提高近海地質(zhì)鉆探定位精度的技術(shù)關(guān)鍵

孔玉柱，姚加寧，王　方，張雪飛

（1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺(tái)264004；2.新疆合潤(rùn)陽(yáng)光工程咨詢(xún)有限公司，新疆烏魯木齊830000；3.河南省安陽(yáng)市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，河南安陽(yáng)455000）

提高近海地質(zhì)鉆探定位精度的技術(shù)關(guān)鍵

孔玉柱*1，姚加寧2，王方3，張雪飛1

（1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺(tái)264004；2.新疆合潤(rùn)陽(yáng)光工程咨詢(xún)有限公司，新疆烏魯木齊830000；3.河南省安陽(yáng)市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，河南安陽(yáng)455000）

在三山島北部海域開(kāi)展金礦詳查工作中，地質(zhì)測(cè)量人員采用基于SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行海上鉆探孔位定位工作。在此，總結(jié)了影響近海地質(zhì)鉆探孔位定位精度的因素，并探討了提高近海地質(zhì)鉆探孔位定位精度的技術(shù)關(guān)鍵。

CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；海上鉆探孔位定位；技術(shù)關(guān)鍵

山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院受甲方委托在山東省萊州市三山島北部海域開(kāi)展金礦詳查工作，該項(xiàng)目自2012年啟動(dòng)到2014年底完成詳查報(bào)告，整個(gè)勘查工作歷時(shí)近3年，勘查探獲金金屬資源量470多噸。為滿(mǎn)足該項(xiàng)目地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)、地質(zhì)勘查施工的需要，地質(zhì)測(cè)量人員在借鑒其他海上定位施工經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)[1-3]，對(duì)海上鉆探定位方法進(jìn)行改進(jìn)，采用基于山東SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)鉆探孔位的定位工作。

1　本次海上勘查鉆探孔位定位的方法

（1）海上鉆探孔位布設(shè)方法。本次海上勘查采用的鉆探平臺(tái)屬于拼裝式插樁鉆探平臺(tái)，它是靠固定在海底10多米深的泥沙里的9個(gè)鋼管樁支撐著鉆探工作臺(tái)面。鉆探孔位就是中間管樁的中心位置（圖1），也是整個(gè)鉆探平臺(tái)的中心，布設(shè)鉆探孔位就是將平臺(tái)的中心布設(shè)到正確的施工位置。布設(shè)孔位時(shí)，施工人員將鉆臺(tái)平臺(tái)和施工船固定在一起，首先，地質(zhì)測(cè)量人員在平臺(tái)上指揮施工船行駛到孔位的附近，將4只定位錨拋好，固定住施工船，然后，根據(jù)地質(zhì)測(cè)量人員的指揮，利用施工船上的4個(gè)定位鉸盤(pán)收放4條錨鏈移動(dòng)施工船，直至鉆探平臺(tái)中心到達(dá)理論孔位坐標(biāo)處，迅速使用空氣錘把支撐鉆探平臺(tái)的9根鋼管樁釘入海底5～10m深度，再將鉆探平臺(tái)通過(guò)安裝在固定樁頂部滑輪組升高到設(shè)計(jì)部位，待鉆探平臺(tái)調(diào)整平穩(wěn)無(wú)沉降后，通過(guò)滑輪組調(diào)整平臺(tái)至水平，平臺(tái)最終搭建完成。地質(zhì)測(cè)量人員登上平臺(tái)再次對(duì)孔位進(jìn)行精確定位，檢查孔位無(wú)誤后，才可以把鉆機(jī)吊裝到平臺(tái)上進(jìn)行鉆探施工。

