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地熱勘查

GPS-RTK 技術(shù)在地質(zhì)勘查工作中的應用

  GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，它是美國在20 世紀70 年代初開(kāi)始研制，歷經(jīng)方案論證（1974~1978 年）、系統論證（1979~1987 年）、生產(chǎn)實(shí)驗（1988~1993 年）三個(gè)階段，總投資超過(guò)200 億美元，于1994 年全面建成，它是具有在海陸空實(shí)施全方位實(shí)時(shí)三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。它以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應用廣泛等特點(diǎn)著(zhù)稱(chēng)，從其誕生開(kāi)始就給社會(huì )許多行業(yè)帶來(lái)了深遠的技術(shù)革命。
 
  但是常規的GPS 測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得需要的高精度的結果，而且無(wú)法對觀(guān)測數據的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)地檢核，于是GPS-RTK 技術(shù)應運而生。RTK（Real TimeKinematic）技術(shù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是GPS測量技術(shù)與數據傳輸技術(shù)的結合，是GPS 測量技術(shù)中的一個(gè)新突破，是GPS 應用的重大里程碑。RTK 系統主要包括3 個(gè)部分：基準站、移動(dòng)站、數據鏈。RTK定位技術(shù)是以載波相位觀(guān)測量為基礎，基準站上的GPS 接收機對所有可見(jiàn)GPS 衛星進(jìn)行連續不間斷觀(guān)測，并通過(guò)數據鏈將其觀(guān)測值和測站信息一并傳送給移動(dòng)站，而移動(dòng)站在接受這些信息的同時(shí)也采集GPS觀(guān)測數據，并在系統內組成差分觀(guān)測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級定位結果，為時(shí)甚至不到1 秒。
 
  1 地質(zhì)勘查工作中GPS 技術(shù)的運用情況
 
  地質(zhì)勘查工作包含許多繁雜的工程，既有宏觀(guān)的也有微觀(guān)的，隨著(zhù)測繪技術(shù)日新月異的發(fā)展，地質(zhì)勘查工作也隨之發(fā)生了新的變革，尤其是手持GPS 的廣泛應用，給地質(zhì)勘查工作提供了極大的方便。手持GPS 采用SPP（Single Point Positioning）技術(shù)，即單點(diǎn)定位技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是只需用一臺接收機即可獨立確定待求點(diǎn)的絕對坐標，且觀(guān)測方便，速度快，數據處理也較簡(jiǎn)單。主要缺點(diǎn)是精度較低，一般來(lái)說(shuō)，只能達到米級的定位精度，接收情況稍差的地方誤差甚至達到幾十米乃至上百米。但是隨著(zhù)RTK 技術(shù)的日臻成熟，它給地質(zhì)勘查中的測量工作帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。
 
  2 RTK 精度分析
 
  2.1 影響RTK 定位精度的主要因素
 
  2.1.1 基準站坐標誤差
 
  從RTK 的工作原理可以看出，基準站的坐標精度直接影響到整個(gè)RTK 系統，如果其坐標精度低的話(huà)，流動(dòng)站所得到的所有數據均有一定的系統誤差。
 
  2.1.2 坐標系統轉換精度
 
  由于GPS 衛星觀(guān)測的坐標系統為世界大地坐標系（WGS84），而平時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程中所采用坐標系統一般是北京54、國家80 或者是一些地方坐標系統，所以需要和這些坐標系統進(jìn)行轉換，所以RTK 最后的定位精度與為了轉換系統所采集的公共點(diǎn)的位置、數量及質(zhì)量有直接的關(guān)系。
 
  2.1.3 整周模糊度解算與動(dòng)態(tài)基線(xiàn)解算誤差
 
  整周模糊度與動(dòng)態(tài)基線(xiàn)快速準確解算對RTK 系統精度進(jìn)一步提高有著(zhù)密切的關(guān)系，其解算方法有許多種，不過(guò)解算程序都已經(jīng)被各廠(chǎng)家編入主機之中，誤差不受用戶(hù)控制，這里就不加詳述。
 
