GPS-RTK 在礦山測量中的應(yīng)用

張 林 王家吉 龍澤偉 鐘銀富

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北 黃石 435100）

1 礦山開發(fā)簡況

湖北三鑫金銅股份有限公司現(xiàn)有資產(chǎn)總額12 億元，員工近1600人，其中專業(yè)技術(shù)人員近400人。年采選規(guī)模100 萬噸，年產(chǎn)金1.4 噸,產(chǎn)銅1.2 萬噸，采礦方式為地下開采，主副豎井開拓，采礦方法是分段中深孔嗣后階段膠結(jié)充填法和上向水平分層膠結(jié)充填法，選礦工藝為混合浮選銅硫分離，尾礦回收硫和鐵，尾砂主要用于井下充填，余下部分壓濾干堆。

2 GPS原理

2.1 GPS-RTK 定位技術(shù)簡介

實時動態(tài)測量 (RTK)Real Time Kinematic 定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)GPS定位技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK 作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)。

2.2 GPS-RTK 技術(shù)優(yōu)點

與常規(guī)的測量方法比較，GPS-RTK 測量具有以下幾個方面的優(yōu)點：

(1)工作效率高:對一般的地形進行碎步測量，傳統(tǒng)測量儀器（如全站儀）要在通視的情況下布設(shè)比較多的控制點，而且要不停的"搬站"，做控制點和搬站作業(yè)至少需要3人，也比較浪費作業(yè)時間。而RTK 作業(yè)范圍比較大，一般的RTK 可以覆蓋3-4km 半徑的測區(qū)，質(zhì)量好的RTK 可以覆蓋5-10km 半徑的測區(qū)，一般只要1-2人，在一般的電磁波環(huán)境下5秒鐘就可獲得限差內(nèi)的固定坐標，作業(yè)速度快，勞動強度低，提高了勞動效率，節(jié)省了外業(yè)費用。

(2)定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，沒有誤差積累:只要滿足RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)，RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級。RTK 技術(shù)當前的測量精度：RTK 動態(tài)精度水平：10mm+1ppm(rms)，垂直：20mm+1ppm(rms)；靜態(tài)后處理精度水平：5mm+0.5ppm(rms)，垂直：10mm+0.5ppm(rms)。

(3)降低了作業(yè)條件要求:RTK 技術(shù)不要求兩點間滿足光學通視，只要求滿足"電磁波通視"。因此，和傳統(tǒng)測量相比，RTK 技術(shù)受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來由于地形復雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)，只要滿足RTK的基本工作條件，它也能輕松地進行快速的高精度定位作業(yè)。

(4)RTK 操作簡便，測繪功能強大:目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理即求得測點三維坐標。而且RTK 手簿提供了非常多的應(yīng)用軟件，且功能強大，使測量工作遠離以前復雜的計算作業(yè)，減少了測量內(nèi)業(yè)工作量。

3 GPS-RTK的應(yīng)用

3.1 尾礦庫征地、大壩增高、壩體沉降觀測

GPS-RTK 在信號強度比較好的地方，精度可達到mm 級，完全可以適用于尾礦庫大壩的沉降觀測。以前做一次沉降觀測是一件很費時費力的事情，通常耗費3-5人，要兩三天才能完成，一季度才計劃做一次觀測?，F(xiàn)在用GPS進行沉降觀測就比較方便。通常一個上午，兩個人就可以完成，而且內(nèi)業(yè)也比較省力，所有數(shù)據(jù)通過南方Cass 直接展圖，與原來的數(shù)據(jù)對比就知道變化情況，現(xiàn)在的觀測頻率達到一月一次。

2010年尾礦庫大壩加高擴容，涉及到征地范圍。按照設(shè)計的標高，用GPS-RTK 將涉及的區(qū)域圈定下來。壩體坡度比設(shè)計1:2，中間有兩個緩沖平臺，GPS手簿擁有強大的計算功能，利用坡度比計算程序，可以非常快的檢核大壩的坡度是否符合設(shè)計。應(yīng)用GPSRTK 非常優(yōu)質(zhì)高效的完成了此次任務(wù)。

3.2 地表地形圖測量

公司經(jīng)過了三期的擴建發(fā)展，地表變化比較大，地域面積大，要經(jīng)常更新地形圖.過去一般用全站儀測地形圖，先要在測區(qū)范圍建立控制點，如果附近沒有控制點，就必須花費大量人力和時間做控制點。在測站上測四周的地物地貌等碎部點時，要求碎部點都必須與測站通視，如果不通視就需要"搬站"，比較浪費時間，而且至少要求3-4人操作?，F(xiàn)在采用RTK，在一般的地形地勢下，設(shè)站一次就可測完以5公里（中海達GPS）為半徑的測區(qū)，將基站放置在公司高樓頂部，外出作業(yè)僅需1-2人拿著移動站和手簿操作，在地形地貌碎部點上待5s 左右，獲得限差內(nèi)的固定解后，就得到該點的三維坐標值，同時輸入地物編碼，在測量過程中實時知道點位精度，這樣使作業(yè)速度加快，節(jié)省了人力，也提高了勞動效率。RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，并且誤差沒有累加，數(shù)據(jù)安全可靠。當一個測區(qū)測完后獲得的數(shù)據(jù)通過Cass 成圖軟件就可以繪制輸出所需求的地形圖。

3.3 土方量計算

三鑫公司的不斷發(fā)展，地表基建工作比較多，涉及填挖土方量的計算。在工程施工前，用GPS-RTK 測繪工程區(qū)域內(nèi)的地形圖，在工程完成后再測繪一次施工區(qū)域的地形圖，將兩次的數(shù)據(jù)導入到南方Cass 軟件中，利用軟件中的DTM 法、斷面法、方格網(wǎng)法等功能來計算體積，既節(jié)省大量人力，也比較準確。

