淺談區(qū)域重力勘查中GPS技術的應用

孫志剛

安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽 宿州 234000

淺談區(qū)域重力勘查中GPS技術的應用

孫志剛

安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽 宿州 234000

本文主要介紹GPS技術用于青海省魚卡煤田1: 5 萬區(qū)域重力勘查的工作，包括地面控制網(wǎng)的布設和測量、控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、重力點的測量、處理和檢核和精度統(tǒng)計，結果表明，將GPS 接收機用于區(qū)域重力勘查的工作是可行的，并且在實際工作中效果顯著。

GPS；RTK；重力

概述

全球定位系統(tǒng)（GPS）具有全天候、高精度、高效率、自動化等顯著特點，近幾年來已經(jīng)廣泛應用于各種基礎、城市以及工程測量中。青海省魚卡煤田1:5萬區(qū)域重力勘查工作，是配合青海省魚卡煤田整裝勘查項目的實施，查清魚卡煤田的煤系地層基底的起伏形態(tài)以及較大的斷裂構造。該勘查區(qū)屬于高原地區(qū)、地形起伏大、河流橫穿測區(qū)，因此在該地區(qū)進行重力勘查比較艱苦。

現(xiàn)就青海省魚卡煤田1: 5萬區(qū)域重力勘查GPS技術的實際操作為例，說明在該區(qū)域重力勘查中的應用。

1 測區(qū)概況

工作區(qū)域位于柴達木盆地北緣中段，介于南側的綠梁山與北側的達肯達坂山之間，西起云霧山、嗷嘮山，東止小紅山。行政區(qū)劃隸屬青海省海西州大柴旦行委。東經(jīng)94°33′47″～95°15′59″，北緯37°48′43″～38°18′48″，重力勘查的面積約為1000km2,測區(qū)內以戈壁荒灘和低山丘為主，平均海拔3200～3400m，周圍高山海拔可達4000m以上，魚卡河、羊水河和嗷嘮河是主要河流，315和215國道在魚卡交匯，分別穿越該區(qū)的北部和南部。

2 作業(yè)依據(jù)與設備

2.1 作業(yè)依據(jù)

（1）《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）；

（2）《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術規(guī)范》（CH/T 2009-2010）；

（3）《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ／T 008 2—2006；

（4）《重力勘查設計書》

2.2 儀器設備

采用的儀器設備和軟件：六臺上海華測導航技術有限公司生產的華測X90一體化雙頻GPS接收機, 該接收機具有先進的測量型GNSS主板；高精度的L1、L2偽距、載波相位觀測值；54通道“全視野”L1/L2載波相位觀測；兼容VRS、MAX等連續(xù)運行系統(tǒng)等特點，其標稱靜態(tài)平面精度為±（5+1*10-6*D）mm；高程精度為±(10+2*10-6*D）mm，接收機在作業(yè)前均通過檢驗、檢定，性能和精度指標符合規(guī)范要求。南方地形地籍CASS軟件一套。

3 GPS 控制網(wǎng)布設、測量和數(shù)據(jù)處理

3.1 控制網(wǎng)布設、測量

由于勘查區(qū)測量面積較大，需要對整個勘查區(qū)統(tǒng)一布設GPS控制網(wǎng)，方便以后重力點測量，控制網(wǎng)點均勻布設在國家等級GPS點區(qū)域內，并與高等級點進行聯(lián)測，聯(lián)測點數(shù)不應少于3點?？刂凭W(wǎng)呈三角形網(wǎng)狀結構?？刂凭W(wǎng)點位選擇在遠離大功率無線電發(fā)射源200米以外，高壓輸電線和微波無線電傳送通道50米以外，交通方便，地面基礎穩(wěn)定，易于點位長期保存位置。[1]

工作區(qū)已有控制點情況：共有九個四等及以上等級的國家等級控制點，屬1954年北京坐標系統(tǒng)。工作區(qū)采用平面為l954年北京坐標系，1956年黃海高程系，中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)93。，6。投影分帶的第16帶。

