gps技術(shù)在深水航道整治工程中的應(yīng)用

gps技術(shù)在深水航道整治工程中的應(yīng)用

隨著gps跟蹤技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種用途的測(cè)量和工程測(cè)量。在這些領(lǐng)域，傳統(tǒng)的測(cè)量方法已經(jīng)逐漸取代了之前的測(cè)量方法。在大型和特大型工程項(xiàng)目中，GPS技術(shù)更以其特有的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著重要的作用。1gps技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1.1測(cè)量方法的不符合GPS測(cè)量的精度要明顯高于常規(guī)工程測(cè)量，GPS基線向量的相對(duì)精度一般在10-5～10-9之間，這是普通測(cè)量方法很難達(dá)到的。國(guó)外有試驗(yàn)結(jié)果表明在長(zhǎng)度為50～450km的基線上，3次試驗(yàn)結(jié)果的短期精度統(tǒng)計(jì)為：南北分量1.9mm±1.6×10-8，東西分量2.1mm±1.3×10-8，垂直分量的精度平均為17mm，與距離無(wú)明顯關(guān)系。1.2選擇靈活的方式和低成本由于GPS測(cè)量不要求測(cè)站間相互通視，不需要建造覘標(biāo)，布網(wǎng)費(fèi)用可以大大降低。1.3不受天氣條件的影響GPS測(cè)量幾乎可以在任何時(shí)間、任何氣候條件下，均可以進(jìn)行GPS觀測(cè)，大大方便了測(cè)量作業(yè)，有利于按時(shí)、高效地完成控制網(wǎng)的布設(shè)。1.4測(cè)量時(shí)間短采用GPS布設(shè)一般等級(jí)的控制網(wǎng)時(shí)，在每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在1～2h，采用快速靜態(tài)定位的方法，觀測(cè)時(shí)間更短。1.5數(shù)據(jù)處理高度自動(dòng)化采用GPS技術(shù)，可使數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程均能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。減少人為誤差和粗差發(fā)生的可能性。1.6其他性能此外還有諸如數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守觀測(cè)等特點(diǎn)。2基于gps的大地測(cè)量定位技術(shù)在海底隧道施工中的應(yīng)用,從根全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem-GPS）這一當(dāng)代高新技術(shù)的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)者當(dāng)初的設(shè)想。在大型特別是大型工程項(xiàng)目中，GPS定位技術(shù)由于很好地克服了天氣、通視、作用距離等諸多外界不利因素的限制，使其成為主要的測(cè)量定位手段。早在1987年開(kāi)始施工的橫跨英吉利海峽的歐洲海底隧道工程，工程全長(zhǎng)50km，隧道深入海底40m。當(dāng)采用經(jīng)典大地測(cè)量方法時(shí)，隧道縱橫向誤差為4×10-6，而后來(lái)采用GPS進(jìn)行控制測(cè)量得到隧道縱橫向誤差為1×10-6，提高了工程質(zhì)量。1998年開(kāi)始施工的上海長(zhǎng)江口深水航道整治工程，一、二期工程施工位置最外端離海岸超過(guò)50km。由于采用GPS定位技術(shù)，提高了工程進(jìn)度和質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。在此項(xiàng)目的一期工程中，經(jīng)科學(xué)的計(jì)算和嚴(yán)密的精度估算，實(shí)現(xiàn)了直接利用7參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了由GPS坐標(biāo)向工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算過(guò)程，為以后的大型工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。3大橋測(cè)量定位的必要性正在建設(shè)中的杭州灣跨海大橋跨躍30多公里的遼闊海面，工程質(zhì)量要求高，工期緊，多家施工單位在不同的施工標(biāo)段同時(shí)開(kāi)工，使得長(zhǎng)期以來(lái)在普通橋梁建設(shè)中廣泛使用的常規(guī)測(cè)量技術(shù)已無(wú)法勝任，在大橋的各個(gè)施工階段選擇GPS方法進(jìn)行測(cè)量定位是必須的。和其他特大型工程項(xiàng)目一樣，在杭州灣跨海大橋的整個(gè)工程覆蓋范圍內(nèi)建立了精密的三維首級(jí)GPS控制網(wǎng)和3～4個(gè)固定GPS參考站，由此可以保證大橋的各個(gè)施工工作面的基準(zhǔn)系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)一致、精確統(tǒng)一。3.1數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理杭州灣跨海大橋首級(jí)GPS控制網(wǎng)質(zhì)量將直接影響到整個(gè)工程建設(shè)的質(zhì)量。根據(jù)首級(jí)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)橋位區(qū)域控制點(diǎn)的布設(shè)位置和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)路線的點(diǎn)位情況進(jìn)行了認(rèn)真踏勘和比較，選定了首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)和聯(lián)測(cè)路線中臨時(shí)固定點(diǎn)的具體點(diǎn)位設(shè)置和埋設(shè)方法，并根據(jù)實(shí)地情況，在標(biāo)石埋設(shè)時(shí)分別采用了埋設(shè)混凝土標(biāo)石、打樁建墩和鑿設(shè)巖層基本標(biāo)石等方式。再根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)的基本要求和實(shí)際的觀測(cè)條件，進(jìn)行首級(jí)GPS網(wǎng)觀測(cè)和一、二等水準(zhǔn)測(cè)量，用嚴(yán)密、科學(xué)的計(jì)算方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和平差（首級(jí)GPS控制網(wǎng)見(jiàn)圖1）。