GPS測(cè)繪技術(shù)及其在地質(zhì)測(cè)繪中的應(yīng)用

陳 沖

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109）

地質(zhì)測(cè)繪是地質(zhì)勘察工作中的核心，其專業(yè)性強(qiáng)，操作復(fù)雜。以往需要大量的時(shí)間和人力配合工作，而新時(shí)代新技術(shù)的發(fā)展突破了這一局限。將GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)引入地質(zhì)測(cè)繪工作無(wú)疑是對(duì)原有地質(zhì)測(cè)繪系統(tǒng)的一項(xiàng)技術(shù)革新。從現(xiàn)實(shí)角度看，GPS技術(shù)的應(yīng)用使地質(zhì)測(cè)繪變得更加精確、高效。本文重點(diǎn)針對(duì)GPS技術(shù)在地質(zhì)工程勘察測(cè)繪中的應(yīng)用展開(kāi)論述[1]。

1 GPS技術(shù)分析

GPS測(cè)繪技術(shù)的基本原理：GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有抗干擾性強(qiáng)、定位準(zhǔn)確性高、可實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)位置信息等特點(diǎn)。GPS 測(cè)繪技術(shù)的原理是利用其精確的定位，測(cè)量某一確定位置與衛(wèi)星信號(hào)接收器之間的空間距離。需要設(shè)置多個(gè)不同的空間點(diǎn)位，再將多個(gè)的定位點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋至計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，獲取測(cè)繪目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。

具體而言，GPS技術(shù)系統(tǒng)的組成主要包括衛(wèi)星信號(hào)和軟件解算兩個(gè)部分。衛(wèi)星信號(hào)系統(tǒng)的作用是接收空間位置信息，其工作方式是首先設(shè)定一個(gè)固定的基準(zhǔn)站，并在勘察目標(biāo)周圍設(shè)置多點(diǎn)流動(dòng)站。在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站點(diǎn)分別配置多臺(tái)GPS接收器，如此可快速、高效的接收主控站傳來(lái)的數(shù)據(jù)。 軟件解算系統(tǒng)則是完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，通過(guò)對(duì)接收到的衛(wèi)星信息相位與接收機(jī)產(chǎn)生的載波信號(hào)相位的比對(duì)得出具體的空間坐標(biāo)。借助GPS系統(tǒng)本身抗干擾性強(qiáng)、定位準(zhǔn)確的特性優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行軟件解算可以得到精確的測(cè)量數(shù)據(jù)且使數(shù)據(jù)誤差最小化甚至使測(cè)量結(jié)果誤差趨于零。

如今，利用GPS的靜態(tài)定位技術(shù)已在地質(zhì)勘察測(cè)繪中得到廣泛的應(yīng)用。這種短基線測(cè)量技術(shù)少受時(shí)間、人力的制約，隨時(shí)隨地可不間斷的觀測(cè)作業(yè)，獲取精準(zhǔn)的三維空間坐標(biāo)。高效地完成測(cè)量測(cè)繪工作。

2 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的布網(wǎng)控制原則

利用GPS技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪工作，首先需要在地質(zhì)勘察測(cè)繪工作區(qū)域構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置測(cè)繪勘察活動(dòng)區(qū)域?？辈斓刭|(zhì)測(cè)繪帶的結(jié)構(gòu)，可以將網(wǎng)絡(luò)分層布局，從不同的勘測(cè)點(diǎn)分別構(gòu)成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最后整合處理測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)量精度要求

在構(gòu)建GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)與實(shí)際開(kāi)展利用GPS技術(shù)測(cè)繪的過(guò)程中，可能會(huì)遇到各種不同的地形及其他影響因素。應(yīng)當(dāng)要針對(duì)不同的地質(zhì)條件及地質(zhì)測(cè)繪的實(shí)際需要，做好前期相關(guān)技術(shù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析工作，以確保實(shí)際運(yùn)用GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)能夠發(fā)揮出GPS全球定位系統(tǒng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，時(shí)刻保持其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性、精確性。

3 GPS技術(shù)對(duì)于地質(zhì)測(cè)繪的重要意義

3.1 傳統(tǒng)測(cè)繪方法的局限性

傳統(tǒng)測(cè)量方式多利用平板儀、手動(dòng)標(biāo)尺進(jìn)行三角測(cè)量、幾何測(cè)量?；静捎脭U(kuò)大地形圖比例尺的方法，對(duì)測(cè)量目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量后再通過(guò)一定比例計(jì)算獲取大致位置坐標(biāo)。而地質(zhì)測(cè)繪的工作地點(diǎn)大多在戶外，不定因素眾多，以上方法測(cè)量范圍有限，工作量大且操作程序繁瑣。對(duì)于簡(jiǎn)單地形的勘察尚有效果，若遇到復(fù)雜地形，傳統(tǒng)測(cè)量方式便顯得落后許多。

