陳書超，李春江，富 翔，張 晗，王慶凱，李志軍

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

我國北方河流、湖泊、海洋冬天均會(huì)結(jié)冰。在形成穩(wěn)定冰層前后存在碎冰塊，它們隨風(fēng)、流、浪等運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)的冰塊對人類冰區(qū)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，如流冰會(huì)對水工建筑物造成破壞，流冰堆積形成冰塞冰壩產(chǎn)生壅水威脅下游生態(tài)和人類安全[1]。所以冰科學(xué)一直是研究的熱點(diǎn)問題，冰生消過程[2-3]、冰物理和力學(xué)[4-7]、冰光學(xué)[8]、電磁學(xué)[9]以及冰下生態(tài)環(huán)境[10]均有研究。而河流和湖泊碎冰運(yùn)動(dòng)的研究相對較少，目前現(xiàn)場調(diào)查冰塊運(yùn)動(dòng)的技術(shù)方案有三種：(1)衛(wèi)星遙感監(jiān)測，程一軒[11]根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像產(chǎn)品對夏季北極海冰運(yùn)動(dòng)與風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究；王子涵等[12]基于哨兵1號數(shù)據(jù)，使用目視識(shí)別方法對每日內(nèi)爾斯海峽北部的浮冰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤并融合多源冰情數(shù)據(jù)(風(fēng)、海流、密集度等)，綜合分析不同密集度下浮冰運(yùn)動(dòng)同風(fēng)、海流的關(guān)系。由于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的時(shí)間間隔長，空間分辨率低，導(dǎo)致衛(wèi)星遙感監(jiān)測河流和湖泊冰塊運(yùn)動(dòng)存在一定技術(shù)限制。(2)岸邊監(jiān)控，即在岸邊安裝攝像機(jī)對浮冰進(jìn)行監(jiān)測，此方法的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性較好，可長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測。其缺點(diǎn)是岸邊傾斜拍攝產(chǎn)生圖像變形[13]，對后續(xù)數(shù)據(jù)處理增加困難[14]，監(jiān)測范圍小，夜晚或大霧天的圖像模糊。(3)定位器跟蹤冰塊，將定位器固定在冰塊上，隨之漂流。宋春山等[15]應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(北斗+GPS)在黑龍江上游進(jìn)行了追蹤實(shí)驗(yàn)，GPS可實(shí)時(shí)上傳冰塊位置，據(jù)此描繪冰塊運(yùn)動(dòng)方向與速度。由于定位器跟蹤冰塊運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測，不受天氣影響，并且在信號覆蓋的空間內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測?，F(xiàn)在市面上定位器主要有GPS定位、北斗定位、基站定位、WiFi定位和藍(lán)牙定位。GPS定位是最常見的定位方式，它定位精度高，運(yùn)用領(lǐng)域廣；北斗定位和GPS定位原理和優(yōu)缺點(diǎn)基本相同，目前大部分定位系統(tǒng)采用GPS/北斗雙模定位，可有效提高定位精度和準(zhǔn)確性[16]?；径ㄎ坏臏?zhǔn)確性受跟蹤位置附近基站的數(shù)量限制，難以保證精度。WiFi定位在脫離城市的野外仍難以使用。藍(lán)牙定位使用條件苛刻，無法在野外使用。本文根據(jù)2022—2023冬季青海湖開展的GPS跟蹤春季冰塊運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，介紹作為冰塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測所選用GPS類型、采取GPS保護(hù)方法、實(shí)施冰面安裝措施以及獲取冰塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，分析實(shí)踐中遇到的問題和跟蹤數(shù)據(jù)的可靠性。

