基于并行动态二级gnss布网空间框架的海域动态监测与管理

基于并行动态二级gnss布网空间框架的海域动态监测与管理

水域的开发利用不同于陆地生产活动。它们发生在附近的海域和海岸。位置相对平坦，交通不便，周围没有明显的边界和标识物。该海域使用的细节很难立即确定。海洋行政主管部门如不及时采取有效手段,极易造成海域使用现状不清、动态不明的局面,从而使海域使用法制化管理失去客观基础,海域使用科学化管理也无从谈起。建立海域使用动态监测系统是及时掌握辖区内海域使用现状的有效途径,也是《海域使用管理法》的具体要求,因此,急需建立海域使用动态监测空间基准框架。一、社会信息采集海域使用动态监测与管理是一项技术性、科学性很强的业务工作。开展海域使用动态监测与管理,需要进行海域测量,在海域及其海岸带进行的与位置和方向有关的测绘活动(海图测绘、海籍界址点测量)都必须在某一空间参考坐标系内进行。因此,建立海域使用动态监测控制网系统是测绘的依据,海域使用动态监测的地理空间框架和监测控制网系统等空间基础设施建设势在必行。海域使用动态监测设计主要考虑五方面因素:1)海域使用动态监测控制网系统的性能特征,即海域使用动态监测必须具备统一性、时效性、持续性和全面性。2)海域使用动态监测工作的性质,即海域使用动态监测测量与管理是一项技术性和社会性相结合的工作,它不但要求用一些有效的技术手段获取海域使用的位置、面积等信息,还要求采用人工调访等形式掌握用海人、海域权属、经营方式、用海收益等社会信息,监测测量须同步采集时空及属性信息。3)现阶段开展海域使用动态监测的实际条件,海域使用动态监测既有精度指标,又有时效要求。具有海域使用管理职能的基层政府是县级人民政府,但县级人民政府中的海洋管理部门开展海域使用动态监测的技术条件薄弱,基本没有足够的维护与管理测量控制网系统的能力,也不可能完成较复杂的卫星定位数据处理等工作。只能用服务型的测量控制网系统,因此须选择一种提供完全、及时的,可自检了解沿海现场空间位置情况的服务型测量控制网系统。4)利用网络RTK等专业GPS测量技术,其具有观测范围广、精度高、时效性强、可靠性高等优点,但目前设备成本很高、可操作性不强,只能用于一定时期的海域使用调查,对大多数地区不适宜用于海域使用动态监测。适合动态监测模式的设备如基于PDA的手持GPS定位系统简单易行、监测成本低、也就凝缩成本项目研究的独特技术思路。5)利用连续运行参考站技术,在一定地区根据需求按一定距离建立长年连续运行的一个或若干个固定的GPS参考站,利用计算机、数据通信和互联网技术将各个参考站与数据中心组成网络,由数据中心从参考站采集数据,利用参考站网软件进行处理,然后向不同用户自动地发布不同类型的GPS原始数据、RTK改正数据等。用户只需一台GPS接收机进行野外作业,即可进行毫米级、厘米级、分米级、米级的准实时、实时的快速定位、事后定位或导航定位。由这些基准站构成的GPS网可以实现系统的数据在网内共享,对海域使用动态监测可根据不同需求采用实时RTK服务或事后定位服务。具有全天候、全自动、实时导航定位等优点。因此,在当前海域使用动态监测控制网点难以维护,监测范围广、控制点密度难以满足需求的特殊作业环境的情况下,建立GPS连续运行参考站网代替分散的、短期的、静态的定位测量控制网有其独到的技术优势,必将成为现代海域使用动态监测控制网系统发展的一种趋势。二、供给系统升级布网空间架构根据连云港海域使用动态监测的特点和性质,确立了“科学规划、统一基准、分级布网、实时可靠、专业服务”的海域使用动态监测控制网系统构建的基本原则:1)科学规划指为本地区海域使用动态监测管理空间基准框架建设提供中长期科学规划。以构建数字海洋为目标,逐步形成基于全球卫星定位系统的现代化海域使用动态监测控制网系统。2)统一基准指根据建设数字中国空间数据基准框架的标准,将对现有的国家平面控制网和国家高精度卫星定位控制网进行联测,形成新的覆盖本地区全部海域的国家统一动态三维地心大地坐标系统和1985国家高程基准。建立WGS-84大地坐标系与1954北京坐标系和1980西安坐标系以及CGCS2000国家大地坐标系统的转换关系。3)分级布网指为经济、高效、精确地开展海域使用动态监测提供测量控制保证,构建并行动态二级布网新模式。首级海域使用动态监测控制网系统基于并行服务的国家级控制网与GNSS连续运行参考站网;二级海域使用动态监测控制网系统基于并行服务的国家沿海无线电指向标-差分全球定位系统(RBN/DGPS)与专业服务海域使用动态监测E级工作基点网。4)实时可靠指确保海域使用动态监测空间基准框架实时、安全、精确、可靠运行,提供实时可靠的高精度互操作信息采集途径。5)专业服务指构建连云港海域使用动态监测GPS连续运行参考站网系统,构建业务化测量控制网系统技术服务平台。提供E级GPS工作基点网实时检校与维护更新服务。研究的总体思路是以构建现代化的空间数据基准框架——以卫星大地坐标系统为起点,综合运用创新的并行动态二级布网空间框架结构体系,建设海域使用动态监测GPS连续运行参考站网,创建新的GPS连续运行参考站网平台业务运行模式。通过联测国家平面控制网和国家高精度卫星定位控制网布设E级GPS工作基点网,提供对并行的国家沿海RBN/DGPS的校验服务。采用GPS连续运行参考站网主辅站网络RTK技术对E级GPS工作基点网进行实时检校与维护更新服务。