圖1　鉆探平臺(tái)施工

（2）海上鉆探孔位的定位測(cè)量方法。本次海上鉆探孔位的布設(shè)和定測(cè)采用基于SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。SDCORS是山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)（ShanDong Continuously Operating Reference Station System，簡(jiǎn)稱(chēng)SDCORS），SDCORS是建設(shè)在不同應(yīng)用領(lǐng)域之間搭建了一個(gè)技術(shù)與服務(wù)平臺(tái)，不僅向測(cè)繪用戶(hù)提供統(tǒng)一的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的、高精度的時(shí)間和空間基準(zhǔn)，還可以向社會(huì)各需求部門(mén)提供各種地理空間信息數(shù)據(jù)服務(wù)，是“數(shù)字山東”的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是山東省一項(xiàng)重要的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)工程。CORS-RTK系統(tǒng)是現(xiàn)階段GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分中最先進(jìn)，精度最高，應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率、充分拓寬了RTK作業(yè)時(shí)段、增加了RTK作業(yè)距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，基于SDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK的測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，測(cè)量成果能夠達(dá)到平面小于3cm、高程小于5cm的精度水平[4]。CORSRTK技術(shù)海上定位測(cè)量成果完全可以滿(mǎn)足本次勘查項(xiàng)目需要及相關(guān)測(cè)量規(guī)范要求[5-6]。

2　影響本次海上勘查鉆探孔位定位精度的因素

海上勘查施工相對(duì)陸地勘查施工經(jīng)驗(yàn)少、難度高、不確定因素多。海上勘查施工定位也是同樣受到諸多因素的影響，面度諸多影響因素，如何確保海上勘查施工定位精度是本次測(cè)量人員探索的主要工作。

（1）海風(fēng)和海流導(dǎo)致施工船晃動(dòng)的影響。施工船在施工時(shí)由于晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)定位困難，不利于鉆探平臺(tái)的搭建，風(fēng)浪越大對(duì)海上定位和平臺(tái)搭建影響越大，為了保證平臺(tái)定位精度和平臺(tái)搭建速度，施工時(shí)，要盡可能的選擇風(fēng)平浪靜的天氣出海施工。同時(shí)，施工時(shí)要迅速，確保在最短的時(shí)間內(nèi)拋錨，拉緊錨繩，固定施工船，以減少施工船體和平臺(tái)的搖擺晃動(dòng)。

（2）平臺(tái)搭建施工速度的影響。由于海上施工會(huì)受到海風(fēng)和海底水流的影響，所以海上施工要快！施工時(shí)間越久，受到海風(fēng)和海底水流的影響越大，甚至導(dǎo)致施工船發(fā)生大距離的漂移。在施工船行駛到孔位的附近后，為了防止海風(fēng)和海底水流的導(dǎo)致施工船漂移，施工人員要迅速拋出4只固定錨，在最短時(shí)間內(nèi)收緊錨鏈，固定住施工船。同樣，通過(guò)收放錨鏈，精確定位確定鉆探孔位后，要迅速使用空氣錘把支撐鉆探平臺(tái)的9根鋼管樁釘入海底5～10m深度，以保證鉆探平臺(tái)和鉆探孔位不再發(fā)生變化。

（3）海上勘查鉆探孔位定位及平臺(tái)組裝同步進(jìn)行，施工過(guò)程由測(cè)量、鉆探、機(jī)械施工、海船駕駛、吊車(chē)作業(yè)等多個(gè)工種協(xié)作完成，在施工過(guò)程中要求各工種互相配合，服從安排，同心協(xié)力，不做無(wú)用功，爭(zhēng)取最短時(shí)間內(nèi)完成定位及平臺(tái)組裝。所以，海上作業(yè)前要在陸地上多次演練無(wú)誤后方可開(kāi)展海上鉆孔定位和鉆探平臺(tái)組裝工作。

（4）在CORS系統(tǒng)中RTK流動(dòng)站測(cè)量成果會(huì)受到衛(wèi)星分布情況、電離層是否存在干擾、網(wǎng)絡(luò)通訊鏈?zhǔn)欠穹€(wěn)定、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是否可靠、設(shè)備自身接收衛(wèi)星信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)通訊信號(hào)能力等諸多因素的影響，相比于傳統(tǒng)光電測(cè)量方法和GPS靜態(tài)測(cè)量，RTK的測(cè)量精度和可靠性存在不確定性。尤其在海上定位的CORS-RTK測(cè)量，受大面積水面環(huán)境影響，容易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，對(duì)測(cè)量成果有一定影響。

（5）CORS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。接收機(jī)直接測(cè)量得到的是WGS84坐標(biāo)成果，本次勘查項(xiàng)目要求的是1980西安坐標(biāo)系成果，所以本次在進(jìn)行勘查定位前，我們要求取CORS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，以保證測(cè)量得到的成果是符合要求的坐標(biāo)系成果。由于本次勘查工程主要在海上開(kāi)展，而首級(jí)控制點(diǎn)只能布設(shè)在陸上，如何求取正確的RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，保證海上定位精度也是本次測(cè)量工作的重點(diǎn)工作之一。