1 所選GPS型號、性能和精度介紹

GPS主要分為接線式和便攜式，接線式需外接電源，便攜式內(nèi)置電池。便攜式便于野外使用，它具有價(jià)格低廉，使用方便，定位精確的特點(diǎn)。跟蹤冰塊運(yùn)動(dòng)，續(xù)航能力是衡量便攜式GPS可行性的關(guān)鍵。這主要取決于電池容量和定位頻率。在相同環(huán)境條件下，電池容量越大，續(xù)航時(shí)間越長，但GPS體積越大。一般GPS的最高定位頻率為0.1 Hz，具體可自行設(shè)置，定位頻率越高，續(xù)航時(shí)間會(huì)縮短。如果定位頻率采用0.1 Hz，幾種常見GPS的續(xù)航時(shí)間見表1。此外，還應(yīng)考慮如果布設(shè)GPS的位置處于衛(wèi)星數(shù)量較少或距離運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)基站較遠(yuǎn)時(shí)，雖然能夠正常定位和傳輸數(shù)據(jù)，但由于設(shè)備需要不斷搜索衛(wèi)星和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號，總體續(xù)航時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。故選擇G410P型GPS用于青海湖冰上試驗(yàn)(圖1)，它的電池容量為20 000 mA，在-20～10 ℃環(huán)境溫度下續(xù)航時(shí)間為25～35 d，尺寸大小見表1，滿足在穩(wěn)定冰層布設(shè)，跟蹤流冰徹底消失的續(xù)航要求。

圖1 青海湖使用的G410P型GPS定位器

表1 常見GPS型號和續(xù)航時(shí)間

便攜式GPS內(nèi)置定位模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，目前大部分GPS采用多重定位模式，在無遮擋的空曠環(huán)境下“GPS+北斗”模式定位精度≤10 m。數(shù)據(jù)傳輸取決于安放GPS周邊運(yùn)營商基站數(shù)量，因此選取GPS時(shí)，須先對跟蹤冰塊運(yùn)動(dòng)區(qū)域的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行測試和比較。

2 GPS跟蹤青海湖冰塊運(yùn)動(dòng)的安放設(shè)計(jì)

為了保證GPS在復(fù)雜環(huán)境中的冰面上的安裝與穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)冰知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對GPS的布設(shè)設(shè)計(jì)做三方面考慮：即整體系統(tǒng)的防水性、抗壓性和水面漂浮性。冰塊運(yùn)動(dòng)中，冰面處于潮濕環(huán)境，特別是冰塊運(yùn)動(dòng)可能使水濺到冰面，而GPS本身防水性較差，應(yīng)對GPS定位器做防水處理；在冰塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在冰塊之間的擠壓和重疊，可能導(dǎo)致GPS受損，應(yīng)該采取加固措施；另外如果GPS掉入水中，并隨冰塊運(yùn)動(dòng)，應(yīng)保證GPS可以在水面上漂浮，因此系統(tǒng)的整體密度應(yīng)該低于水的密度。

2.1 防水技術(shù)和實(shí)踐

出于對GPS衛(wèi)星信號傳輸受金屬、混凝土等材料限制，選用較薄的塑料作為防水材料。最終采用了透明方形塑料瓶，如圖2(a)。其材質(zhì)為聚乙烯對苯二甲酸酯，容器底為方形，邊長為115 mm；容器高為150 mm；瓶口圓形，直徑為115 mm；容積為1500 mL，滿足GPS的容納需求。將GPS用氣泡塑料紙包裹，放入瓶內(nèi)，防止GPS瓶體的撞擊。同時(shí)也對GPS起到保溫作用，提高GPS的續(xù)航能力。選擇的塑料瓶瓶口處帶有螺紋，用適配的蓋子進(jìn)行封口，為了提高容器的密封性，在瓶口和蓋子內(nèi)側(cè)增加防水墊，并將防水膠均勻涂抹于封口處。之后在蓋外側(cè)纏繞防水膠帶增強(qiáng)密封性，進(jìn)行防水密封后的GPS見圖2(b)。布設(shè)前對防水密封性進(jìn)行檢驗(yàn)，將處理后的容器浸泡在水中30 d，未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，能夠滿足試驗(yàn)要求。

圖2 GPS系統(tǒng)防水設(shè)計(jì)處理前后照片

2.2 抗損壞技術(shù)與實(shí)踐

由于GPS選取的防水材料強(qiáng)度較低，可能在跟蹤過程中由于冰塊的擠壓或重疊而損壞，因此需要加固。設(shè)計(jì)并制作的外圍加固框架為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，連接用螺絲固定。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有正六面體和正四面體。選擇的木方截面尺寸有2 cm×3 cm和3 cm×5 cm二種。首先，對木方的抗壓性進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示應(yīng)采用截面尺寸為3 cm×5 cm。

