基于GPS—RTK技術在地質(zhì)勘探工程測量中的應用研究

狄廣禮++劉劍英

摘 要：主要介紹了GPS-RTK技術及其快速靜態(tài)定位、準動態(tài)定位和動態(tài)定位三種定位模式，重點對GPS-RTK技術在地質(zhì)勘探工程測量中的勘探網(wǎng)及控制測量、工程點布設、勘探線剖面測量、地質(zhì)工程點定位測量和物化探測量等應用情況進行了分析。并對GPS-RTK技術應用中的測量誤差來源和精度、基準站和移動站的設置進行了討論。GPS-RTK技術改變了傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探工程測量模式，極大的提高了地質(zhì)勘探工程測量外業(yè)工作效率及測量精度，在地質(zhì)勘探工作中得到了越來越多的應用。

關鍵詞：GPS-RTK 快速靜態(tài)定位 準動態(tài)定位 動態(tài)定位 案例應用 測量精度分析

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

作者簡介：狄廣禮（1978-），男，漢族，河南封丘人，工程師，本科，主要從事地質(zhì)測繪、城市測繪、地籍測量及其相關工作。

從上個世紀90年代起，GPS技術逐步興起，因其具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應用于軍事、民用交通、導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調(diào)查等不同領域。特別是GPS實時動態(tài)定位技術的發(fā)展與進步，使傳統(tǒng)的測量工作產(chǎn)生了革命性變化。目前，隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，地質(zhì)找礦工作又迎來了一個難得的發(fā)展機遇期。GPS-RTK技術也經(jīng)過多年的應用，已日臻成熟完善起來，甚至顛覆性的改變了傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探工程測量方法，因此探討GPS-RTK技術應用就很有價值。

1 GPS-RTK系統(tǒng)組成

GPS-RTK系統(tǒng)主要包括三部分：基準站、流動站和應用軟件。其中基準站由接收機、天線、發(fā)送電臺及天線、電源等組成；流動站由接收機、電子手簿、天線、接收電臺及天線、等組成；應用軟件由支持實時動態(tài)差分的軟件及工程測量應用軟件組成。

2 GPS-RTK定位模式

GPS-RTK測量技術為測量工作的高效率和可靠性提供了保障，對GPS測量技術的普及和發(fā)展和具有重要的意義。目前GPS-RTK定位模式主要有動態(tài)測量、準動態(tài)測量、快速靜態(tài)測量等三種。

3 GPS-RTK技術在地質(zhì)勘探工程測量中的應用案例

地質(zhì)勘探工程測量是地質(zhì)勘探工作中的一個重要組成部分，為地質(zhì)勘探工程設計、研究地層構造、計算礦體地質(zhì)儲量和編寫地質(zhì)報告提供基礎資料的工作，。將GPS-RTK以上三種主要測量定位模式相結合，可以快速高效完成地質(zhì)勘探中的控制測量、工程點布設測量、勘探線測量、工程點定位測量及物化探測量等工作。

河南省新安煤田新義二井深部煤普查項目區(qū)位于河南省洛陽市新安縣城東北部一帶，在新安縣城關鎮(zhèn)、五頭鎮(zhèn)、正村鄉(xiāng)一帶。地理坐標：東經(jīng)112°06°17″—112°17′12″，北緯：34°44′12″—34°48′37″，其東西長約12km，南北寬約5.1km，面積65.38km2。交通位置見下圖：

圖1 交通位置圖

項目區(qū)地形地貌較為復雜，河渠縱橫，溝坎密布，是典型低山丘陵區(qū)，屬黃河流域洛河水系，洛河支流澗河、金水河從區(qū)南和區(qū)內(nèi)流過。澗河發(fā)源于陜縣觀音堂鎮(zhèn)段巖村馬頭山東麓，從項目區(qū)南部外圍通過，至洛陽市區(qū)興隆寨匯入洛河。

圖2 地形地貌圖

經(jīng)過一年多測量及地質(zhì)專業(yè)人員的共同努力，在一系列的野外調(diào)查、測量、二維地震、鉆探等相關工作的密切協(xié)同下，為國家勘探發(fā)現(xiàn)一個儲量達三億多噸的大型煤炭后備資源基地。

3.1 控制測量

控制測量一直是各類傳統(tǒng)測量工作的基礎和保障。GPS-RTK技術以其測量精度高、速度快正逐步替代常規(guī)控制測量方式而成為各類地質(zhì)勘探控制網(wǎng)建立的主要手段。在以往工作中：邊長為5～10km的三、四等基本控制網(wǎng)，可優(yōu)先采用GPS快速靜態(tài)定位模式。邊長在10～15km的GPS基線向量，如果有效觀測時刻的衛(wèi)星足夠多和外部觀測條件足夠好，可采用快速靜態(tài)定位模式。如果在平原開闊地區(qū)，可使用動態(tài)定位模式；設備條件許可和外部觀測環(huán)境合適時，也可使用動態(tài)模式。邊長小于5km的控制網(wǎng)基線，則根據(jù)具體條件和要求選用動態(tài)定位模式和快速靜態(tài)定位方法。綜合考慮項目區(qū)的現(xiàn)實狀況，我們采用GPS快速靜態(tài)定位模式布設了87個四等基本控制點，采用動態(tài)定位模式布設了156個一級圖根控制點，所有的測量成果均優(yōu)于或達到國家相關規(guī)范限差要求。

