區(qū)域重力調(diào)查中近區(qū)地形改正方法探究

常金鑫，彭伍胥*，王 珍，劉賀楠

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北廊坊）

引言

隨著國(guó)內(nèi)外技術(shù)的不斷進(jìn)步，精度較高的重力儀廣泛推廣，重力測(cè)量觀測(cè)值精度已大幅度提高。大地測(cè)量測(cè)地工作從之前地形圖定點(diǎn)發(fā)展到現(xiàn)在GNSS 定位中RTK 技術(shù)進(jìn)行定位，測(cè)地精度提高到現(xiàn)在的平面位置±1 m、高程±0.6 m 范圍之內(nèi)，當(dāng)前影響布格重力異?？偩鹊闹匾蛩鼐褪堑匦胃恼木取?/p>

在重力調(diào)查中觀測(cè)精度一般在幾至幾十微伽以?xún)?nèi)，而山區(qū)地形復(fù)雜、起伏和高差很大，地形改正值可達(dá)幾十至幾百微伽，是觀測(cè)精度的數(shù)十倍乃至上百倍，因此地形改正的精度很大程度上決定了重力測(cè)量資料的成果。目前區(qū)域重力調(diào)查中近區(qū)地形改正方法主要為目估法，這種方法受人為影響比較大，改正精度相對(duì)較低?；谀壳爸亓φ{(diào)查中近區(qū)地形改正研究現(xiàn)狀以及區(qū)域重力測(cè)量實(shí)際工作的需要，本文采用目估法、輔助儀器法、GNSS 測(cè)高法三種方法[7]，選取野外工作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)地形傾角值和測(cè)量高程，測(cè)量完畢后進(jìn)行地形改正值計(jì)算，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的改正。在同一測(cè)點(diǎn)對(duì)比三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定一種或兩種較好的近區(qū)地形改正方法在區(qū)域重力調(diào)查項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[3]。根據(jù)工作區(qū)內(nèi)山地丘陵地區(qū)地形變化大的特點(diǎn)，近區(qū)地形改正試驗(yàn)點(diǎn)選在地形復(fù)雜的山區(qū)，能夠更加明顯的對(duì)比出山區(qū)重力近區(qū)地形改正方法的選擇。

1 近區(qū)地形改正原理

重力地形改正的目的就是要消除由于地形的起伏不平對(duì)觀測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)值的影響[1]。如圖1 所示，就是要消去通過(guò)重力觀測(cè)點(diǎn)O 的水平面以上的多余物質(zhì)（A、C）和低于水平面以下缺少的物質(zhì)（B）,在O 點(diǎn)所產(chǎn)生的附加引力對(duì)O 點(diǎn)的重力觀測(cè)值的影響。與地形平坦的情況相比，高于O 點(diǎn)的地形,質(zhì)量對(duì)O 點(diǎn)產(chǎn)生的引力，其鉛垂方向的分力會(huì)使O 點(diǎn)的重力值減小;低于O 點(diǎn)的地形，由于缺少物質(zhì)，也會(huì)使O 點(diǎn)的重力值降低。所以，不管O 點(diǎn)周?chē)匦问歉哌€是低，相對(duì)于O 點(diǎn)周?chē)匦问瞧教沟那闆r下，其地形影響值都將使O 點(diǎn)的重力值變小，故地形改正值總是正的。無(wú)論是實(shí)地測(cè)量還是在地形圖上讀取地形模型，逼近實(shí)際地形越好，地形改正的精度就越高。

圖1 地形影響示意

2 近區(qū)地形改正試驗(yàn)方案

試驗(yàn)點(diǎn)選取為高山地區(qū)，選擇重力異常區(qū)，計(jì)劃實(shí)測(cè)64 個(gè)測(cè)點(diǎn)(質(zhì)檢點(diǎn)8 個(gè))。采用三種方法: 目估法、輔助儀器法和GNSS 測(cè)高法[5]，實(shí)測(cè)50 m 方域八方位的高程或者傾角，并按規(guī)范要求記錄地形改正表，然后進(jìn)行室內(nèi)統(tǒng)一計(jì)算整理。

2.1 目估法

依據(jù)地形改正記錄人員的經(jīng)驗(yàn)，在重力測(cè)點(diǎn)中心以正北方向開(kāi)始，利用手持羅盤(pán)儀相隔45°為一個(gè)方位目估50 m 處的傾角值，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 個(gè)方位，所得的近區(qū)地形改正范圍內(nèi)的地形傾角值或平均高程，如圖2 所示，記錄在近區(qū)地形改正記錄表上，并把測(cè)量用時(shí)記錄下來(lái)，回到室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一整理計(jì)算。

圖2 目估法測(cè)量示意

2.2 輔助儀器法

激光測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)是能快速測(cè)量0～200 m 的平距，森林羅盤(pán)儀能夠快速的找準(zhǔn)8 個(gè)方位。借助激光測(cè)距儀和森林羅盤(pán)儀相配合使用可以測(cè)量坡度角±45°范圍，如圖3 所示，先量出森林羅盤(pán)儀距離地面的高度，而后將激光測(cè)距儀放置在森林羅盤(pán)支架上，以正北方向?yàn)槠瘘c(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 個(gè)方位。通過(guò)激光測(cè)距儀內(nèi)置的傾角傳感器能夠快速的讀取50 m 處的傾角值，記錄在近區(qū)地形改正記錄表上，并把測(cè)量用時(shí)記錄下來(lái)，回到室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一整理計(jì)算。

