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摘要:本文根据水上施工特点介绍了水上测量近年来发展方向和采取的主要技术手段。根据不同的作业环境和精度要求应采用的测量手段。
中国关键词: 水上工程测量； 施工放样； 高程控制测量
中图分类号：TU74文献标识码： A
Abstract: According to the water construction introduced the characteristics of the main technical means of water measurement in recent years the development direction and take. Method according to the different requirements of the work environment and the accuracy should be used.
Key words: engineering survey water; lofting; control measurement
一、水上工程测量的主要内容为水下地形测量和施工放样,无论水下地形测量还是施工放样其定位方式与陆地测量即有相同之处,也有不同之处。无论水上测量还是陆地测量,采用的坐标系统与陆地是一致的。否则就没有意义了,海上测量一般根据距离海岸的远近,采用不同的定位方法,如光学定位,无线电定位,卫星定位,水声定位以及组合定位等。
光学定位与陆上定位的原理和方法相同,但以交会方法为主,即通常所用的前方交会法、后方交会法、侧方交会法以及极坐标法等。由于后方交会法和侧方交会法多采用在移动站摆设仪器,经纬仪无法实现,均采用六分仪,点位精度比较低,不宜在近岸大比例尺水上地形图以及水上工程测量中应用,该法已渐被淘汰,故本文中不再提及。两点前方交会法和极坐标法为近年来国内外的沿岸测量所常用的方法。尤其适用于港湾大比例尺水上地形测量、工程勘察及施工定位。
无线电定位方法有作用距离远全天候连续定位的特点,故在海洋定位中应用比较广泛。如海用微波测距仪是目前沿岸海区定位的主要仪器之一。作用距离为几十公里,测距精度1～2m。更远距离将采用各种不同定位原理的无线电定位系统,其精度也有所不同。由于GPS的飞速发展,目前海上定位多采用GPS定位技术,根据工程性质不同采用不同的定位方法,目前在我国沿海地区建立了局部区域GPS无线电导向标差分系统(RBN/DGPS),该系统定位精度高,在几十公里范围内定位精度<1m,作用距离远,当海上作用距离在200海里之内时, 其定位精度也可达到<5m。对于定位精度要求更高的测量工作,则采用RTK定位技术,该技术为载波相位差分。可使实时三维定位精度达到厘米级,特别适合海上的工程施工放样,精密测量。目前其作用距离根据采用的数据链不同而不同,从几十公里到几百公里甚至上千公里。就我们目前常用的几种方法进行简单介绍。
二、水上测量平面定位
(1)前方交会法定位在沿岸海域可采用经纬仪前方交会法进行定位,其定位原理见图1。
通常在岸上两控制点A、B上设置经纬仪,同时观测施工船舶的方位角或角度来确定被测物体的坐标。
对于施工区域距离海岸较近便于设站的工程较为适合,交会角应控制在60°～120°之間,个别困难地区也不应大于150°,小于30°。对于海上爆破工程,由于工作时间较长和三班24小时连续作业,宜在测站(A、B)上建立便于观测的测量墩,采用强制对中盘强盘对中,防止仪器长期安置精度和安全。交会法海上定位测量观测记录表格形式,见表1。
(2)极坐标法定位
利用全站仪或电子经纬仪配合测距仪按一方位一距离的极坐标法进行定位,该法在实际作业中应用的也较广泛。
GPS主要由三大部分组成:空间部分―GPS卫星星座;地面部分――地面监控系统；用户部分――GPS信号接收机。对于我们来说主是要是利用GPS的动态定位特点,进行海上测量实时求得被测物体的坐标,动态定位可根据测量的精度要求采用不同的定位方式。
① RBN/DGPS系统(信标机)
由交通部安全监督局统一组织、天津海上安全监督局海测大队组织实施的“, 中国沿海无线电指向标差分GPS(RBN/DGPS)系统目前已基本完成,整个系统由20个RBN/DGPS基准站组成,形成从鸭绿江口到南沙群岛部分区域、覆盖我国沿海港口、重要水域和狭窄水道的差分GPS导航服务网。
这些基准站实时的用无线电播发卫星定位改正数,在其覆盖的范围内用户,都可以接收到这些改正数并用来修正自己GPS接收机的定位结果,这些定位结果,在几十公里范围内精度可达0.5～1.0m之间,在200海里范围内可达1.0～5.0m之间。一台信标机就可以工作了。方便了广大用户,同时又节约了设备投入成本。该系统特别适合于海上大比例尺地形测量、海上资源调查、海上工程勘察、导航、清淤、航道疏竣等。
