水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中GPSRTK技術的應用

賈邦中

摘要：水環(huán)工地質(zhì)調(diào)查是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的堅實保障，目前水環(huán)工地質(zhì)調(diào)查中有許多的技術被應用，其中GPSRTK技術是當前一種新型的探測技術，它以其效率高、精確度高等優(yōu)點從眾多的探測技術中脫穎而出，本文就對GPSRTK技術在水環(huán)工地質(zhì)調(diào)查方面的應用進行了深入的探索，通過分析GPSRTK技術的原理，對其在環(huán)境污染、碳氫污染方面的應用進行了詳細的分析，希冀能夠為以后在這一方面的研究工作提供一份可供參考的資料。

關鍵詞：水環(huán)工；GPSRTK技術；精確；環(huán)境保護

1.引言

水工環(huán)地質(zhì)是工程、水文、環(huán)境三種地質(zhì)的總稱，其勘測工作主要是對地下水資源、自然地質(zhì)環(huán)境以及工程建設這三方面進行評價。水工環(huán)地質(zhì)勘測對優(yōu)化經(jīng)濟結構體系，協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護相適應有著非常重要的作用。隨著環(huán)境問題越來越嚴重，國家對環(huán)境的保護和治理的力度也逐漸加大，在這一新的形勢下，探索高效新型的水文環(huán)地質(zhì)勘測技術，改變以往盲目探索的問題，形成一套完善的水工環(huán)地質(zhì)勘測模式，成為水環(huán)工地質(zhì)探測發(fā)展的重點，同時做好水環(huán)工地質(zhì)探測工作將成為可持續(xù)發(fā)展的堅實的保障。

隨著科技水平的不斷提升，衛(wèi)星定位技術已經(jīng)開始進入到我們的日常生活中來，GPS技術以其精準、便捷的優(yōu)點在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應用。這其中，GPSRTK技術是以載波相位測量為基礎的一種實時動態(tài)測量定位系統(tǒng)，這一技術可以實時的檢測所處的位置信息并進行數(shù)據(jù)傳輸，在水環(huán)工地質(zhì)調(diào)查中可以提供更加精準的位置坐標，因此被推廣開來。GPSRTK技術采用個差分法計算原理，這種方法可以很好地降低在修正載波測量過程中所產(chǎn)生的誤差，提高計算的精確性。目前GPSRTK技術在水環(huán)工地質(zhì)調(diào)查中占據(jù)著非常重要的地位，其功能應用、服務質(zhì)量也在不斷地提升，同時也在朝著更廣泛的應用方向發(fā)展。

2.基本工作原理

GPSRTK是由兩種系統(tǒng)組合而成的一種精準動態(tài)定位系統(tǒng)，首先它是根據(jù)載波相位觀測量為基礎進行GPS定位的系統(tǒng)；其次，采用RTK系統(tǒng)對載波相位測量過程中產(chǎn)生的殘余誤差進行降低，進而提高其定位的精確度，根據(jù)以往的經(jīng)驗的表明，其精確程度可達到厘米級。

實現(xiàn)實時動態(tài)測量主要是通過以下的步驟進行，首先安放一臺GPS接收機在基準觀測站上，然后就是通過GPS衛(wèi)星對地面坐標進行實時的觀測，并將觀測的信息通過無線電傳送裝置傳送到用戶觀測站的GPS接收機上，接收機接收衛(wèi)星信號的同時也通過無線電傳輸接收基準站的觀測數(shù)據(jù)和信息，然后通過轉換參數(shù)、處理器處理后，根據(jù)GPS相對定位的原理，計算出相對于基準站的基線向量，得出基準站的位置坐標，最后通過坐標系的轉換計算出用戶的實時三維坐標。