除了以上的基礎(chǔ)測(cè)量，后期改進(jìn)技術(shù)使用經(jīng)緯儀，再通過(guò)角度計(jì)算獲得坐標(biāo)。但這些傳統(tǒng)測(cè)量的方法始終是將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理，一旦測(cè)繪量增大，數(shù)據(jù)處理難度隨之增大，工作周期也隨之延長(zhǎng)，給后續(xù)的繪圖工作帶來(lái)了極大影響。

3.2 地質(zhì)測(cè)繪現(xiàn)狀

地質(zhì)測(cè)繪隨新時(shí)期生產(chǎn)力的發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷創(chuàng)新。地質(zhì)勘察對(duì)地質(zhì)測(cè)繪精確度的要求越來(lái)越高，然而實(shí)際地質(zhì)測(cè)繪工作中，測(cè)量結(jié)果往往受多種因素影響，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式已經(jīng)無(wú)法滿足技術(shù)需求。為解決此類問(wèn)題，地質(zhì)測(cè)繪工作近年來(lái)及進(jìn)了多種智能自動(dòng)化技術(shù)，如GPS技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)等，都在一定程度上給地質(zhì)測(cè)繪提供了新技術(shù)支持。

3.3 GPS技術(shù)在地質(zhì)測(cè)繪中的應(yīng)用重要意義

3.3.1 地質(zhì)測(cè)量工序得到優(yōu)化

地質(zhì)勘察工作環(huán)境大多為野外，受環(huán)境因素影響，不易采用過(guò)多的機(jī)械設(shè)備。GPS設(shè)備體積較小方便攜帶，小范圍區(qū)域測(cè)量時(shí)，僅需利用單一固定點(diǎn)便可完成。大范圍區(qū)域測(cè)量也只需手持GPS測(cè)量?jī)x，分別定位各個(gè)流動(dòng)站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。即使遇到山地類的復(fù)雜地形，也能充分發(fā)揮GPS技術(shù)價(jià)值，為勘測(cè)人員準(zhǔn)確繪制地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖提供技術(shù)支持。

GPS測(cè)繪技術(shù)已逐步成為我國(guó)地質(zhì)勘察工作中的關(guān)鍵，在實(shí)際操作中，優(yōu)化了地質(zhì)測(cè)量的工序，縮減了人工勞動(dòng)量并進(jìn)一步精確了測(cè)量數(shù)據(jù)[2-4]。

3.3.2 測(cè)量結(jié)果精確度提升

GPS測(cè)繪技術(shù)是結(jié)合地形勘測(cè)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)處理，全過(guò)程采用自動(dòng)化的儀器計(jì)算數(shù)據(jù)，無(wú)需人工計(jì)算轉(zhuǎn)換。避免了人工計(jì)算中可能會(huì)出現(xiàn)的失誤，同時(shí)也能夠更加精確得到相關(guān)數(shù)據(jù)。GPS測(cè)繪廣泛運(yùn)用的背景下，在技術(shù)層面不斷完善，即使對(duì)較遠(yuǎn)的地形目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，依然具有較高的精確度。如今測(cè)量誤差已縮減至厘米單位。若現(xiàn)實(shí)工作條件理想，或?qū)⑦_(dá)到零誤差。

3.3.3 有效的預(yù)測(cè)地質(zhì)自然災(zāi)害

隨著我國(guó)工業(yè)化現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，對(duì)自然環(huán)境的影響也逐漸加深，突如其來(lái)自然災(zāi)害如地震、泥石流等也不斷增多，人類的生命安全變成未知數(shù)而地質(zhì)測(cè)繪工作在其中便起到了防患于未然的作用。應(yīng)用GPS對(duì)城市和礦區(qū)地表移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維監(jiān)測(cè)，對(duì)地表移動(dòng)進(jìn)行精細(xì)過(guò)程研究，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演地層移動(dòng)參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)，并及時(shí)將信息反饋至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繪制建立地層變形模型，解決地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題。

4 GPS測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)測(cè)繪中的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 野外地質(zhì)測(cè)繪

4.1.1 測(cè)繪選點(diǎn)

野外測(cè)繪是地質(zhì)測(cè)繪的主要工作內(nèi)容和工作場(chǎng)所，利用GPS技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確的找到觀測(cè)點(diǎn)。而結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪工作的實(shí)際情況所選擇的測(cè)繪點(diǎn)應(yīng)遵循以下原則。第一，熟悉勘測(cè)區(qū)域的周邊環(huán)境，觀測(cè)是否有高壓線、核電站等影響因素可能會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生干擾。第二，勘測(cè)區(qū)域內(nèi)有湖泊、河流等水域，需要盡量與水面保持一定水平距離，注意水面對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。第三，選擇站點(diǎn)時(shí)應(yīng)避免在觀測(cè)地質(zhì)目標(biāo)路徑有其他實(shí)物遮擋，并保持高度角大于15°，減小障礙物對(duì)于觀測(cè)目標(biāo)的影響。