3.2 工程點的布設

在采用全站儀等傳統(tǒng)的測量方法時，需要布設大量高等級的測量控制點以

減少各類地物對觀測視線的遮擋和阻礙。而GPS-RTK技術在大量節(jié)省人力物力的同時，使測量作業(yè)人員從繁重的體力和腦力勞動中解放出來，可以快速高效完成項目區(qū)的工程點布設工作。首先，在勘查項目區(qū)首級控制網(wǎng)的基礎上，合理確定礦區(qū)工程點的地理分布及工作路線；然后只需將設計工程點坐標輸入到移動站手簿上，利用RTK的放樣功能把工程點布設到實地。

為了檢測RTK布設的工程點精度，一定數(shù)量工程點的檢核工作是必不可少的：

表1 全站儀支導線點已知坐標與RTK得坐標及其差值

點號

全站儀導線點坐標

CORS系統(tǒng)控制點坐標

ΔX/cm

ΔY/cm

ΔH/cm

X

Y

H

X

Y

H

1

3824861.674

636956.611

286.178

3824861.681

636956.621

286.183

-0. 7

-1.0

-0.5

2

3824879.657

637304.244

331.949

3824879.649

637304.238

331.956

0. 8

0.6

-0.7

3

3824940.057

637351.918

330.205

3824940.051

637351.912

330.214

0. 6

0.6

-0.9

4

3824936.230

637412.885

335.384

3824936.225

637412.879

335.378

0. 5

0.6

0.6

5

3824844.611

637524.535

324.801

3824844.618

637524.541

324.811

-0. 7

-0.6

-1.0

6

3824926.865

637556.532

330.699

3824926.885

637556.542

330.685

-2.0

-1.0

1.4

7

3825026.065

637637.839

333.185

3825026.043

637637.821

333.171

2.2

1.8

1.4

8

3825145.265

636400.321

239.529

3825145.274

636400.328

239.533

-0.9

-0.9

-0.4

9

3825221.939

636475.104

248.448

3825221.945

636475.111

248.454

-0.6

-0，7

-0.6

10

3824771.613

638169.588

333.643

3824771.633

638169.598

333.625

-2.0

-1.0

1.8

11

3824874.477

637735.863

335.710

3824874.492

637735.882

335.723

-1.5

-1.9

-1.3

12

3824770.723

637906.581

336.103

3824770.729

637906.591

336.113

-0.6

-1.5

-1.0

根據(jù)公式計算各個點的點位誤差，見表2

表2 各個點的點位誤差

點名

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

點位誤差

1.2

1.0

0.8

0.8

0.9

2.2

2.8

1.1

0.9

2.2

2.4

1.2

根據(jù)公式，計算點位的中誤差為1.58 cm，計算高程的中誤差為1.54 cm。由計算的各個點位誤差和高程的中誤差看，RTK測量成果的平面中誤差高程中誤差均未超過5cm。

3.3 勘探線剖面測量

按地質(zhì)勘探要求，為了提供勘探設計、工程布設、儲量計算和綜合研究的準確基礎資料，勘探線剖面測量應嚴格按規(guī)范要求及勘查項目區(qū)設計要求去完成?？辈轫椖繀^(qū)布設了6條勘探線，共計33.53km。如果采用傳統(tǒng)的全站儀勘探線剖面測量方法，先由一到兩名地質(zhì)工作人員布設剖面起始點，再由兩到三名測量人員從起始點按剖面設計方向定線，沿給定的方向線上測定剖面測站點、剖面點（包括工程位置點、地質(zhì)點、地物點、地貌變換點）以及剖控點。如遇到房屋，樹木等障礙物，需要頻繁的遷站，野外工作效率大大降低，而采用RTK的放樣功能僅需一人就能完成勘探線剖面測量工作，在提高工作效率的同時還測量誤差積累的影響。

