全站仪GPS技术在水下工程测量中的应用比较

　　摘要：文章利用了全站仪、GPS技术结合计算机的过程控制原理来实施对工程物件在水下移动定位时的测量、控制和定位，方法是将水下物体的测控点上移到水面上，由全站仪或GPS测量定位，进而控制水下物体的定位，从而探讨全站仪和GPS测量技术在水下工程测量中的应用比较。
　　关键词：全站仪；GPS；水下工程；测量
　　一全站仪、GPS测控技术概述
　　1全站仪测控系统
　　全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。工作原理主要是利用全站仪将测控的范围标尺，建立坐标系实施测量控制。这里的坐标系指的是测定测程范围内的点与点之间的相对三维坐标。全站仪在水下工程中测量定位主要是把水下测控的点转移到水面上来完成。具体的做法是在工程物体上的控制点引伸到水面以上建立对应的测量点，可以用建造测量塔、柱、杆等措施。全站仪几乎可以用在所有的测量领域。电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等组成。
　　2GPS测量技术
　　在测绘领域，随着全站仪的推广普及，传统的经纬仪、测距仪逐渐被取代。近年来，随着GPS测量技术的发展，工程测量的作业方法更是发生了历史性的变革。GPS测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，从而求定测量点的空间位置，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。现已成功应用于工程测量、航空摄影测量、工程变形测量、资源调查等诸多领域。
　　全球定位系统（GPS）原始思维理念是将参考的定位坐标搬到天空上去。这样可在任何时候任何地方提供全球范围内三维位置。三维速度和时间信息服务。GPS测量定位技术应用到水下工程中，和全站仪一样都是将水下需要测量定位的点转移到水面上。
　　GPS定位分为单点定位和相对定位。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
　　二全站仪和GPS在水下测量定位的应用比较
　　1全站仪的优缺点
　　全站仪的优点：计算完全是由内部计算机自动完成。它是在电子经纬仪的基础上增加了电子测距的功能，使得仪器不仅能够测角，而且也能测距，并且测量的距离长、时间短、精度高。全站型电子速测仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。全站仪的缺点：全站仪在用于水下测量定位方面尚有一
　　些问题。具体如下：
　　（1）全站仪测量控制只能在浅水情况下使用，一旦水太深，全站仪接收陵镜不能伸出水面就无法发挥作用。
　　（2）全站仪测量定位范围有限，不能实施大范围的测量定位，一般不超过1公里。
　　（3）需要固定的测量站。
　　（4）受天气条件的影响。
　　（5）一般需要人工观测。
　　（6）观测的数量少。
　　2GPS的优缺点
　　（1）GPS的优点：GPS导航定位以其全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。①采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强。网形构造简单，点的疏密和边的长短可灵活选取，即使离已知控制点较远也可以连接，并进行控制网的定位和定向。另外，它解决了点位之间无法通视的困难，选点灵活，不需要高标，同时还可以保证外业施测不受天气影响。测设大型（长边）方格网和通视条件特别困难时，尤其能够显示其优越性。尽管GPS本身在进行测量时不受到通视条件的限制，但是，工程测量一般为小范围测量并受到工程成本的限制。因此，在实际的工程测量中，仍然要考虑使用全站仪、经纬仪、水准仪等常用且投入较少的仪器。这些常用的仪器一般都需要点与点之间相互通视，特别是在布设控制网时，点与点不能通视将会给测量工作带来较多的麻烦和困难。
　　②GPS方格网点位精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。
　　③采用点位中误差作为方格网测量精度指标是可行的，它比用相对中误差表示精度指标更为合理。