② 动态载波相位差分定位(RTK)
载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。就是将一台GPS接收机安装在已知点上对GPS卫星进行不间断观测,将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上,再通过基准站电台发射出去。流动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时, 也通过流动站电台接收由基准站电台发射的信号,经解调到基准站的载波相位观测量,流动站的GPS接收机再利用OTF(运动中求解整周模糊度)技术由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相伴观测量来求解整周模糊度,最后求出厘米级精度流动站的位置。这种方法的关键是求解起始的整周模糊度,即初始化,并始终保持。因此,RTK测量除了要求有足够数量的卫星和卫星具有较好的几何颁布外,还要求基准站与流动站之间的数据通讯必须保持良好状态。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态高精度测量领域,如海上桩基施工,钻孔爆破船舶定位,码头制安等。尤其是水下爆破钻孔定位,定位精度高,速度快。
③ GPS基准站的建立
采用RTK进行定位时,基准站的建立是至关重要的。因此,基准站应设在视野开阔的控制点(任意点)上,视场内障碍物不应高于10°以上。以及周围强磁场或电信号干扰。测站应远离高压线、变电站、无线电信号发射设备,并且周围防止有对电磁波有强列反射的物体。GPS仰角设置不应小于10°。
GPS基准站的数据链电台天线应尽量架设在高处。同时作业前应根据场地情况对无线电天线的架设高度进行简单计算,其天线高度一般可按6式计算。D=4.24{(h1)1/2+(h2)1/2} (6)
式中:h1、h2分别为基准站和流动站电台的天线高,单位为米。
D为数据链的覆盖范围半径,单位为公里。
以上计算结果是在海上测站周围无任何遮挡的前提下,实际作业中应进行实地测试。
三、水上高程控制测量
海上测量中高程是非常重要的,港口部门一般都采用深度基准面,深度基准面与大地水准面两者既有联系又有区别。海底的高程是通过观测瞬时水位高程减去海水深度求得。
1.水位站的建立
沿海水位站一般分为长期、短期和临时三种。对于海上工程测量的水位站可采用临时水位站,水位站的布设应能充分反
映测区的水位变化,无沙洲、浅滩阻隔,无壅水、回流现象,不直接受风浪、急流冲击影响,不易被船只碰撞,同时能安装水尺或自动水位计并便于水位观测和水准测量。水尺设置应能控制海水变化,要高于高潮位,低于低潮位,同时还要设立校核水尺。水位的 高程零点应采用图根水准测量求得。
2. 水位观测
施工中应经常校核水尺零点,水尺倾斜时应立即纠正并校核零点高程。水位观测应设专人,可采用随时播报或定时播报的形式,水位读数应取波峰、波谷读数的中数,水尺应读至cm。当采用定时播报时,应每10～30min观测一次,必要时应10min一次,观测计时器计时误差应小于1min。
四、结语
通过几年来水上工程检验,随着测绘仪器的进步和发展。海上定位均采用GPSRTK技术进行平面和高程测量。但对于控制点距测区较远(大于10Km时)高程部分还应采用水位观测法,否则高程精度很难保证。
参 考 文 献
[1] 李德仁等．信息化测绘体系的定位与框架［J］．武汉大学学报(信息科学版)，2007
[2] 王丹．工程测量的发展与需求［J］．测绘通报，2007
[3] 翟国君，黄谟涛. 我国海洋测绘发展历程[J]. 海洋测绘，2009
中国关键词: 水上工程测量； 施工放样； 高程控制测量
中图分类号：TU74文献标识码： A
Abstract: According to the water construction introduced the characteristics of the main technical means of water measurement in recent years the development direction and take. Method according to the different requirements of the work environment and the accuracy should be used.