并行动态二级布网新模式如图1所示。将现代GNSS技术综合运用于并行动态二级布网空间框架,与现有技术资源相结合,实现以地面调查监测手段为主进行海域使用动态监视的总体构想。利用GNSS综合技术,可以快速、准确、可靠、全面地发现用海项目的空间分布特征及其动态变化。通过PDA监测调查系统,可以同步获知用海项目的各种社会、经济属性。海域使用动态监测控制网系统则为用海项目空间特征信息采集和属性信息整合、管理和应用提供了高效检测平台。三、健全海域使用动态监测机制海域使用动态监测与管理控制网系统总体结构方案分首级控制系统和次级控制系统,同级系统采用了相互独立的并行子系统,上下级之间有机整合。每一层次的海域使用动态监测与管理控制网系统总体上由分布在沿海地区的高密度地面控制网点及GNSS参考网站并行提供服务,大大提高了海域使用动态监测的保障能力。首级控制网系统布设总体技术方案利用WGS-84坐标系基准下的江苏省C级GPS控制网沿海部分6个控制点作为首级控制点。同时,选择柘枉、墟沟、燕尾港、新浦建立GPS连续运行参考站点,构网联测形成首级并行动态控制网系统,如图2所示。GPS连续运行参考站点网系统利用淮海工学院GPS连续运行参考站网新浦CORS数据中心,选择柘枉、墟沟、燕尾港建立海域使用动态监测GPS连续运行参考站点,构网形成首级并行动态GPS连续运行参考站点控制网系统(如图3所示),覆盖连云港海域4000km2。配以完善的监控功能,保证各部分24h内不间断连续运行。连云港市的海域使用动态监测工作是在现代信息技术支持下由市、县(区)、乡(镇)三级政府的相关部门协同完成的。市级海洋管理部门具备开展海域使用动态监测的管理与技术条件,可直接使用GPS连续运行参考站发布实时DGPS、网络RTK数据服务,对二级控制网系统进行维护与更新,对海域使用动态监测对象进行实时高精度测量定位;县级海洋管理部门有能力对海域使用动态信息进行整理、分析,依据二级控制网系统,采用国家沿海RBN-DGPS开展有针对性的调查测量,并作为中间层次联结市有关部门、乡镇和重点用海企业;乡镇及重点用海企业则可完全、及时、经济地了解沿海现场情况。四、基于gps工作基点的海域使用动态监测为及时、全面、准确地掌握辖区内全部海域使用情况,提供有效的专业信息采集服务,建立国家级沿海RBN-DGPS与专业服务海域使用动态监测E级GPS工作基点网并行的二级海域使用动态监测控制网系统,以确保提供实时可靠的高精度互操作信息采集途径。最终要准确提供高精度的原始数据和差分信息,为本地区开展海域使用监管提供业务化测量控制网系统技术平台。提供E级工作基点网实时检校与维护更新;采集本地区全部海域的参考站网和E级工作基点网数据,为精化大地水准面准备充分的资料。利用WGS-84坐标系基准下的江苏省C、D级GPS控制网沿海部分6个控制点和沿海岸线布设的21个E级GPS控制点。同时,选择燕尾港国家沿海RBN/DGPS台站,共同构网形成二级并行动态控制网系统。E级GPS工作基点网系统布设总体技术方案利用WGS-84坐标系基准下的江苏省C级GPS控制网沿海部分两个控制点(赣榆海头、灌云农场)的同时,选用连云港市4个D级GPS控制点(赣榆ID30、墟沟YH10、洋桥农场YQNC、燕尾港YWZL)作为高级控制点。选择沿海岸线布设E级GPS网,该网采取边连式和点连式混合构网方式,控制点共27个,约每10km设置一组点(为了DGPS海域使用动态监测碎部测量时检核方便),一组为两个,两点间距为100～300m。构网联测形成二级并行动态控制网系统。根据E级GPS工作基点实际布网情况和坐标系转换的要求,GPS连续运行参考站网控制系统可对工作基点进行实时检测。根据对工作基点的需求实时更新布点,极大地提高了GPS工作基点网系统的有效性、可靠性、完备性和精确性。在连云港市海域使用动态监测与管理市县乡三级集成系统海域使用动态监流程中:乡级系统负责海域使用动态信息的采集、海域使用协管员首先依据E级GPS工作基点,可利用RBN-DGPS概略定位并上报县级系统,要求每日一报,突发情况及时上报;县级系统负责收集、处理、上报由乡级系统提供的动态信息,根据市级系统指令,对重要海域使用项目,采用准动态DGPS或网络RTK,对海域使用动态目标进行精确调查测量,并上报市级系统;市级系统负责汇总、处理动态监视监测数据,进行各种专业分析,发布调查与测量指令,对重点动态目标进行跟踪实时调查测量,提供各级系统所需基础数据,定期进行监测和基础资料更新。五、动态监测监视三级联动系统根据海域使用动态监测目标调查测量现实需要,当前采用WGS-84地心三维坐标系统构建综合运用创新的并行动态二级GNSS布网空间框架结构体系。布设了连云港首级并行动态GPS控制网系统和专业服务海域使用动态监测E级GPS工作基点网。在动态监测目标上增加了GPS定位跟踪监视系统,使用GPS连续运行参考站网控制系统实时发布的RTCM差分数据,提供厘米级的空间定位信息,极大地提高了跟踪监测的精确性和可靠性。在海域管理工作中发挥了明显的支持保障作用,并对强化海洋执法、海洋环境保护,全面促进海洋综合管理工作表现出强大的辅助推动作用。空间基准框架支撑连云港海域使用动态监测监视三级联动系统,为连云港市及所属区县的海洋管理、执法和相关技术单位提供服务,有力地支撑起海域使用管理工作平台。在开展海域使用申请审批