GPS RTK技術(shù)性能及在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

郭 鑫，趙際新

吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六〇四隊(duì)，吉林 吉林市132000

GPS RTK技術(shù)性能及在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

郭 鑫，趙際新

吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六〇四隊(duì)，吉林 吉林市132000

主要介紹了技術(shù)及其快速靜態(tài)定位、準(zhǔn)動態(tài)定位和動態(tài)定位三種定位模式。重點(diǎn)對GPS RTK 技術(shù)在地質(zhì)找礦、工程測量中的勘探網(wǎng)及控制測量、地形測量、圖根控制點(diǎn)加密、勘探工程放樣、地質(zhì)特征點(diǎn)采集、物化探測網(wǎng)和勘探線剖面測量等應(yīng)用進(jìn)行了分析。

GPS RTK技術(shù)；作業(yè)模式與應(yīng)用；地質(zhì)找礦應(yīng)用

1 實(shí)時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)簡介

實(shí)時動態(tài) (Real Time Kinematic,簡稱RTK）測量技術(shù)，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時差分GPS（RTD GPS）測量技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。眾所周知，GPS測量工作的模式已有多種，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，其定位結(jié)果均需通過觀測數(shù)據(jù)的測后處理而獲得。由于觀測數(shù)據(jù)需在測后處理，所以上述各種測量模式，不僅無法實(shí)時地給出觀測站的定位結(jié)果，而且也無法對基準(zhǔn)站和用戶站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)時地檢核，因而難以避免在數(shù)據(jù)后處理中發(fā)現(xiàn)不合格的測量結(jié)果，需要進(jìn)行返工重測的情況。

以往解決這一問題的措施，主要是延長觀測時間，以獲得大量的多余觀測量，來保障測量結(jié)果的可靠性。但是，這樣一來，便顯著地降低了GPS測量工作的效率。實(shí)時動態(tài)測量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī)，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)，通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實(shí)時地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

這樣，通過實(shí)時計(jì)算的定位結(jié)果，便可監(jiān)測基準(zhǔn)站與用戶站觀測成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實(shí)時地判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測，縮短觀測時間。

RKT測量系統(tǒng)的開發(fā)成功，為GPS測量工作的可靠性和高效率提供了保障，這對GPS測量技術(shù)的發(fā)展和普及，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然，這一測量系統(tǒng)的應(yīng)用，也明顯地增加了用戶的設(shè)備投資。

2 RTK的作業(yè)模式與應(yīng)用

根據(jù)用戶的要求，目前實(shí)時動態(tài)測量采用的作業(yè)模式，主要有：

2.1 快速靜態(tài)測量

采用這種測量模式，要求GPS接收機(jī)在每一用戶站上，靜止地進(jìn)行觀測。在觀測過程中，連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時地解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)。如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可適時的結(jié)束觀測。采用這種模式作業(yè)時，用戶站的接收機(jī)在流動過程中，可以不必保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，其定位精度可達(dá)1～2 cm。這種方法可應(yīng)用城市、礦山等區(qū)域性的控制測量、工程測量和地籍測量等。

2.2 準(zhǔn)動態(tài)測量

同一般的準(zhǔn)動態(tài)測量一樣，這樣測量模式，通常要求流動的接收機(jī)在觀測工作開始之前，首先在某一起始點(diǎn)靜止地進(jìn)行觀測，以便采用快速解算整周未知數(shù)的方法實(shí)時地進(jìn)行初始化工作。初始化后，流動的接收機(jī)在每一觀測站上，只需靜止觀測數(shù)歷元，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時地解算流動站的三維坐標(biāo)。目前，其定位的精度可達(dá)厘米級。該方法要求接收機(jī)在觀測過程中，保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，便需重新進(jìn)行初始化的工作。準(zhǔn)動態(tài)實(shí)時測量模式，通常主要應(yīng)用于地籍測量、碎步測量、路線測量和工程放樣等。

2.3 動態(tài)測量

動態(tài)測量模式，一般需首先在某一起始點(diǎn)上，靜止地觀測數(shù)分鐘，以便進(jìn)行初始化工作。之后，運(yùn)動的接收機(jī)按預(yù)定的采樣時間間隔自動地進(jìn)行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時地確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可達(dá)厘米級。這種測量模式，仍要求在觀測過程中，保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，則需重新進(jìn)行初始化。這時，對陸上的運(yùn)動目標(biāo)來說，可以在衛(wèi)星失鎖的觀測點(diǎn)上，靜止地觀測數(shù)分鐘，以便重新初始化，或者利用動態(tài)初始化（AROF）技術(shù)，重新初始化，而對海上和空中的運(yùn)動目標(biāo)來說，則只有應(yīng)用AROF技術(shù)，重新完成初始化的工作。

實(shí)時動態(tài)測量模式，主要應(yīng)用于航空攝影測量和航空物探中采樣點(diǎn)的實(shí)時定位，航道測量，道路中線測量，以及運(yùn)動目標(biāo)的精密導(dǎo)航等。