GPS控制網(wǎng)測量使用六臺華測X90雙頻GPS接收機,同步觀測1小時以上，采樣間隔10s，衛(wèi)星截止高度角15。，PDOP≤6。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用華測HcLoader軟件把觀測數(shù)據(jù)下載到計算機，轉換成Rinex標準數(shù)據(jù)格式，采用南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。

控制網(wǎng)（如圖1表示）總點數(shù)33個，其中已知點6點，未知點27點。經(jīng)基線處理全網(wǎng)由41個三邊同步環(huán)，205個三邊異步環(huán)組成，獨立基線數(shù)103條（均為雙差固定解），網(wǎng)點間平均點間距離為6.9公里?；€解算后對同步環(huán)、異步環(huán)、重復基線進行檢核，各項精度滿足要求。

圖1 控制網(wǎng)觀測圖

進行無約束平差，檢核WGS一84坐標及其中誤差，直角坐標及其中誤差，誤差橢圓，平面坐標及其中誤差點位中誤差及誤差橢圓，平面邊長與坐標方位角及其中誤差，GPS觀測值及其改正值和平差值。

再進行約束平差，經(jīng)平差后最弱邊相對中誤差1：10萬,最弱點點位中誤差3.9cm，最弱點高程中誤差4.58cm。以上數(shù)據(jù)表明,控制網(wǎng)成果可靠。

4 RTK基本原理、組成

重力勘查區(qū)比例尺為1:5萬，網(wǎng)度為500×500（m），點位分布比較均勻，測量采用實時動態(tài)RTK的作業(yè)方式。使用六臺華測X90雙頻GPS接收機, 該接收機實時動態(tài)（RTK）標稱精度為±（10+1*10-6*D）mm；高程精度為±（20+1* 10-6*D）mm。

4.1 RTK基本原理

RTK(Real Time Kinematic)是基于載波相位差分的實時動態(tài)定位技術，能夠實時提供測點（用戶站）在指定坐標系的三維坐標成果。[2]其設備是在兩臺靜態(tài)型測量儀器間加上一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（數(shù)據(jù)鏈），將相對獨立的GPS信號接收系統(tǒng)連成一個有機整體。基準站把接收到的所有衛(wèi)星信息（包括偽距和載波相位觀測值）和基準站的信息（如基準站的坐標、天線等）都通過通訊系統(tǒng)傳送到流動站，流動站本身在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，也接收基準站傳送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在流動站完成初始化后，把接收到的基準站信息傳到控制器內（一般是微型計算機），并將基準站的載波觀測信號與本身接收到的載波觀測信號進行差分處理，即可實時求解得出兩站間的基線值，同時輸入相應的坐標，轉換參數(shù)和投影參數(shù)，即可實時求得實用的位置坐標

4.2 RTK系統(tǒng)組成

RTK系統(tǒng)由一個基準站，若干個流動站及通訊系統(tǒng)三部分組成?；鶞收景℅PS接收機，GPS天線，無線電通訊發(fā)射設備，供GPS接收機和無線電通訊設備使用的電源及基準站控制器等部分。一個流動站包括GPS天線，GPS接收機，電源，無線電通訊接收設備及流動站顯示控制器。

5 重力點測量、處理、檢核和精度統(tǒng)計

5.1 重力點測量、處理

5.1.1 基準站和流動站設置

基準站架設在視野比較開闊，周圍環(huán)境比較空曠的地方，地勢比較高的地方；避免架在高壓輸變電設備附近、無線電通訊設備收發(fā)天線旁邊，這些都對GPS信號的接收以及無線電信號的發(fā)射產生不同程度的影響。基準站上架設好GPS接收機，連接無線電設備，連接發(fā)射天線和電源，啟動GPS接收機。