首級(jí)GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理使用了IGS（國(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)機(jī)構(gòu)）提供的精密衛(wèi)星星歷，采用了目前國(guó)際領(lǐng)先的Bernese和Gamit等GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理和分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中加入了多種改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高數(shù)據(jù)精度的計(jì)算模型和改正參數(shù)。首級(jí)GPS控制網(wǎng)外業(yè)作業(yè)的基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。在首級(jí)GPS控制網(wǎng)中高程按國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，使用高精度的Ni002A精密水準(zhǔn)儀。數(shù)據(jù)處理時(shí)加入了諸如標(biāo)尺尺長(zhǎng)改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正等一系列改正數(shù)據(jù)。水準(zhǔn)測(cè)量基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。3.2以以權(quán)為依據(jù)的投影測(cè)量方法首級(jí)GPS控制網(wǎng)最后提供的平面坐標(biāo)成果采用的參考橢球與克拉索夫斯基參考橢球扁率相同，長(zhǎng)半軸增大65m，投影方式為高斯投影，中央子午線經(jīng)度為121°06′。由于中央子午線非常接近大橋中軸線，投影變形可以忽略不計(jì)，對(duì)后續(xù)各項(xiàng)測(cè)量工作的投影計(jì)算帶來(lái)方便。通過(guò)增大參考橢球的長(zhǎng)半軸也可以有效地解決因大橋橋面的大地高較大引起的歸算問(wèn)題。但這一做法并不是常用方法，因此很可能會(huì)引起某些測(cè)量計(jì)算軟件無(wú)法使用的問(wèn)題。3.3gps合比例正擬合利用GPS具有的三維高精度測(cè)量特性，直接通過(guò)GPS測(cè)量獲得高精度高程是杭州灣跨海大橋首級(jí)GPS控制網(wǎng)布測(cè)的一個(gè)重要目標(biāo)。為便于GPS高程測(cè)量的有效進(jìn)行，在大橋兩岸和整個(gè)橋區(qū)進(jìn)行了GPS水準(zhǔn)高程擬合計(jì)算，給出了由GPS橢球高程向65m高程面的換算關(guān)系。這為后續(xù)采用GPS進(jìn)行高程測(cè)量工作提供了極大的方便，對(duì)打樁定位系統(tǒng)、無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量系統(tǒng)等在該水域范圍內(nèi)的測(cè)量定位工作來(lái)說(shuō)尤為重要。需要說(shuō)明的是，由于在建立杭州灣跨海大橋首級(jí)GPS控制網(wǎng)高程換算關(guān)系時(shí)沒(méi)有引進(jìn)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的重力數(shù)據(jù)或重力場(chǎng)模型。實(shí)際上，在建立這種高程換算關(guān)系時(shí)只采用了大橋兩岸的公共點(diǎn)高程，而整個(gè)工程的跨海區(qū)域內(nèi)沒(méi)有采用任何與高程換算有關(guān)的數(shù)據(jù)和資料。根據(jù)杭州灣跨海大橋所處位置的高程異常狀況和以往工程經(jīng)驗(yàn)，目前這種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)歸算方法計(jì)算的高程將存在一定的模型誤差，需要在今后使用中加以注意并加以驗(yàn)證。3.4不同單位技術(shù)差異的系統(tǒng)設(shè)置誤差在大型工程建設(shè)過(guò)程中，建立固定的連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站可以有效地避免因在同一地區(qū)多個(gè)用戶獨(dú)立建立GPS參考站可能引起的各種問(wèn)題。如發(fā)送RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)線電信號(hào)相互干擾；不同單位在同一區(qū)域內(nèi)重復(fù)投入相同的參考站設(shè)備造成的浪費(fèi)；因不同單位技術(shù)人員技術(shù)差異而可能產(chǎn)生的系統(tǒng)設(shè)置差錯(cuò)等。在杭州灣跨海大橋工程區(qū)域內(nèi)，分別在南岸和北岸各建立一個(gè)公共的固定GPS參考站，在水域中間適當(dāng)位置建立兩個(gè)臨時(shí)性的公共GPS參考站。其中兩岸的固定參考站可以提供實(shí)時(shí)的RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)和事后的參考站靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)以事后文件方式提供。水域中間的參考站僅提供RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。由于有了專門的技術(shù)服務(wù)單位承包這些固定參考站的技術(shù)維護(hù)，參考站目前工作正常，為施工單位提供了便利。與國(guó)內(nèi)外類似大型工程的參考站比較，杭州灣跨海大橋工程項(xiàng)目的GPS參考站還存在一些不足。主要表現(xiàn)為提供的數(shù)據(jù)類型單一；用戶不能主動(dòng)獲取參考站數(shù)據(jù)；RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)不能很好地兼容不同類型的GPS接收機(jī)，使得某些已有其他類型GPS接收機(jī)的用戶不能使用這些參考站。4通過(guò)首級(jí)gps控制網(wǎng)的研究和應(yīng)用，完善項(xiàng)目測(cè)量模型(1）在大型或特大型工程建設(shè)項(xiàng)目中，GPS測(cè)量方式與常規(guī)測(cè)量方式相比具有精度和效率高、作用范圍廣、不受氣候條件限制等諸多優(yōu)勢(shì)。(2）杭州灣跨海大橋工程項(xiàng)目從特大型工程建設(shè)的實(shí)際需要出發(fā)，建立了高質(zhì)量的首級(jí)