2.1 GPS技術

GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）技術是一種動態(tài)定位技術，可以在導航定位系統(tǒng)的輔助下全面收集載波相位數(shù)據(jù)，有效地保證了地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的準確性。GPS技術可以在衛(wèi)星和地面之間定位空間。在地面基站的幫助下，安排了高性能，高水平的GPS接收機，并選擇了實時觀測方法，很好地進行了信號的傳輸和轉換。通過該鏈接，可以將地面GPS接收器的數(shù)據(jù)信號轉換為無線電信號，并通過精確計算基線向量，由現(xiàn)階段要測試的基站確定目標，這是由于國內(nèi)對地質(zhì)災害的研究對環(huán)境保護工作的深入實施，在一定程度上擴大了GPS技術的應用空間，其在地質(zhì)礦產(chǎn)資源，水文地質(zhì)勘探中，在城市規(guī)劃領域發(fā)揮了重要作用。

2.2 RTK技術

RTK技術基于動態(tài)差異原理。從傳統(tǒng)的角度來看，RTK技術將數(shù)據(jù)誤差控制在厘米范圍內(nèi)，即它以基站和移動站的位置為導向，在接收設備的幫助下接收數(shù)據(jù)，并在接收設備上進行比較分析。接收設備來自同一來源的衛(wèi)星信號的數(shù)據(jù)。經(jīng)過差異校正后，可以集成無線傳輸設備以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿悠脚_，這最適合于環(huán)境污染和地質(zhì)災害的預防和調(diào)查。此外，RTK技術還具有自動化，數(shù)據(jù)可靠，安全系數(shù)高，效率高，操作簡單的特點。

3. GPS RTK技術在水利工程地質(zhì)勘察中的應用價值

（1）工作原理。GPS RTK是一種實時動態(tài)測量技術，其工作原理是：根據(jù)每個衛(wèi)星的觀測情況，在基站上安裝GPS接收器；在連續(xù)觀測的前提下，數(shù)據(jù)信號通過衛(wèi)星傳輸?shù)教煳呐_，而無線電設備承擔起了衛(wèi)星和天文臺信號的傳播的任務。GPS接收器不斷地接受發(fā)射來的數(shù)據(jù)，不斷變化參數(shù)，通過GPS定位以及科學的預算，找到另一個坐標，即wgs-84。結合wgs-84坐標和局部坐標之間的參數(shù)，可以真正顯示所需的精度和系數(shù)。（2）應用價值。首先，效率與傳統(tǒng)的測量技術相比，GPS RTK技術具有高強度測量的優(yōu)勢。換句話說，在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中，現(xiàn)代的RTK基站可以測量半徑為5000m的區(qū)域，僅通過一個測量結果就可以弄清地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，不再大量的安裝一些其他無用的設備，減少資金投入，和資源浪費。簡而言之，GPS RTK技術不僅可以減少測量人員的工作量，而且可以縮短地質(zhì)勘測周期，從而在短時間內(nèi)做好勘察的目的和意義，真正實現(xiàn)其優(yōu)勢。增加地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的效率。其次，定位準確，GPS RTK技術是一種典型的技術，該技術基于載波相位，用于對觀測點數(shù)據(jù)進行實時和動態(tài)定位。換句話說，使用了天文臺的三維坐標，并使用了實時定位分析中的數(shù)據(jù)變化以使其精確到厘米級。如果在實際的地質(zhì)調(diào)查中完全貫徹GPS RTK的技術標準，就可以避免測量誤差，這不僅是對傳統(tǒng)測量技術在平面和仰角上精度的合理提高，而且是避免測量的核心方法。GPS RTK技術相對于普通的技術，只需要按照循電磁波直視技術的原理，不需要按照兩點光學直視，就可以達到標準，這也是技術的一大創(chuàng)新。在數(shù)據(jù)測量這方面，GPS RTK技術在水利工程環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應用可以實現(xiàn)24h不間斷運行的目的，而不受外界因素的干擾。最后，實現(xiàn)自動化。針對水利工程和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，GPS RTK技術可用于各種環(huán)境的測繪工程中，以減少或控制人為錯誤，提高數(shù)據(jù)測繪的精度。另外，借助專業(yè)的軟件映射功能，以其多樣化的優(yōu)勢來進行自動映射。