Key words: engineering survey water; lofting; control measurement
一、水上工程测量的主要内容为水下地形测量和施工放样,无论水下地形测量还是施工放样其定位方式与陆地测量即有相同之处,也有不同之处。无论水上测量还是陆地测量,采用的坐标系统与陆地是一致的。否则就没有意义了,海上测量一般根据距离海岸的远近,采用不同的定位方法,如光学定位,无线电定位,卫星定位,水声定位以及组合定位等。
光学定位与陆上定位的原理和方法相同,但以交会方法为主,即通常所用的前方交会法、后方交会法、侧方交会法以及极坐标法等。由于后方交会法和侧方交会法多采用在移动站摆设仪器,经纬仪无法实现,均采用六分仪,点位精度比较低,不宜在近岸大比例尺水上地形图以及水上工程测量中应用,该法已渐被淘汰,故本文中不再提及。两点前方交会法和极坐标法为近年来国内外的沿岸测量所常用的方法。尤其适用于港湾大比例尺水上地形测量、工程勘察及施工定位。
无线电定位方法有作用距离远全天候连续定位的特点,故在海洋定位中应用比较广泛。如海用微波测距仪是目前沿岸海区定位的主要仪器之一。作用距离为几十公里,测距精度1～2m。更远距离将采用各种不同定位原理的无线电定位系统,其精度也有所不同。由于GPS的飞速发展,目前海上定位多采用GPS定位技术,根据工程性质不同采用不同的定位方法,目前在我国沿海地区建立了局部区域GPS无线电导向标差分系统(RBN/DGPS),该系统定位精度高,在几十公里范围内定位精度<1m,作用距离远,当海上作用距离在200海里之内时, 其定位精度也可达到<5m。对于定位精度要求更高的测量工作,则采用RTK定位技术,该技术为载波相位差分。可使实时三维定位精度达到厘米级,特别适合海上的工程施工放样,精密测量。目前其作用距离根据采用的数据链不同而不同,从几十公里到几百公里甚至上千公里。就我们目前常用的几种方法进行简单介绍。
二、水上测量平面定位
(1)前方交会法定位在沿岸海域可采用经纬仪前方交会法进行定位,其定位原理见图1。
通常在岸上两控制点A、B上设置经纬仪,同时观测施工船舶的方位角或角度来确定被测物体的坐标。
对于施工区域距离海岸较近便于设站的工程较为适合,交会角应控制在60°～120°之間,个别困难地区也不应大于150°,小于30°。对于海上爆破工程,由于工作时间较长和三班24小时连续作业,宜在测站(A、B)上建立便于观测的测量墩,采用强制对中盘强盘对中,防止仪器长期安置精度和安全。交会法海上定位测量观测记录表格形式,见表1。
(2)极坐标法定位
利用全站仪或电子经纬仪配合测距仪按一方位一距离的极坐标法进行定位,该法在实际作业中应用的也较广泛。
GPS主要由三大部分组成:空间部分―GPS卫星星座;地面部分――地面监控系统；用户部分――GPS信号接收机。对于我们来说主是要是利用GPS的动态定位特点,进行海上测量实时求得被测物体的坐标,动态定位可根据测量的精度要求采用不同的定位方式。
① RBN/DGPS系统(信标机)
由交通部安全监督局统一组织、天津海上安全监督局海测大队组织实施的“, 中国沿海无线电指向标差分GPS(RBN/DGPS)系统目前已基本完成,整个系统由20个RBN/DGPS基准站组成,形成从鸭绿江口到南沙群岛部分区域、覆盖我国沿海港口、重要水域和狭窄水道的差分GPS导航服务网。
这些基准站实时的用无线电播发卫星定位改正数,在其覆盖的范围内用户,都可以接收到这些改正数并用来修正自己GPS接收机的定位结果,这些定位结果,在几十公里范围内精度可达0.5～1.0m之间,在200海里范围内可达1.0～5.0m之间。一台信标机就可以工作了。方便了广大用户,同时又节约了设备投入成本。该系统特别适合于海上大比例尺地形测量、海上资源调查、海上工程勘察、导航、清淤、航道疏竣等。