  2.1.4 信號傳播誤差
 
  RTK 系統采用電磁波進(jìn)行數據信號采集，電離層和對流層折射誤差、多路徑效應誤差是主要影響因素，其實(shí)前者已經(jīng)通過(guò)雙頻技術(shù)和引入對流層模型得到了誤差控制，多路徑效應是我們在運用RTK 定位過(guò)程中最重要的誤差影響因素之一，這就要求我們作業(yè)過(guò)程中注重對作業(yè)環(huán)境的選擇。
 
  2.1.5 人為因素
 
  在作業(yè)過(guò)程中，可能會(huì )由于人員操作原因，造成天線(xiàn)相位中心位置偏差，點(diǎn)位對中誤差，手簿采集記錄誤差等人為因素影響到RTK 定位精度。
 
  2.2 作業(yè)精度保障
 
  為確保精度，進(jìn)行RTK 作業(yè)時(shí)，基準站盡量設在視野開(kāi)闊的較高位置，適當提高基準站發(fā)射天線(xiàn)高度；聯(lián)測控制點(diǎn)盡量采用已建成的國家高等級GPS點(diǎn)、三角點(diǎn)或已經(jīng)過(guò)統一平差的控制網(wǎng)內的GPS 點(diǎn)，要求數量盡量多且圖形強度高；根據衛星星歷預報，選擇適當時(shí)段進(jìn)行測設；適當延長(cháng)在每測設點(diǎn)的觀(guān)測時(shí)間，以確保固定解并將移動(dòng)站天線(xiàn)盡可能保持垂直；作業(yè)半徑保持在規定范圍以?xún)?，若要加大范圍，可采用中繼站電臺或定向天線(xiàn)；移動(dòng)站采集數據時(shí)嚴格按照規范操作，確保限差在規定范圍以?xún)取?/div>
 
  2.3 精度對比實(shí)例
 
  2009 年9 月在對青海省湟中縣門(mén)旦峽石灰巖礦區實(shí)施地質(zhì)勘查相關(guān)測量時(shí)，對RTK 施測精度進(jìn)行了如下驗證：（RTK 型號：中海達（9500）-V8 手持GPS 型號：GARMIN GPS72）
 
  （1）先通過(guò)靜態(tài)GPS 引測國家三角點(diǎn)（三等）布設首級控制網(wǎng)，經(jīng)過(guò)嚴格平差后作為測區起算數據。
 
  （2）在測區內選擇合適位置架設RTK 基準站，然后通過(guò)移動(dòng)站對各首級控制點(diǎn)實(shí)施觀(guān)測，作業(yè)過(guò)程嚴格按照規范和要求操作。
 
  （3）利用手持GPS 在各首級控制點(diǎn)觀(guān)測定位（開(kāi)機定點(diǎn)觀(guān)測15 分鐘）。
 
  （4）對各點(diǎn)觀(guān)測結果進(jìn)行對比分析：
 
  由此可以看出，在本測區范圍內RTK 定位精度完全達到了相應要求，并且比手持GPS 定位精度高出許多。
 
  3 RTK 技術(shù)在地質(zhì)勘查工作中主要應用
 
  3.1 圖根控制測量
 
  從前面所述實(shí)例中可以看出，RTK 測量所得坐標數據完全可以滿(mǎn)足一般圖根點(diǎn)控制精度要求，所以在地質(zhì)勘查工作中，可以運用RTK 對礦區實(shí)施圖根控制點(diǎn)布設。這樣不僅方便快捷，也能保證相對高的精度。
 
  3.2 地質(zhì)工程放樣
 
  地質(zhì)勘查過(guò)程中往往需要布設勘探線(xiàn)，并且進(jìn)行必要的槽探、鉆探、硐探、物化探等工程，但是礦區往往由于面積較大，地形復雜，山勢陡峻等因素嚴重影響通視情況，運用傳統常規測量方法如經(jīng)緯儀、全站儀測量工作效率較低，而利用RTK 只需要“電磁波通視”的優(yōu)點(diǎn)，可以讓工程放樣工作事半功倍。
 