六面體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，共有木方12根，其中1號和2號木方長度為25 cm，3號和4號長度為40 cm，5號、6號、7號、8號長度為20 cm，9號和10號長度為22 cm，11號和12號長度為24 cm。首先，將1號、3號、5號、6號木方用螺絲固定成頂端齊平的“井”字形；再將2號、4號、7號、8號木方進(jìn)行同樣方式固定成頂端齊平的“井”字形；之后將兩個(gè)“井”字木方結(jié)構(gòu)平行放置，內(nèi)側(cè)間距為15 cm；3號和4號木方在對角上，9號和10號木方在“井”字結(jié)構(gòu)兩側(cè)，11號木方在“井”字結(jié)構(gòu)下方中間位置。用螺絲將其連接后，密封處理后的GPS的塑料容器從上方開口放置進(jìn)去，再用12號木方固定在中間。正四面體結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，共用6根長度35 cm的木方。先用三根木方固定為正三角形，作為正四面體的底面，后將另三根木方下端固定在底面的三個(gè)角上，上方固定在一起，構(gòu)成正四面體。

圖3 抗損壞外框設(shè)計(jì)和實(shí)踐示意圖

兩種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。正六面體制作方便，雖然用木方較多，因?yàn)楦髂痉竭B接處均為直角，所以連接穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是放在冰面上易發(fā)生滾動(dòng)。正四面體在冰面上穩(wěn)定性更好，缺點(diǎn)是因每個(gè)面都是三角形，木方之間的連接均傾斜，用螺絲固定不穩(wěn)定。另外GPS的密封容器在正四面體框架內(nèi)剩余空間較大，容易受到外界碎冰擠壓。對于青海湖湖冰，六面體結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。為了防止六面體結(jié)構(gòu)在冰面上滾動(dòng)，將對角兩根豎向木方加長，將它們插入冰面上已經(jīng)提前鉆好的冰孔內(nèi)，湖水的再凍結(jié)，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在冰面上，確保GPS跟隨冰塊同步運(yùn)動(dòng)。冰面布設(shè)后的在GPS及其外圍防損壞保護(hù)架如圖4所示。

圖4 按放在冰面上的GPS定位器

2.3 防止GPS沉入水底技術(shù)和實(shí)踐

GPS重量約為400 g，防水塑料容器重量及其他防水材料總計(jì)50 g，密封后的容器體積為0.0015 m3，整體密度約為300 kg/m3。外圍木方密度約為400 kg/m3，螺絲質(zhì)量較小，可以忽略。從而整體上密度小于水的密度，即1000 kg/m3，即使滑落水中，也不會(huì)沉入水底。

3 GPS跟蹤青海湖冰塊運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于青海湖二郎劍北側(cè)的湖面上，青海湖東西長約109 km，南北寬約40 km，面積約4340 km2。通常在12月上旬湖水開始凍結(jié)，12月中旬湖面完全冰封，次年3月中下旬冰層開始消融，4月上中旬冰完全消融。

出于安全性考慮，試驗(yàn)布設(shè)GPS的時(shí)間選擇在2023年3月中旬，此時(shí)青海湖湖冰處于融冰初期，冰內(nèi)含水量和冰厚沒有明顯變化，又兼顧GPS的電池續(xù)航能力要求?？紤]到GPS在冰面上工作時(shí)間長，將其設(shè)置為靜止時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而有效增長工作時(shí)間。試驗(yàn)區(qū)域如圖5所示。

圖5 青海湖試驗(yàn)場地布置

3.2 試驗(yàn)研究方法

在二郎劍景區(qū)碼頭西北方向的半島上安裝自動(dòng)氣象站，據(jù)碼頭約5 km(見圖5(b))。本試驗(yàn)主要使用風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為1 min，通過4G無線傳輸數(shù)據(jù)。