3　提高定位海上勘查鉆探孔位定精度的關(guān)鍵技術(shù)

（1）RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。由于本次測(cè)量工作的首級(jí)控制點(diǎn)全部布設(shè)在海岸上，這種控制點(diǎn)的布設(shè)方法是不符合“控制點(diǎn)應(yīng)布測(cè)在工區(qū)的四周和中心[6-8]”的要求。為了消除首級(jí)控制點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK在求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)過(guò)程中的影響，我們將首級(jí)控制點(diǎn)的布測(cè)范圍盡可能地靠近海上礦區(qū)，并且布測(cè)范圍首級(jí)控制點(diǎn)范圍和海上工區(qū)范圍相當(dāng)，甚至更大，以保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)能夠均勻反映整個(gè)測(cè)區(qū)的橢球情況，減弱RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)測(cè)量精度的影響。在求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，選用的控制點(diǎn)必須不少于4個(gè)且分布均勻，點(diǎn)校正后的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的殘差不大于2cm，高程轉(zhuǎn)換的殘差不大于3cm[4]。

（2）多路徑效應(yīng)的影響。海面上大面積的水面所產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)會(huì)影響CORS-RTK測(cè)量精度，通常情況下可產(chǎn)生3～5cm的測(cè)量誤差，當(dāng)衛(wèi)星高度角較低時(shí)，這種誤差可能超過(guò)10cm。所以多路徑效應(yīng)是CORS-RTK技術(shù)在海上作業(yè)時(shí)的主要誤差來(lái)源之一，也是難以消除的影響因素之一。通常情況下采用的解決方法是剔除衛(wèi)星高度角較小的衛(wèi)星或采用扼流圈天線(xiàn)進(jìn)行觀測(cè)。在海上測(cè)量過(guò)程中為了檢查是否存在多路徑效應(yīng)的影響，我們也可以在第一次定位測(cè)量結(jié)束后，快速重新初始化RTK，重新測(cè)量該點(diǎn)，以檢查2次測(cè)量成果是否存在粗差；在有條件情況下，也可以使用2套或多套R(shí)TK分別先后測(cè)量同一定位點(diǎn)互相檢查測(cè)量成果，成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才可以繼續(xù)進(jìn)行CORS-RTK測(cè)量，以排除多路徑效應(yīng)的影響[8]。

（3）觀測(cè)衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度的影響。在進(jìn)行RTK坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，所接收的衛(wèi)星的多少，分布均勻情況，都會(huì)影響PDOP值的大小、RTK的測(cè)量精度和RTK初始化的時(shí)間。一般情況下，在接收衛(wèi)星數(shù)保持不少于6顆，且衛(wèi)星高度截止角不少于15°，PDOP值不大于6時(shí)才能進(jìn)行RTK測(cè)量。

（4）測(cè)量人員的責(zé)任心要強(qiáng)。測(cè)量人員的責(zé)任心、專(zhuān)業(yè)水平和測(cè)量經(jīng)驗(yàn)對(duì)RTK成果的精確性和可靠性有著重要的影響。測(cè)量作業(yè)時(shí)，接收機(jī)的對(duì)中、整平、天線(xiàn)高的量??；輸入控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及天線(xiàn)高等數(shù)據(jù)的任何差錯(cuò)，都將影響RTK測(cè)量的全部坐標(biāo)成果。因此，要求測(cè)量人員測(cè)量時(shí)必須具有強(qiáng)烈的責(zé)任心，耐心、謹(jǐn)慎地按照規(guī)范操作。另外，對(duì)儀器觀測(cè)基座和測(cè)量對(duì)中桿上的水準(zhǔn)氣泡等必須定期嚴(yán)格校核，以避免設(shè)備系統(tǒng)誤差的影響。