  3.3 地形測量
 
  地質(zhì)勘查也需要對礦區進(jìn)行地形圖的測量（一般為1：1000/2000/5000），采用RTK 聯(lián)合全站儀進(jìn)行數字化測圖，可以極大的提高測量工作效率。
 
  3.4 剖面測量
 
  利用RTK 的放、測、算、檢一體的特點(diǎn)，可以在勘探線(xiàn)的縱橫斷面上實(shí)施剖面測量，并進(jìn)行土石方的相關(guān)計算。
 
  3.5 其他相關(guān)運用
 
  在地質(zhì)填圖以及地質(zhì)點(diǎn)定位的工作中，RTK 完全可以替代手持GPS，不僅具備手持GPS 的快捷便利的優(yōu)點(diǎn)，更具備手持GPS 不能達到的高精度要求；由于RTK 手簿程序多樣化智能化的特點(diǎn)，RTK 還能進(jìn)行導航、記錄、通訊、計算等工作，給地質(zhì)勘查工作帶來(lái)極大的方便。
 
  4 地質(zhì)勘查常用坐標系統轉換
 
  在地質(zhì)勘查工作中常常需要當地坐標（比如北京54 或者國家80）或者工程坐標，這就需要對采集的大地坐標或者假設坐標進(jìn)行轉換，對于較小面積（一般不大于30km?）的測區采用四參數轉換即可，但是對于大面積測區則采用七參數轉換效果較好。
 
  在我們采用七參數轉換坐標系統時(shí)，需要用RTK 采集三個(gè)或三個(gè)以上已知點(diǎn)的GPS 坐標，而采用四參數轉換坐標系統時(shí)，只需要采集兩個(gè)已知點(diǎn)的GPS 坐標就可以了。
 
  如今RTK 手簿上所帶測量程序基本上都可以實(shí)現野外實(shí)時(shí)解算七參數或四參數，以中海達RTK（9500）-V8 為例，在對控制點(diǎn)（已知點(diǎn)）進(jìn)行數據采集時(shí)，在“記錄”屬性頁(yè)中將“控制點(diǎn)”前方的方框打勾（菁），然后點(diǎn)擊右側【詳細】，輸入控制點(diǎn)名稱(chēng)，選擇類(lèi)型為“當地XYH”，確認后輸入相應的控制點(diǎn)坐標，再確認后就將該點(diǎn)與控制點(diǎn)建立了對應關(guān)系。
 
  如此將其他需測控制點(diǎn)建立好對應關(guān)系后，就可以開(kāi)始進(jìn)行求解七(四)參數，使用菜單【輔助】—【計算】—【七參數】，進(jìn)入“求解七參數”視圖：
 
  【新建】求解參數文件后，通過(guò)【加點(diǎn)】添加所參加計算的控制點(diǎn)，然后【解算】七參數，只要殘差和比例參數（一般為0.97～1.03） 符合要求則認為七參數可用，然后“ESC”退出，隨后彈出“是否更新采集數據”，若數據量小可選“YES”，若數據量大選“NO”，在數據導出前執行菜單【文件】—【更新數據】即可。
 
  另外，對七參數解算也可以事后進(jìn)行，這里就不加詳述。
 
  5 結語(yǔ)
 
  GPS-RTK 技術(shù)相對于傳統測量方法有著(zhù)極大的優(yōu)勢，在地質(zhì)勘查測量工作中讓作業(yè)效率和精度都得到了很大的提高。但是，RTK 在地質(zhì)勘查工作中也存在一些局限性：地質(zhì)勘查往往在地形條件復雜的山區開(kāi)展工作，這就對基準站及天線(xiàn)的架設要求較高；移動(dòng)站接收不到衛星信號或數據鏈信息的地方，要與其他測量手段配合使用以及換用定向天線(xiàn)；如果測區高程變化大且面積較大時(shí)，采用GPS-RTK 高程擬合精度也會(huì )相對下降，需要與控制網(wǎng)整體平差。伴隨著(zhù)GPSRTK技術(shù)的逐步完善，軟硬件設施的逐步改良，其在地質(zhì)勘查以及其他領(lǐng)域將得到更廣泛和長(cháng)遠的發(fā)展。