2023年3月14日在冰面上按放11個(gè)GPS定位器，布設(shè)位置如圖5(b)所示。為便于記錄，對GPS定位器進(jìn)行編號，其中1號、4號、6號、8號、9號和10號放置于青海湖二郎劍景區(qū)碼頭北側(cè)。3號放置于二郎劍景區(qū)碼頭西側(cè)，據(jù)碼頭約5.7 km，2號、5號、7號、11號放置于二郎劍景區(qū)碼頭西北方向約5 km的半島附近。在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，各GPS皆可正常定位和傳輸數(shù)據(jù)，二郎劍景區(qū)碼頭附近的設(shè)備信號較好。放置于最北側(cè)的7號設(shè)備由于衛(wèi)星信號和設(shè)備信號都較差，增加了設(shè)備耗電，在冰體破碎之前電量耗盡，此時(shí)冰體已經(jīng)過薄，無法進(jìn)行更換，其他設(shè)備在冰體破碎之前均正常工作。

3.3 跟蹤結(jié)果與分析

2023年4月2日青海湖冰面局部區(qū)域開始破碎，至4月16日冰面完全消融，整個(gè)開湖歷時(shí)15 d。4月4日16時(shí)左右，放置于半島附近的GPS定位器首先跟隨冰體開始運(yùn)動(dòng)，5號GPS由于信號質(zhì)量較差沒有正常定位，2號和11號GPS可正常定位。4月5日8時(shí)左右，隨著冰體破碎，其他GPS均開始隨冰塊運(yùn)動(dòng)。GPS定位器跟隨碎冰同步運(yùn)動(dòng)的過程分為兩個(gè)階段。各階段冰體破碎的時(shí)間存在差異，體現(xiàn)在GPS開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不同。為了便于對比，表2給出各GPS運(yùn)動(dòng)的時(shí)段和存在的現(xiàn)象。

表2 2023年4月青海湖開湖時(shí)各個(gè)GPS的運(yùn)動(dòng)情況

圖6(a)給出第一階段各GPS運(yùn)動(dòng)軌跡，它們的運(yùn)動(dòng)方向基本一致。圖6(b)給出第二階段各GPS運(yùn)動(dòng)軌跡，其中9號GPS在第二次運(yùn)動(dòng)之前信號丟失，產(chǎn)生原因是在第一次運(yùn)動(dòng)過程中設(shè)備外部保護(hù)損壞引起容器進(jìn)水。其他設(shè)備均正常工作，相同區(qū)域GPS運(yùn)動(dòng)方向基本一致。

圖6 GPS定位器運(yùn)動(dòng)軌跡

兩個(gè)階段風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖如圖7所示。第一階段為西北風(fēng)，最大風(fēng)速為22 m/s，GPS運(yùn)動(dòng)方向基本與風(fēng)向一致。第二階段主要風(fēng)向仍為西北風(fēng)，但風(fēng)速較小，這與GPS運(yùn)動(dòng)軌跡中主方向?yàn)闁|南向，部分時(shí)刻運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化的規(guī)律相吻合。

圖7 風(fēng)玫瑰圖

4 結(jié) 論

(1)便攜式GPS可實(shí)現(xiàn)對冰塊運(yùn)動(dòng)的全天候跟蹤且不受天氣等因素影響，大容量電池可滿足跟蹤期間的續(xù)航要求，通過防水密封和外側(cè)木方框架保護(hù)，可有效解決冰面GPS防水和防冰塊撞擊或擠壓破損。

(2)通過青海湖冰塊運(yùn)動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)，2023年4月4日—14日期間有兩次冰塊運(yùn)動(dòng)時(shí)段，其主要運(yùn)動(dòng)方向均為東南方向，符合相應(yīng)時(shí)段風(fēng)向變化規(guī)律。

(3)青海湖放置的11個(gè)GPS除去在試驗(yàn)過程中信號丟失的3個(gè)，其余均記錄了較為完整的冰塊運(yùn)動(dòng)軌跡，體現(xiàn)了GPS或北斗定位器能夠成功跟蹤冰塊運(yùn)動(dòng)，可以布放定位器矩陣。

(4)青海湖冰塊運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)方法可推廣應(yīng)用于冬季凍結(jié)河流或湖泊的流凌監(jiān)測，如黃河、松花江等。