3.4 地質(zhì)工程點定位測量

采用半儀器法或者手持GPS是傳統(tǒng)質(zhì)工程點定位的主要方法，但這些定位方法費時費力，且精度較低。現(xiàn)在使用GPS-RTK進行地質(zhì)工程點定位測量就比較方便快捷了，厘米級的測量精度遠遠超過了國家相關規(guī)范的技術要求。野外作業(yè)時，應優(yōu)先利用項目區(qū)內(nèi)先期布設的距離不超過15km首級控制點作為基準點進行工作。如果首級控制點離需要定位測量的工程點較遠，還可利用RTK測量方法將控制點引測到工作區(qū)，然后選擇有利地形架設基準站，最后利用移動站對各地質(zhì)工程點進行測量。根據(jù)相關規(guī)范和技術設計要求，在項目區(qū)完成了400多個各類工程點的定位測量工作，為相關地質(zhì)工作的開展提供了高精度的測量數(shù)據(jù)。

3.5 物化探測量

布設物化探網(wǎng)是物化探工作的基礎，一般是先在項目區(qū)內(nèi)運用測量的方法，沿直線方向布設一系列等距離或者按一定規(guī)律分布的物化探觀測點或取樣點，即布設物化探網(wǎng)。過去物化探測網(wǎng)布設工作主要是由專業(yè)測量人員用經(jīng)緯儀或全站儀來進行作業(yè)，測量人員與物化探人員之間必須密切配合，這種傳統(tǒng)方法會增加很大的項目成本，且費力費時。而利用GPS-RTK的線放樣功能是很容易辦到的，且其工作效率也大大得到提高。首先把設計好的基線或測線點輸入到RTK移動站手簿上，然后由物化探人員利用GPS-RTK將設計點位布設到實地。根據(jù)項目區(qū)技術設計，開展了網(wǎng)度為的1000×2000m二維地震勘查測網(wǎng)布設，共完成了地震剖面50.8km及2434個物理點的定位測量工作。

4 問題討論

GPS-RTK野外作業(yè)時雖然有速度快、精度高的優(yōu)勢，但受一系列技術和觀測條件的影響，也具有它的缺點和不足。因為缺少必要的檢核條件，如果測量作業(yè)人員操作失誤或某些技術問題處理不當，都將會給測量成果帶來嚴重影響。因此，相對于GPS靜態(tài)測量，RTK對測量作業(yè)人員提出了更高的要求。

4.1 GPS-RTK測量誤差來源和精度分析

RTK測量誤差包括同距離有關的誤差和同測站有關的誤差。同距離有關的誤差包括電離層誤差、對流層誤差和軌道誤差，該部分誤差將隨移動站至基準站的距離增大而加大，故RTK測量時應對作業(yè)半徑加以限制。與測站有關的誤差包括多路徑誤差、天線相位中心變化、信號干擾和氣象因素影響等，該部分誤差可通過各種校正方法和有效技術措施予以削弱。與傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀視距、全站儀相比，使用GPS-RTK技術能顯著地提高地質(zhì)勘探工程測量精度。如在地質(zhì)工程點定位測量時，GPS-RTK直接在高等級控制點下工作，大大降低測量點位的累積誤差。在測網(wǎng)和剖面布設時GPS-RTK能基本消除網(wǎng)線偏移和網(wǎng)閉合差。

4.2 基準站和移動站的設置

利用GPS-RTK進行地質(zhì)勘探工程測量，基準站的設置特別重要。第一，基準站必須遠離各種強電磁干擾源（如微波站、無線發(fā)射塔、變電站、高壓線、電視臺等）；第二，基準站電臺天線和移動站天線之間無大的遮擋物（如高層建筑物、高山等），且天線應設置高一些；第三，基準站周圍應無明顯的大面積的信號反射物（如大型建筑、大面積水域等）。

移動站的設置要特別注意以下幾點：一是坐標參數(shù)的選擇使用對測量精度的影響非常大，因此基準站和移動站的各項參數(shù)設置必須保持一致；二是移動站要始終保持與基準站的數(shù)據(jù)鏈連接，如果作業(yè)范圍超過了基準站的有效工作半徑，會使測量成果的精度大大降低；三是移動站設置時必須注意對中整平和輸人數(shù)據(jù)的準確性；四是在山區(qū)會存在不同程度的高程異常，因此需要盡可能多的聯(lián)測測區(qū)的高等級控制點，加強檢核，以有效降低高程異常對測量成果的精度影響。

5 結語

RTK技術是GPS定位技術的一個新的里程碑，它大大提高了測量效率并開拓了GPS新的應用領域。GPS-RTK從根本上改變了測量工作的傳統(tǒng)作業(yè)方法，為地質(zhì)勘探工程測量提供了十分有力的技術支撐和保障。GPS-RTK在地質(zhì)工程測量能有效的改變傳統(tǒng)測量工作的弊端，縮短作業(yè)時間，降低勞動強度，提高測量成果精度，極大的提升測繪行業(yè)的自動化建設水平。隨著數(shù)據(jù)傳輸能力的增強、數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性、抗干擾性水平和軟件水平的提高，RTK技術將在地質(zhì)勘測和其他領域有更廣闊的應用空間。

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