目前，實(shí)時動態(tài)測量系統(tǒng)，已在約20 km的范圍內(nèi)，得到了成功的應(yīng)用。相信隨著數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能和可靠性的不斷完善和提高，數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強(qiáng)，它的應(yīng)用范圍將會不斷地?cái)U(kuò)大。

3 RTK技術(shù)在地質(zhì)勘查測量中的應(yīng)用

地質(zhì)勘探測繪是為地質(zhì)勘探工程設(shè)計(jì)、研究底層構(gòu)造、計(jì)算礦體地質(zhì)儲量和編寫地質(zhì)報告提供基礎(chǔ)資料的工作，是地質(zhì)勘探工作中的一個重要組成部分。GPS RTK可用于地質(zhì)勘探測繪中的勘探網(wǎng)及控制測量、地形測量、圖根控制點(diǎn)加密、勘探工程放樣、地質(zhì)特征點(diǎn)采集、物化探測網(wǎng)和勘探線剖面測量等工作。

3.1 地質(zhì)勘探網(wǎng)及控制測量

地質(zhì)工程勘探網(wǎng)通常由基線和與之相垂直的若干勘探線所組成。GPS RTK 的測量精度、速度和經(jīng)濟(jì)效益都較好，GPS RTK 將會逐步替代常規(guī)控制測量方式成為各地質(zhì)勘探網(wǎng)及其控制網(wǎng)建立的主要手段。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)：邊長在 10～15 km的 GPS 基線向量，如果觀測時刻的衛(wèi)星很多和外部觀測條件好，可采用快速靜態(tài)定位模式。如果在平原開闊地區(qū)，可嘗試 RTK模式；邊長為 5～10 km 的二、三、四等基本控制網(wǎng)，可優(yōu)先采用 GPS快速靜態(tài)定位模式。設(shè)備條件許可和外部觀測環(huán)境合適時，也可使用 RTK 測量模式；邊長小于 5 km的控制網(wǎng)基線，則根據(jù)具體條件和要求選用 RTK方法和快速靜態(tài)定位方法。

3.2 地形測量

地質(zhì)勘探工程所用圖大多是1：2 000或1：1 000地形圖。用傳統(tǒng)方法測圖，工作量大，速度慢，花費(fèi)時間多；用GPS RTK測繪，具有采集速度快，精度的優(yōu)點(diǎn)，大大降低了測圖的難度，省時又省力。同全站儀一樣，RTK 測量單點(diǎn)的時間都只要幾秒到幾十秒。但 GPS RTK 測量技術(shù)不要求通視和頻繁地?fù)Q站，而且可以多個流動站同時工作。與全站儀相比，采用 RTK 方式進(jìn)行地形測量的速度會更快，作業(yè)的效率會更高（時間約可節(jié)省一半以上）。在地質(zhì)找礦所需的大比例尺地形測圖中，在地形條件較好的情況下（主要指相對高差較小、坡度不陡和接收衛(wèi)星信號好、無線連接以及無死角），可直接利用 GPS RTK采集各地物地貌要素。但在地形條件不理想的狀況下，測繪工作人員還需將 GPS RTK 和全站儀配合起來采集地形要素。

3.3 圖根控制點(diǎn)加密

在測區(qū)首級控制網(wǎng)建立好后，為了便于施測大比例尺地形圖和工程放樣的需要，還要在首級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)圖根控制網(wǎng)。如果用傳統(tǒng)方法布設(shè)(如使用全站儀)，工作量大、速度慢、時間長，并且測量結(jié)果和精度必須經(jīng)室內(nèi)計(jì)算平差后才能知道。采用 GPS RTK動態(tài)測量系統(tǒng)建立測區(qū)圖根控制網(wǎng)，能夠?qū)崟r獲得圖根點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)達(dá)到要求的點(diǎn)位精度，即可停止觀測，大大提高了作業(yè)效率。由于點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求必須通視，只要求相鄰兩點(diǎn)之間通視就可以了，使得測量更簡便易行。

3.4 勘探工程放樣

采用GPS RTK測量技術(shù)進(jìn)行放樣，只需將所要放樣的坐標(biāo)輸入RTK手簿中，系統(tǒng)就會定出放樣的點(diǎn)位。

3.5 地質(zhì)特征點(diǎn)采集

地質(zhì)勘查中，通常需要對地表的一些地質(zhì)特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地坐標(biāo)采集，像探槽的端點(diǎn)、物化探異常點(diǎn)、鉆孔位置等。和工程放樣一樣，如果用全站儀在作業(yè)區(qū)控制點(diǎn)少、地形復(fù)雜的情況下很難實(shí)現(xiàn)，采用 GPS RTK在測區(qū)首級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上使用簡單的數(shù)據(jù)采集功能就可輕松完成。

3.6 物化探測網(wǎng)