4. GPS RTK技術在水環(huán)境地質(zhì)勘探中的優(yōu)勢

（1）與傳統(tǒng)的高效率測量方法相比，測量控制點的數(shù)量為GPS RTK測量技術和移動所需，大大減少了測量儀器的數(shù)量，并且只能測量一次操作，每次放樣花費的時間點測量過程僅需1.2s，僅需要在此時間范圍內(nèi)即可完成放樣點測量。另外，對于一般的地形和地形測量，RTK技術只需對半徑為5km的測量區(qū)域進行一次測量即可保證測量精度，大大減少了測量時間，提高了測量效率。（2）高定位精度RTK技術具有很高的定位精度。通常，有必要確保RTK測量滿足的基本條件可以確保測量精度。特別是對于一般定位，RTK的仰角和平面精度可以達到厘米級，并且不會積累測量誤差。（3）RTK技術在全天候運行中的工作要求只需要滿足空氣和電磁波穿透的要求，而兩點之間就不必滿足光學穿透的要求。因此，與傳統(tǒng)的測量技術相比，RTK技術通常在雨天，強風和其他天氣條件下工作的障礙較少，這意味著它可以實現(xiàn)全天候運行。（4）具有高度自動化和集成度的RTK技術可以滿足各種制圖領域的要求。操作設備軟件中內(nèi)置了各種映射功能，可以實現(xiàn)高度的自動化和集成度，從而大大減少了人為操作錯誤，提高了操作精度。

5.水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中GPSRTK技術的具體運用

GPS系統(tǒng)經(jīng)過多年的探索與發(fā)展，已經(jīng)有了很完善的技術儲備，在水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查領域中的應用也逐漸推廣開來，如近幾年在環(huán)境污染、碳氫污染等領域GPS RTK技術的應用已經(jīng)逐漸走向成熟。

（1）環(huán)境污染。根據(jù)大數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計得知，在環(huán)境污染勘測領域GPS RTK技術已經(jīng)占據(jù)了主導地位，應用這一技術可以可以獲取精準的數(shù)據(jù)信息，并上傳到數(shù)據(jù)管理部門，使工作人員對數(shù)據(jù)進行分析整合，從而以最短的時間確定環(huán)境污染的位置以及污染的原因，以便于及時的做好解決的對策。而想要達到這一個效果，還要有一定的輔助裝置才可以，首先是應用GPS RTK技術要結合集裝箱的使用，這樣可以保證得到的實驗數(shù)據(jù)可靠性更高，如果待檢測的區(qū)域以及相鄰區(qū)域沒有污染或者污染的趨勢時，需要對潛水面進行污染物探測，這時就可以應用GPS RTK技術對潛水面上的懸浮顆粒物進行探測，假若污染物呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，則無法對潛水面進行探測，但是可以獲得準確的水工環(huán)的地質(zhì)數(shù)據(jù)。我們以一個實例為代表來說明其在環(huán)境污染檢測方面的應用。

在山東某地有一硝化纖維廠，該地區(qū)地層為石灰?guī)r區(qū)域。由于纖維廠對產(chǎn)生的化學污水管理不善導致發(fā)生泄漏引發(fā)了周邊的環(huán)境地質(zhì)問題，污染物主要是硝化纖維。為了對該區(qū)域的水質(zhì)調(diào)查，實現(xiàn)對潛水面、地表水以及巖溶等區(qū)域的硝化纖維含量的測量，先在井下進行雷達鉆孔，按照深度鉆15個30m的孔和6個50m的孔，對數(shù)據(jù)進行收集，以“HK疊加法”作為應用基準，繪制三維數(shù)據(jù)圖。通過該種方式的運用，可以圖像重建為核心，將探測深度控制在10m，隨后利用后續(xù)硝化纖維污染點的開

挖，對地質(zhì)環(huán)境污染問題予以根本上解決，即表明GPS RTK技術在水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中，具有顯著探測效果。

（2）GPS RTK在南極多年凍土安全檢查中的應用被科學家發(fā)現(xiàn)在計劃進行南極勘探的場所之一中，地下冰層0.3m～ 0.5m處有融化坑，這會對科學勘探場所產(chǎn)生不利影響?；诖?，他們使用GPS技術對站點進行了調(diào)查。但他們研究了實測的衍射波結構信息后發(fā)現(xiàn)有一片冰，但是含水量卻很少。