在流動站RECON手簿中，在 “坐標系統(tǒng)管理”里面新建一個新的坐標系統(tǒng)或配置已有的坐標系統(tǒng)（尤其要確定中央子午線和已經(jīng)知點匹配）；新建立一個作業(yè)文件，輸入任務名稱為yk17.rpb，選擇所要工作的坐標系統(tǒng)；然后控制把測區(qū)已知的GPS控制點WGS84系坐標和1954年北京系坐標導入流動站控制手簿建立測區(qū)的坐標轉換參數(shù)。連接好移動站，如果無線電和衛(wèi)星接收正常，移動站開始初始化。顯示順序為：串口無數(shù)據(jù)!正在搜星!單點定位!浮動!固定，固定后方可開始測量工作，否則測量精度較低，然后啟動流動站到已知控制點進行測量重置當?shù)刈鴺?，再到另外已知控制點進行檢核，無誤后進行重力點測量。

5.1.2 野外測量

采用RTK技術進行重力點測量，就是將設計好的每個重力點理論坐標進行逐個放樣。首先把重力點理論坐標，傳輸至流動站手簿中，然后按照測線、測點號在實地進行逐個放樣，標定其準確位置，并實時采集各個點的實測坐標和高程數(shù)據(jù)。

5.1.3 數(shù)據(jù)處理

在野外采集的重力點數(shù)據(jù)存儲在流動站手簿中，在手簿測地通軟件里把存儲的數(shù)據(jù)導出為需要的*.CSV格式，經(jīng)同步軟件Microsoft ActiveSync傳輸至計算機中，然后進行數(shù)據(jù)整理，提供重力勘查所需的測量成果。為檢查測量數(shù)據(jù)質量和控制工程進度每天測量的數(shù)據(jù)利用南方CASS軟件展繪到電子施工圖上面。

5.2 檢核和精度統(tǒng)計

在重力點測量過程中，為了對RTK測定重力點的數(shù)據(jù)精度進行控制，在每日施工前；搬遷至新的參考站；接收機、手簿出現(xiàn)斷電，死機或參考站斷電造成流動站失鎖等故障恢復后等情況后，須詳細檢查基準站和流動站的有關數(shù)據(jù)，并復測重力點或復測已知點進行檢核，符合要求后，才能施工。

對野外采集的各個重力點的實測坐標和高程數(shù)據(jù)，按照全區(qū)重力點3%～5%的比例標準進行重力點復測檢查，其檢查計算公式如下：

Mxy—同精度檢查平面位置中誤差；

△X—檢查值與原始觀測值的X坐標之差；

△Y—檢查值與原始觀測值的Y坐標之差；

n—平面位置質檢點總數(shù)。

Mh—同精度檢查高程中誤差；

△h—檢查值與原始觀測值的高程h之差；

n—高程質檢點總數(shù)。

全區(qū)共計測量重力點3950點，檢查點200點，檢查比例為5%，經(jīng)統(tǒng)計后平面中誤差為Ms=±20.37cm，高程中誤差為Mh=±3.52cm。此測量精度滿足1:5萬重力勘查測量精度的要求。

6 結論

隨著GPS技術的廣泛應用，在影響GPS衛(wèi)星信號接收的復雜地形條件地區(qū)，比如樹木茂密的林區(qū)，山丘間的峽谷等，會造成衛(wèi)星信號丟失。流動站雖然可以接收到基準站電臺發(fā)送的差分信號，接收機鎖定不到5顆衛(wèi)星，造成接收機信噪比特別低，流動站還是不能工作。這個問題會隨著GPS衛(wèi)星顆數(shù)的增加和俄羅斯的GLONASS以及歐洲GALILIE還有中國的北斗導航定位系統(tǒng)衛(wèi)星的發(fā)射得到解決。

綜上所述，GPS定位技術以其方便、快捷、優(yōu)質、高效的特點給重力勘查的實施帶來了一種新的工作方法，不僅提高重力勘查的精度和工作效率，也將創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。

[1]］肖學年，岳建利，張鵬，宋耀東等.GB/T 18314～2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社

[2]喬仰文，趙長勝，謝宏全，徐愛功.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測繪中的應用[M].北京：教育科學出版社，2000：107.

[3]郭瑞民，呂華，王明江，李瑋.GPS測地技術在物化探勘查及地質普查中的應用[J].吉林地質，2004，23（2）:121～122.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.055

孫志剛（1961－），男 安徽省宿州市人，工程師，現(xiàn)從事測繪技術的研究和生產管理工作。