　　④节省时间。GPS系统不断升级，目前，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相冲在15km以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。另外，GPS还具有：观测数量多、成本低、不需要固定的观测站等优点。
　　（2）GPS的缺点：
　　①GPS系统精确定位的关键就在于对卫星和接收机之间距离的准确计算，按照固定模式：距离=速度×时间，时间确定之后，速度按电磁波的传播速度定。众所周知电磁波在真空中的传播速度很快，但大气层不是真空状态，信号要受到电离层和对流层的重重干扰。GPS系统只能对此进行平均计算，在某些具体区域肯定存在误差；在大城市或山区由于高层建筑物及树木等对信号的影响，也会导致信号的非直线传播，计算时也会引入一定的误差。
　　②GPS是个单程的接收系统。GPS是一种用户作为终端只接收信号的单程系统，目前还没有用户接收后再传输到中央控制系统的。
　　三GPS结合全站仪测量实例比较
　　1概述
　　某隧道工程采用沉管法施工，距A地2km。沉管段总长736m，分为7节管段，E3、E4管段尺寸为100m*43m*9.55m，EZ管段尺寸为104m*43m*9.55m，EI、E5、E6、E7管段的尺寸为108m*43m*9.55m，为双向八车道水下公路交通沉管隧道。测量任务主要是按照设计要求，控制沉管段的里程、轴线、标高及附属测量工作。具体的方案是在全站仪的测量定位基础上再引入了GPS随动
　　跟踪测量和检测定位。原理同样是将水下需要测量定位的点相应的转移到水面以上，然后根据GPS、全站仪等测量定位技术实施测量定位。以下简单介绍测量定位的方案：
　　2管段浮运沉放对接测量
　　管内定位点、高程点引测：在管段制作基本完成，端面门封闭之前，根据管段制作时的控制点引测管内定位点、高程点及管内安全门对应管内两侧测放连通管之标高线。在引测的管内定位点、高程点安装GPS接收器。管面中轴线点、高程点引测：用管段制作时控制点先把中孔中轴线点定出，再把该点引测至管顶面前后和中间，并测出其里程和标高。
　　A、B测量塔上控制点的引测：管段在临时系泊区安装好测量塔后，根据干坞内在管顶面测放之轴线点架设全站仪和GPS，把该轴线点之里程及标高引测至测量塔的定位棱镜和GPS接收仪上。
　　沉放区管段沉放对接测量：在东岸、西岸两侧岸上所引测的轴线控制点上各架设一台全站仪和GPS接收仪，将管段浮运至沉放区并系泊完成后，向管内压载水箱注水，当管段的负浮力达到400t时，管段开始慢慢下沉。当管段GINA止水带距暗埋段前端IM时，通过全站仪和GPS测量，指挥两个专用浮驳，将管段底部与桩帽面高度调整至30cm，控制好管段轴线。测量员不断对管段里程、轴线、高程进行观测。当管段的轴线与仪器的轴线重合后，指挥拉合千斤顶开始拉合，管段GINA止水带刚好与暗埋段钢端接触时，停止拉合。此时测量员检查仪器重新对点后视，细致测量管段轴线，使管段轴线与仪器轴线保持重合，潜水员用卡尺检查管段两侧和GINA止水带情况正常后，开始接头放水压接，测量员要注意观测管段的轴线偏差，压接完成后，岸上测量结束。
　　管内管段沉放对接测量：管段水压接完成后，打开沉放管段靠暗埋段的水密封门，即开始管内控制测量。将全站仪、GPS接收器架设在暗埋段的控制点上，先对管段尾部定位点的轴线进行测量，如测的轴线超出设计要求，即指挥浮驳重新吊起进行调整，或在接头处的一侧增加多个千斤顶来调校，直至轴线达到设计要求为止。同时检查管内两侧连通透明胶水管的水位高度是否一样，如果不一样，则说明管段两侧不水平，将利用管段上的垂直千斤顶进行调整，使两侧读数一样为止。管段尾部的高程也是通过垂直千斤顶来控制。当管内轴线、高程和两侧水平度都达到设计要求，通过监理公司验收后测量工作完成，同时管段沉放对接工程也结束。
　　参考文献：
　　[1]盛继业.现代测量定位技术在水下工程中的应用[D].上海海运学院
　　[2]王庆天，邢志刚，刘伯胜.智能水下机器人水声精确定位技术的研究[J].海洋工程

《全站仪GPS技术在水下工程测量中的应用比较》

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