（3）GPS RTK在區(qū)域水文雷達數(shù)據(jù)觀測中的應用，其結構特征和地質(zhì)主體結構將對雷達響應產(chǎn)生一定的影響，并具有一定的特征作用。這些特征效應實際上稱為雷達相位圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應用地質(zhì)研究所已使用GPS技術測量和研究了多個測試地點，以評估GPS特性和針對不同水文地質(zhì)目標的成像可能性。研究結果揭示了荷蘭不同沉積環(huán)境下雷達相圖要素的特征，對確定水文地質(zhì)序列的位置具有重要意義。

（4）碳氫污染物。在水環(huán)工地質(zhì)勘查中GPSRTK技術之所以有如此廣泛的應用是因為其具有其他技術門類所不具備的一些優(yōu)勢，比如說在野外勘察中，GPSRTK技術受外界環(huán)境影響程度較低，在較短時間內(nèi)得到比較可靠的地質(zhì)勘探的結果。為了驗證這一優(yōu)點，國外的一位勘探人員曾經(jīng)做過長方體集裝箱試驗調(diào)查工作，結果表明符合理論數(shù)值。

為了進一步的發(fā)掘GPSRTK技術在碳氫污染物探測方面的作用，通過使用雷達，用水文參數(shù)以及雷達的響應間對比處理模式為數(shù)據(jù)，進行試驗分析。通過試驗得到了以下的結論，首先是在污染物達到飽和狀態(tài)時，GPS RTK技術無法對潛水面的污染程度進行探測；而當在相鄰的區(qū)域沒有發(fā)生污染的情況下，GPS RTK技術在潛水面的探測結果最為有效；試驗項目開展的目的主要是對砂質(zhì)的土壤進行探測。在多元化水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎上，對毛細水頭、羽狀污染物等傳播速率進行針對性把控，如在石油污染（如圖1）探測案例中，對GPS RTK技術的科學運用。

在石油污染探測中想要充分發(fā)揮GPS RTK技術的優(yōu)勢，也要做好相應的操作步驟，整個過程分為三步：準備、參數(shù)轉換以及施測。下面我們具體對這三個步驟進行說明：第一個是準備工作，首先要對待探測石油污染地區(qū)的平面資料以及三維資料進行收集，通過資料來確定待測點的位置，之后就是布設基準站、流動站并設置好參數(shù)，保證數(shù)據(jù)的一致性。第二個參數(shù)轉換工作主要是將第一步中收到的參數(shù)信息為基準繪制坐標系，做好信息的篩選，并對參數(shù)的分布趨勢進行分析，以便于GPS軟件能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的轉換。第三個施測就是對目標位置進行精確的觀察，目前常用的施測設備是徠卡1200型動態(tài)GPS RTK施測儀，這種設備具有高低度角、快速跟蹤、更新速度快以及抗干擾能力強等優(yōu)點，在動態(tài)檢測中精度可以達到±5mm+1ppm×D（D為基線長度），在幾秒之內(nèi)就可以完成測量，在距離方面于15000m內(nèi)精確度可以達到99.9%，具有很可靠的使用性能。

6.結束語

綜上所述，我們可以知道GPS RTK技術在水環(huán)工地質(zhì)檢測方面具有非常廣闊的應用前景。隨著科技的不斷發(fā)展，多樣化、智能化、柔性化的探測技術在水環(huán)工地質(zhì)探測領域中開始全面應用，工程探測單位在保證探測水平與質(zhì)量的前提下，開始對探測的效率、精確度以及降低勞動強度等方面進行多樣化的選擇，這促進了對先進技術以及設備的科學研究，增大的了創(chuàng)新發(fā)展的步伐。GPS RTK技術正是在不斷地創(chuàng)新中探索出來，它以其高效率、高精準、高度自動化以及高強度作業(yè)等優(yōu)勢從眾多的探測技術中脫穎而出，使其成為環(huán)境污染、碳氫污染以及水文地質(zhì)調(diào)查、安全檢驗等領域中的不二之選。

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