻率采用20 Hz,經(jīng)后處理可以直接精確獲取每張像片的空間位置,而常規(guī)GPS輔助攝影測(cè)量中DGPS精度低、RTK采樣頻率為1 Hz;本次測(cè)量面積小,測(cè)區(qū)地形相對(duì)平坦;配備了3 600萬像素的全景相機(jī),獲取的影像可達(dá)到1 cm精度的分辨率;專業(yè)的無人機(jī)影像后處理軟件具有基線解算功能,可以全自動(dòng)匹配連接點(diǎn)、自動(dòng)空三測(cè)量,功能強(qiáng)大,解算精度高。在今后的應(yīng)用過程中將繼續(xù)研究并驗(yàn)證其精度的穩(wěn)定性。

        2.3 三維水深測(cè)量

        1)存在問題

        對(duì)于沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量,測(cè)區(qū)超出岸邊水位站有效控制范圍,需在海上設(shè)立臨時(shí)水位站(修建驗(yàn)潮站、拋壓力式驗(yàn)潮儀)、潮位推算,或直接進(jìn)行GPS RTK三維水深測(cè)量。但上述方法均存在一些難以克服的缺點(diǎn),影響其在沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量的適用性。

        2)應(yīng)用原理

        GNSS PPK三維水深測(cè)量基于海洋測(cè)繪軟件HYPACK 2014進(jìn)行,在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中采用GNSS PPK進(jìn)行導(dǎo)航定位,存儲(chǔ)單點(diǎn)定位的平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù),在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)采用經(jīng)后處理的精確三維坐標(biāo)逐一替換原始數(shù)據(jù)中的單點(diǎn)定位數(shù)據(jù),達(dá)到精確定位和水位改正,從而不需要建立水位站進(jìn)行驗(yàn)潮。

        3)應(yīng)用情況

        在廣州港南沙港池進(jìn)行GNSS PPK三維水深測(cè)量,并與廣東省海測(cè)大隊(duì)的水深測(cè)量圖進(jìn)行水深重合比對(duì)分析。測(cè)區(qū)水深小于20 m,在不同作業(yè)組、不同測(cè)量日期重復(fù)測(cè)深線的重合處,比對(duì)互差小于等于0.4 m占97.8 %,證明GNSS PPK三維水深測(cè)量符合我國(guó)現(xiàn)行《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》有關(guān)要求,可以有效解決沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量問題。

        圖1 外符合精度分析

        在GNSS PPK三維水深測(cè)量中,無需對(duì)水位進(jìn)行擬合,而是進(jìn)行實(shí)時(shí)水位改正,避免了水位曲線擬合所引起的誤差;且GNSS PPK實(shí)時(shí)水位包含了涌浪造成的測(cè)量船升沉量的改正,進(jìn)一步有效提高了水深測(cè)量精度。

        2.4 海上高程異常測(cè)定

        1)存在問題

        GNSS測(cè)量獲得的高程成果是基于WGS-84參考橢球的大地高,而我國(guó)法定高程系統(tǒng)為以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高,兩者存在的差異即為高程異常。在離岸一定距離的海上或島礁,在使用GNSS進(jìn)行高程測(cè)量或精化區(qū)域似大地水準(zhǔn)面時(shí),須精確測(cè)定高程異常值。在陸地,會(huì)與國(guó)家大地控制進(jìn)行GNSS靜態(tài)相對(duì)觀測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量分別獲取控制點(diǎn)的大地高和正常高;而在海上或島礁,無法與國(guó)家大地控制網(wǎng)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

        2)應(yīng)用原理

        大地測(cè)量學(xué)假定平均海面為大地水準(zhǔn)面,因此各地的多年平均海面,其高程應(yīng)該是相等的。但由于短期擾動(dòng)的影響,各地多年平均海面的高程存在差異,但差異是微小的,一般在每100 km范圍內(nèi)平均僅為10 mm,優(yōu)于國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。采用同步期平均海面法傳遞高程,兩水位站距離72 km時(shí),大潮期間同步觀測(cè)3天,計(jì)算的高差最大差值小于0.05 m。所以,可以認(rèn)為在相距50 km以內(nèi)的沿岸和海上分別設(shè)立陸地水位站和海上臨時(shí)水位站,在大潮期間同步觀測(cè)3天或7天以上,分別計(jì)算的臨時(shí)平均海水面(逐時(shí)潮位的平均值)相等。

        而海上臨時(shí)水位站觀測(cè)采用GNSS PPK作業(yè),若不考慮高程異常影響,在大潮期間同步觀測(cè)3天或7天以上的兩個(gè)臨時(shí)平均海水面應(yīng)一致。反之,若兩個(gè)臨時(shí)平均海水面不一致,則是基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的高程異常不同所致。根據(jù)高程異常的定義,似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離,計(jì)算公式為:高程異常=大地高-正常高。陸地水位站觀測(cè)水位屬于正常高,GNSS PPK獲得的水位(高程數(shù)據(jù)未經(jīng)高程異常改正)屬于大地高,所以海上臨時(shí)水位站所處位置的高程異常等于GNSS PPK所測(cè)水位的平均值減去陸地水位站觀測(cè)水位的平均值。

        3)應(yīng)用情況

        在港珠澳大橋工程中,在測(cè)區(qū)挖泥船“金雄”上安裝GNSS接收機(jī),設(shè)置海上臨時(shí)水位站,陸地水位站采用香港天文臺(tái)公開發(fā)布的香港赤鱲角水位。分別于2012年11月10日至12日,2014年5月14日至17日進(jìn)行了兩次同步觀測(cè),所求得的高程異常僅相差0.4 mm,說明采用GNSS PPK進(jìn)行同步驗(yàn)潮測(cè)定海上高程異常的方法可靠。

        3 結(jié) 論

        1)GNSS PPK技術(shù)不受無限電傳播距離限制,有效作用距離較遠(yuǎn),精度較高。采用GNSS PPK技術(shù)不僅解決了遠(yuǎn)距離 RTK無法完成控制網(wǎng)點(diǎn)驗(yàn)證的問題,還可以應(yīng)用于面積較大、地貌復(fù)雜的地區(qū)和無線電限制區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量。

        2)采用GNSS PPK技術(shù)解決了常規(guī)攝影測(cè)量精度相對(duì)較低、不能滿足疏浚與吹填工程中大比例尺測(cè)圖精度要求的問題,不僅提高了平面精度和高程精度,而且大量減少了地面像片控制點(diǎn)的布設(shè)。

        3)采用GNSS PPK技術(shù)解決了遠(yuǎn)距離水深測(cè)量水位控制和精度保證的問題,成功應(yīng)用于三維水深測(cè)量,還解決了海上高程異常測(cè)定的難題。在今后的疏浚與吹填工程測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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