4.1.2 測(cè)繪操作

受人為因素影響，即使GPS信息接收器保持固定位置不變，各個(gè)獨(dú)立接收機(jī)也無(wú)法保證能在絕對(duì)統(tǒng)一的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟。因此實(shí)際在野外勘測(cè)工作中，還應(yīng)用GPS儀器對(duì)勘測(cè)區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度及天氣變化實(shí)時(shí)記錄，以便后期數(shù)據(jù)處理時(shí)統(tǒng)籌考慮。

同時(shí)，GPS技術(shù)能夠有效利用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)，對(duì)周邊環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止突發(fā)情況，使野外測(cè)繪工作更加安全、穩(wěn)定的進(jìn)行。

4.2 測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

4.2.1 GPS技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在開(kāi)展GPS地質(zhì)勘測(cè)完成后，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先完善測(cè)量所取得的原始技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯編輯計(jì)算。需要以此為依據(jù)，計(jì)算平均差，通過(guò)獨(dú)立的基線組成一個(gè)閉合圖形。根據(jù)三維基線以及相應(yīng)的方差協(xié)作作為觀測(cè)信息，不考慮外界影響因素情況下，建立二維坐標(biāo)，選取測(cè)區(qū)子午線為坐標(biāo)系的中心。采集、傳輸數(shù)據(jù)后去除無(wú)效信息，為精密數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)GPS技術(shù)精密數(shù)據(jù)的過(guò)程分為基線向量計(jì)算和基線向量網(wǎng)平差計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，以上計(jì)算過(guò)程均以預(yù)處理數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，遵循數(shù)據(jù)處理工作的操作規(guī)范，科學(xué)準(zhǔn)確的得出最終測(cè)繪結(jié)果。

4.3 GPS水下地質(zhì)測(cè)繪

地質(zhì)形態(tài)多變，勘測(cè)工作也包括水域下的地質(zhì)測(cè)繪。以往常用經(jīng)緯儀加計(jì)算機(jī)輔助經(jīng)常測(cè)量，對(duì)設(shè)備要求高，操作復(fù)雜。但GPS技術(shù)支持在水中接收信號(hào)，通過(guò)基站設(shè)置自動(dòng)校正。測(cè)量時(shí)只需將正確的坐標(biāo)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)接收周期性的信號(hào)，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，同樣可控制誤差，保證精確度。

4.4 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪

多臺(tái)GPS接收器同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，基準(zhǔn)站點(diǎn)和流動(dòng)站點(diǎn)結(jié)合自身觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的信息傳輸進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)計(jì)算出兩點(diǎn)之間的相對(duì)位置，獲得各個(gè)流動(dòng)站點(diǎn)的準(zhǔn)確空間坐標(biāo)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)同步測(cè)繪。

4.5 GPS技術(shù)的具體應(yīng)用

以下對(duì)某一生態(tài)環(huán)境的綜合改善工程為例進(jìn)行分析，工程全長(zhǎng)為140km。工程前期需要做一系列的原始數(shù)據(jù)分析。由于其工程規(guī)模巨大，對(duì)測(cè)繪質(zhì)量要求高，布置三角網(wǎng)的傳統(tǒng)測(cè)繪方式在短期內(nèi)難以達(dá)到這樣的水平。且三角網(wǎng)的導(dǎo)線布置受地形影響較大，測(cè)量范圍小，實(shí)際測(cè)繪工作中無(wú)法有效的實(shí)施。出于地質(zhì)測(cè)繪工作高效準(zhǔn)確的需求，選用GPS技術(shù)靜態(tài)測(cè)量方法為最佳。

如圖一所示為GPS平面控制網(wǎng)圖布局圖。通過(guò)GPS接收機(jī)定點(diǎn)測(cè)量，將GPS接收機(jī)的信號(hào)源看做不受時(shí)間變化影響的定量，接收來(lái)自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)變量，對(duì)測(cè)量區(qū)域布置平面控制網(wǎng)，對(duì)比多組數(shù)據(jù)獲取特定位置。GPS信號(hào)接收機(jī)直接在各自的定點(diǎn)獨(dú)立接收衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)站點(diǎn)直接不用相互通視。只需選取關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置覘標(biāo)，提高了工作效率。

圖1 GPS平面控制網(wǎng)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，科技在不同領(lǐng)域的發(fā)展使得地質(zhì)測(cè)繪在技術(shù)層面有了質(zhì)的飛躍。GPS技術(shù)的應(yīng)用對(duì)地質(zhì)勘察測(cè)繪有著舉足輕重的意義。GPS技術(shù)的引入，不僅大幅度的解放了勞動(dòng)力，省去了大量繁瑣的測(cè)量工作，提高了測(cè)繪結(jié)果的精確度和測(cè)繪工作的高效性。而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在地質(zhì)災(zāi)害來(lái)臨之際為人們敲響警鐘。以上都是符合地質(zhì)測(cè)繪發(fā)展需要的，未來(lái)還應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮GPS的數(shù)字自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)測(cè)繪的現(xiàn)代化長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。