圖3 輔助儀器法測(cè)量示意

2.3 GNSS 測(cè)高法

GNSS 測(cè)高法采用GPS 測(cè)量中的RTK 模式，該方法應(yīng)用GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式( RTK) ，精確測(cè)量點(diǎn)位高程[2]。首先在測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行放樣，通過(guò)放樣功能對(duì)測(cè)點(diǎn)8 方位的周?chē)?0 m 處的高程進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示，記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程值，室內(nèi)計(jì)算出相對(duì)測(cè)點(diǎn)的高差而后計(jì)算近區(qū)地形改正值。該方法有一些局限性，首先要有基站，還必須要有電臺(tái)信號(hào)才能正常工作（其他可用CORS 站的測(cè)量?jī)x），山區(qū)一般易有信號(hào)遮擋的問(wèn)題，可以考慮架設(shè)中繼站解決。

圖4 GNSS 測(cè)高法測(cè)量示意

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析

本次試驗(yàn)在研究區(qū)完成了64 個(gè)地形改正點(diǎn)的測(cè)量，質(zhì)檢點(diǎn)8 個(gè)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比計(jì)算地形改正的精度，按12.5%的比例進(jìn)行重復(fù)測(cè)量質(zhì)檢地形改正數(shù)據(jù)，利用均方誤差公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)各種方法的地形改正精度，精度對(duì)比見(jiàn)表1。從每個(gè)點(diǎn)效率及經(jīng)濟(jì)成本（人員、儀器）對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 三種地形改正方法效率及經(jīng)濟(jì)成本統(tǒng)計(jì)對(duì)比

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)從精度、效率、經(jīng)濟(jì)成本幾個(gè)方面對(duì)三種地形改正方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。精度方面：GNSS 測(cè)高法精度比較高，質(zhì)檢均方誤差0.003/10-5m/s2，其次是輔助儀器法精度較適中，質(zhì)檢均方誤差為0.006/10-5m/s2，最后是目估地改法精度較低，質(zhì)檢均方誤差0.008/10-5m/s2[6]。效率方面是目估地改法效率最高，2 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)，其次是輔助儀器法，7 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)，最后是GNSS 測(cè)高法，8 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)成本方面是目估地改法經(jīng)濟(jì)成本最低，1 人加手持羅盤(pán)可以完成，其次是輔助儀器法，1 人加森林羅盤(pán)儀和徠卡測(cè)距儀相結(jié)合完成，最后是GNSS 測(cè)高法，2 人加RTK 同步完成且在沒(méi)有信號(hào)的地方需要架設(shè)基站[4]。不同的地形改正方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在野外實(shí)際工作中可根據(jù)項(xiàng)目精度要求、人員配置、經(jīng)費(fèi)多少等實(shí)際情況選擇適合的近區(qū)地形改方法[3]。

4 結(jié)論

基于選取的64 個(gè)重力試驗(yàn)點(diǎn)用3 種近區(qū)地形改正方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)對(duì)地形改正地改值的試驗(yàn)精度、效率及經(jīng)濟(jì)成本方面詳細(xì)的進(jìn)行對(duì)比分析[8]，得出結(jié)論如下：

（1） GNSS 測(cè)高法精度比較高，但比較費(fèi)時(shí)，平均8 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)成本也比較高，需要2 人同步完成且在沒(méi)有信號(hào)的地方需要架設(shè)基站。

（2） 輔助儀器法精度相對(duì)適中，平均7 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)適中，需要1 人將森林羅盤(pán)儀和徠卡測(cè)距儀相結(jié)合使用完成地形改正。但在植被覆蓋嚴(yán)重的叢林中、照射比較強(qiáng)烈的地方及有遮擋的地方會(huì)導(dǎo)致反射不回距離的情況發(fā)生，遇到此類(lèi)情況需要估測(cè)，但也會(huì)比目估法的精度及準(zhǔn)確度要高。

（3） 目估法相對(duì)GNSS 測(cè)高法和輔助儀器法精度較低一些，但是效率比較高，平均2 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)成本也比較低，1 人帶著手持羅盤(pán)就可以完成。

（4） 在野外工作中可根據(jù)設(shè)計(jì)精度、人員情況、經(jīng)濟(jì)成本、任務(wù)要求等實(shí)際情況選擇近區(qū)地形改方法。大比例尺重力調(diào)查精度要求高可采用GNSS 測(cè)高法，對(duì)中比例尺重力調(diào)查精度要求不是很高的且兼顧效率的情況下可采用輔助儀器法，區(qū)域重力調(diào)查一般工作量相對(duì)較大，在符合精度要求范圍內(nèi)，為了提高效率降低經(jīng)濟(jì)成本可采用有經(jīng)驗(yàn)的地形改正人員進(jìn)行目估法地形改正。