（5）觀測(cè)成果必須要復(fù)核。CORS-RTK測(cè)量在快速、便捷、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)距離作業(yè)等多方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但其初始化的置信度通常為95%～99%，也就是說(shuō)RTK的測(cè)量精度和可靠性存在不確定性。如果測(cè)量作業(yè)中缺乏必要的檢核條件，個(gè)別點(diǎn)成果可能會(huì)出現(xiàn)粗差。因此，為了保證CORS-RTK的測(cè)量精度和可靠性，測(cè)量時(shí)必須注重測(cè)量成果的復(fù)核。成果的復(fù)核分為測(cè)量前復(fù)核和測(cè)量中復(fù)核。測(cè)量前復(fù)核是指在RTK測(cè)量前，先在控制點(diǎn)上檢測(cè)，檢測(cè)坐標(biāo)與控制點(diǎn)成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才能繼續(xù)進(jìn)行CORSRTK測(cè)量；測(cè)量中復(fù)核一般是指在測(cè)量時(shí)采用不同起算點(diǎn)測(cè)定部分重合點(diǎn)，或在同一點(diǎn)上采用2次觀測(cè)法（失鎖或重啟）觀測(cè)，在有條件情況下，可以使用2套或多套R(shí)TK分別先后測(cè)量同一共同點(diǎn)互相檢查測(cè)量成果，成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才可以繼續(xù)進(jìn)行CORS-RTK測(cè)量。

（6）成果檢查。為了檢查定位精度，我們對(duì)所有的定位孔位進(jìn)行了抽查。抽查時(shí)，我們?cè)陉懙厥准?jí)控制點(diǎn)上架設(shè)2臺(tái)全站儀，利用方向交會(huì)測(cè)量法測(cè)定已經(jīng)通過(guò)CORS-RTK布設(shè)好的鉆孔位置坐標(biāo)和高程，并將方向交會(huì)測(cè)量法測(cè)定成果和CORS-RTK測(cè)定成果對(duì)比。抽查過(guò)程中，共隨機(jī)抽取48個(gè)孔位中的8個(gè)孔位用來(lái)測(cè)量檢查，最終比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表1。

從2種測(cè)量方法得到結(jié)果來(lái)看，2種測(cè)量結(jié)果存在一些的差值，但差值不大，完全符合該項(xiàng)目勘查施工的精度要求。

表1　定位結(jié)果對(duì)比表

4　結(jié)束語(yǔ)

CORS-RTK定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，CORSRTK定位技術(shù)在海上鉆探孔位定位方面有很好的應(yīng)用前景，通過(guò)本次海上勘探工程驗(yàn)證了CORS-RTK定位技術(shù)在近海海上實(shí)時(shí)定位精度高、數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠、海上作業(yè)距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了CORSRTK定位技術(shù)在近海鉆探孔位定位時(shí)的一些不足之處，如：CORS-RTK作業(yè)距離受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的影響檢核條件少、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)定位精度的影響、大面積海水面多路徑效應(yīng)對(duì)定位精度的影響、海風(fēng)及海流導(dǎo)致施工船體晃動(dòng)對(duì)定位精度的影響等。面對(duì)這些問(wèn)題，我們采取了一些辦法以求提高定位精度，但在將來(lái)的海上勘探工程中還需要進(jìn)一步的研究。

[1] 姚連璧,劉春.打樁定位系統(tǒng)中設(shè)備船固坐標(biāo)的測(cè)定和計(jì)算方法[J].工程勘察,2004（5）:53-54.

[2] 周瑞祥.GPS-RTK技術(shù)在東海大橋樁基施T中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2004（1）：59-62.

[3]姚志國(guó),常明月.淺析海上定位鉆探方法[J].中國(guó)房地產(chǎn)業(yè), 2011（10）:298-299.

[4]張海平.SDCORS系統(tǒng)測(cè)試與技術(shù)性能分析[J].全球定位系統(tǒng),2013（3）:61-64.

[5]GBT18341-2001地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范[S].

[6]CJJT 73-2010衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范[S].

[7]CH/T2009—2010全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范[S].

[8]潘寶玉,李宏偉.RTK技術(shù)的特點(diǎn)及提高成果精度的技術(shù)關(guān)鍵[J].測(cè)繪工程,2003,12（4）:46-49.

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A

1004-5716（2016）11-0083-04

2016-01-10

孔玉柱（1980-），男（漢族），山東梁山人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地理信息和地質(zhì)測(cè)繪工作。