3.4 雞籠山控制測量

兄弟單位雞籠山礦業(yè)公司井下保有儲量面臨枯竭，開始國家危機礦山接替項目，進行周邊外圍探礦。而外圍的探礦區(qū)域都是山高林密，荊棘密布，用全鉆儀將礦區(qū)內(nèi)的控制點導到探礦區(qū)域，幾乎是不可能的事情。我公司測量技術(shù)人員利用GPS-RTK的靜態(tài)模式進行控制測量，花費三天時間，在探礦區(qū)域共施放了8個控制測量點，數(shù)據(jù)采集時PDOP 值小于等于6，并且持續(xù)顯示為固定解.為保證采集數(shù)據(jù)的可靠性，每點獨立初始化二次，采集數(shù)據(jù)點位較差小于2 厘米，其相對誤差均小于1/4000 規(guī)范要求。

3.5 尋找老鉆孔、井下采空區(qū)注漿封堵

2010年3月的雨季，井下-160m 出現(xiàn)重大突水事故，并且攜帶大量泥沙，表明地表水與井下間隙水聯(lián)通。為保證安全生產(chǎn)，杜絕井下突水隱患，首先尋找塌陷區(qū)附近的鉆孔封閉情況，對封閉不良的鉆孔要重新封堵，然后對井下老采空區(qū)進行注漿封堵。

將設(shè)計好的點位標定出來，常規(guī)的放樣方法如經(jīng)緯儀交會放樣、全站儀的邊角放樣等，放樣時要來回移動目標，反復測設(shè)水平角和距離，而且要2-3人操作，存在一定人為誤差，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，有時放樣過程遇到困難的情況要借助于很多方法才能放樣，如距離較遠時還必須支測點，從而使誤差累加影響放樣點的精度。而利用GPS-RTK的點放樣功能很容易實現(xiàn)，在手簿中輸入設(shè)計坐標，根據(jù)手簿指示就可找到封閉不良鉆孔位置和找到井下采空區(qū)對應(yīng)地表的范圍，放樣精度比較高，僅需1-2人操作。整個工程分為副斜井注漿止水工程、桃源民采區(qū)注漿帷幕堵水工程、淺部老空區(qū)和井巷充填及注漿工程。工程歷時13個月，完成鉆孔46個，累計完成鉆孔深度4230米，充填量（水泥配比尾砂）28000 立方米，注漿量（水泥）4172 立方米注漿量。

3.6 地表物探

2009年與北京科技大學合作研究探測礦區(qū)-300m以上溶洞和民采空區(qū)的分布情況。歷時約40天的時間，協(xié)助北京科技大學物探研究隊進行物探工作，利用GPS-RTK的點放樣、線放樣和碎步測量功能，施放23、22b、22……16b、16線等15條勘探線和5條臨時線，共計20條線，累計采集測點坐標近500個，極大的推動了工作進度。

4 GPS-RTK的不足與改進

4.1 受衛(wèi)星狀況限制

當衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋，容易產(chǎn)生假值。另外，在林區(qū)、居民區(qū)、山地等復雜地區(qū)，衛(wèi)星信號被遮擋時間較長，使一天中可作業(yè)時間受限制。為解決此問題可以選用GPS+GLONASS的雙星雙頻系統(tǒng)，在不久的將來還可以選用我們的北斗定位系統(tǒng)。

4.2 數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制

RTK 數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當RTK 作業(yè)半徑超過一定距離 (電臺一般為幾公里，GPRS作業(yè)半徑可達10公里)時，測量結(jié)果誤差超限，所以RTK的實際作業(yè)有效半徑比其標稱半徑要小。解決這類問題的有效辦法是把基準站布設(shè)在測區(qū)中央的最高點上，或者結(jié)合全站儀，用RTK將控制點施放在附近信號比較好的地方，再用全站儀測設(shè)受信號干擾嚴重的區(qū)域。

4.3 初始化能力和所需時間問題

在山區(qū)、一般林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會較多，容易造成失鎖，采用RTK 作業(yè)時有時需要經(jīng)常重新初始化。這樣測量的精度和效率都受影響。解決這類問題的辦法主要是選用初始化能力強、所需時間短的RTK 機型。

4.4 電量不足問題

使用內(nèi)置GPRS傳遞數(shù)據(jù)鏈，電池可以工作十小時左右，但如果使用電臺傳遞數(shù)據(jù)鏈，RTK 耗電量較大，需要大容量電池才能保證連續(xù)作業(yè)，一般選用汽車用電瓶。

4.5 精度和穩(wěn)定性問題

RTK 測量的精度較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響。不同質(zhì)量的RTK 機型，其精度和穩(wěn)定性差別較大。要解決此類問題，首先要選用精度和穩(wěn)定性都較好的高質(zhì)量機種，然后要在布設(shè)控制點時多布置一些“多余”控制點作為RTK 測量成果質(zhì)量控制的檢核點。我公司就布設(shè)了"多余"控制點，每次外出作業(yè)都要檢核精度。

結(jié)語

2月25日凌晨0時12分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運載火箭，將第十一顆北斗導航衛(wèi)星成功送入太空預定轉(zhuǎn)移軌道。按照北斗衛(wèi)星，北斗導航系統(tǒng)"三步走"的發(fā)展戰(zhàn)略，2012年中國還將會陸續(xù)發(fā)射多顆北斗導航組網(wǎng)衛(wèi)星，不斷地擴大覆蓋區(qū)域，提升系統(tǒng)服務(wù)性能。2020年左右，將會建成由30 多顆衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務(wù)。在不久的將來，可以用上我們自己的GPS導航系統(tǒng)。屆時，筆者認為GPS會有更加廣闊的使用前景。

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