② 动态载波相位差分定位(RTK)
载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。就是将一台GPS接收机安装在已知点上对GPS卫星进行不间断观测,将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上,再通过基准站电台发射出去。流动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时, 也通过流动站电台接收由基准站电台发射的信号,经解调到基准站的载波相位观测量,流动站的GPS接收机再利用OTF(运动中求解整周模糊度)技术由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相伴观测量来求解整周模糊度,最后求出厘米级精度流动站的位置。这种方法的关键是求解起始的整周模糊度,即初始化,并始终保持。因此,RTK测量除了要求有足够数量的卫星和卫星具有较好的几何颁布外,还要求基准站与流动站之间的数据通讯必须保持良好状态。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态高精度测量领域,如海上桩基施工,钻孔爆破船舶定位,码头制安等。尤其是水下爆破钻孔定位,定位精度高,速度快。
③ GPS基准站的建立
采用RTK进行定位时,基准站的建立是至关重要的。因此,基准站应设在视野开阔的控制点(任意点)上,视场内障碍物不应高于10°以上。以及周围强磁场或电信号干扰。测站应远离高压线、变电站、无线电信号发射设备,并且周围防止有对电磁波有强列反射的物体。GPS仰角设置不应小于10°。
GPS基准站的数据链电台天线应尽量架设在高处。同时作业前应根据场地情况对无线电天线的架设高度进行简单计算,其天线高度一般可按6式计算。D=4.24{(h1)1/2+(h2)1/2} (6)
式中:h1、h2分别为基准站和流动站电台的天线高,单位为米。
D为数据链的覆盖范围半径,单位为公里。
以上计算结果是在海上测站周围无任何遮挡的前提下,实际作业中应进行实地测试。
三、水上高程控制测量
海上测量中高程是非常重要的,港口部门一般都采用深度基准面,深度基准面与大地水准面两者既有联系又有区别。海底的高程是通过观测瞬时水位高程减去海水深度求得。
1.水位站的建立
沿海水位站一般分为长期、短期和临时三种。对于海上工程测量的水位站可采用临时水位站,水位站的布设应能充分反
映测区的水位变化,无沙洲、浅滩阻隔,无壅水、回流现象,不直接受风浪、急流冲击影响,不易被船只碰撞,同时能安装水尺或自动水位计并便于水位观测和水准测量。水尺设置应能控制海水变化,要高于高潮位,低于低潮位,同时还要设立校核水尺。水位的 高程零点应采用图根水准测量求得。
2. 水位观测
施工中应经常校核水尺零点,水尺倾斜时应立即纠正并校核零点高程。水位观测应设专人,可采用随时播报或定时播报的形式,水位读数应取波峰、波谷读数的中数,水尺应读至cm。当采用定时播报时,应每10～30min观测一次,必要时应10min一次,观测计时器计时误差应小于1min。
四、结语
通过几年来水上工程检验,随着测绘仪器的进步和发展。海上定位均采用GPSRTK技术进行平面和高程测量。但对于控制点距测区较远(大于10Km时)高程部分还应采用水位观测法,否则高程精度很难保证。
参 考 文 献
[1] 李德仁等．信息化测绘体系的定位与框架［J］．武汉大学学报(信息科学版)，2007
[2] 王丹．工程测量的发展与需求［J］．测绘通报，2007
[3] 翟国君，黄谟涛. 我国海洋测绘发展历程[J]. 海洋测绘，2009