傳統(tǒng)的物化探布網(wǎng)是采用基線加測線的方法，首先利用全站儀在測區(qū)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上把每條測線的兩個端點(diǎn)(即基線點(diǎn))先測定出來，然后再利用全站儀在這些基線點(diǎn)的基礎(chǔ)上把每條測線的全部測點(diǎn)都測定出來。這種方法工作量大，效率低。采用 GPS RTK作業(yè)，就可以很容易完成這項(xiàng)工作。GPS RTK測量系統(tǒng)有一種線放樣功能，只要把一條線段的兩個端點(diǎn)坐標(biāo)輸入手簿，線放樣功能就會自動把這條線段上需要每隔一定距離的測點(diǎn)位置自動標(biāo)定出來，從而可以輕松實(shí)施放樣，當(dāng)然在放樣基線點(diǎn)的時候時間要長一些，放樣測線點(diǎn)的時候時間可以短一些。

3.7 勘探線剖面測量

地質(zhì)鉆孔基本上都要設(shè)立在勘探線上，為此需要作勘探線剖面測量。要能為勘探設(shè)計(jì)、工程布設(shè)、儲量計(jì)算和綜合研究提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，勘探線剖面測量應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求及礦區(qū)設(shè)計(jì)要求去完成。傳統(tǒng)的勘探線剖面測量是由地質(zhì)工作人員布設(shè)剖面起始點(diǎn)，測量人員由起始點(diǎn)按剖面設(shè)計(jì)方向定線，沿給定的方向線上測定剖面測站點(diǎn)、剖面點(diǎn)（包括工程位置點(diǎn)、地質(zhì)點(diǎn)、地物點(diǎn)、地貌變換點(diǎn)）以及剖控點(diǎn)。因此，如果地質(zhì)工作人員能夠?qū)W會操作 GPS RTK，則完全可以由此一人利用 GPS-RTK的放樣功能完成勘探線剖面測量。

4 結(jié)語

（1）小范圍(<50 km2)地質(zhì)勘查項(xiàng)目建立測量控制網(wǎng)時，為了確定礦區(qū)邊界(采礦邊界和探礦邊界)，測區(qū)地方獨(dú)立坐標(biāo)系的選擇應(yīng)遵循以下原則:當(dāng)長度投影變形值不大于2.5 cm/km時，應(yīng)采用高斯正形投影國家統(tǒng)一3°帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng);長度投影變形值大于2.5 cm/km時，應(yīng)采用投影于抵償高程面上的高斯正形投影國家統(tǒng)一3°帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。

（2） GPS RTK作業(yè)，每個點(diǎn)的誤差均為不累積的隨機(jī)偶然誤差，外業(yè)操作簡單，能夠滿足快速求得厘米級精度的測量要求。對使用者來說，RTK作業(yè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是確定坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)筆者近幾年的經(jīng)驗(yàn)，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)最好用GPS靜態(tài)相對定位無約束平差所獲得的WGS-84平差坐標(biāo)配合測區(qū)地方獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)來求解。

（3）小范圍(<50 km2)地質(zhì)勘查測量項(xiàng)目，可以用GPS水準(zhǔn)測量方法建立測區(qū)高程控制網(wǎng)。如果測區(qū)采用獨(dú)立高程系統(tǒng)，各控制點(diǎn)間的相對高差精度能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度。如果測區(qū)高程系統(tǒng)還要用GPS水準(zhǔn)測量方法和國家高程網(wǎng)聯(lián)測，在聯(lián)測點(diǎn)精度滿足三等水準(zhǔn)精度并且聯(lián)測距離<10 km的情況下，GPS水準(zhǔn)高程同樣能達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度;在聯(lián)測精度滿足四等水準(zhǔn)精度并且聯(lián)測距離在，10～20 km范圍內(nèi)，GPS水準(zhǔn)高程能夠達(dá)到等外水準(zhǔn)的精度。

[1] 徐紹銼,張華海,楊志強(qiáng)等. GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社,2008.

[2] 南親江,丁莉東. GPS-RTK 在地質(zhì)勘探工程測量中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理.2008,6:7-9.

GPS RTK technical function and application in geological exploration

GUO Xin, ZHAO Ji-xin
Team 604, Bureau of Non-ferrous Metals Geological Exploration of Jilin Province, Jilin 132000 , Jilin, China

The GPS RTK technology and its rapid static positioning, the quasi dynamic positioning and the dynamic positioning of three location models are mainly introduced. They analyze the application of the GPS RTK technology in geological prospecting, the prospecting network and control surveying, in engineering measurement, topographic surveying, mapping control point encryption, lofting of exploration engineering, acquisition of geological feature point, geophysical and geochemical exploration and prospecting line prof le measurement, and so on.

GPS RTK technology; work model and application; application in geological prospecting work

P228.4

：B

1001—2427（2013）04 - 164 -3

2013-09-05;

2013-11-20

郭 鑫（1985—））, 男 , 吉林琿春人 , 吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六〇四隊(duì)助理工程師.