GPS RTK技術(shù)和地形圖數(shù)字化相結(jié)合在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

王福增，張建巍

(河北地質(zhì)職工大學，河北石家莊050081)

0 引言

GPS RTK技術(shù)以其高精度、高效率、易操作等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種地形測量、施工放樣等方面。在地形復雜，通視情況較差，測區(qū)面積較小的測區(qū)，RTK可以替代傳統(tǒng)的導線網(wǎng)，大大縮短作業(yè)時間。地形圖數(shù)字化技術(shù)通常應(yīng)用于城市規(guī)劃、地籍調(diào)查和GIS建庫等工作中。在這里需要將現(xiàn)有的紙質(zhì)線劃地圖進行數(shù)字化，使其成為計算機能夠識別和處理的數(shù)字地形圖?，F(xiàn)在，掃描數(shù)字化地形圖已經(jīng)成為地形圖數(shù)字化的主要方式。

在石家莊市某縣的礦山監(jiān)測工作中，由于工期緊、任務(wù)量大和經(jīng)費緊張等原因，采用了RTK技術(shù)和地形圖數(shù)字化相結(jié)合的方法進行作業(yè)。兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，有效提高了工作效率，節(jié)約了成本，效果理想。本次作業(yè)中各礦范圍不大、地勢為丘陵地帶，通視情況不好，各個礦點范圍都不是太大。但在測區(qū)內(nèi)每個礦上都布設(shè)了一個E級GPS點。GPS靜態(tài)網(wǎng)設(shè)計依據(jù)規(guī)范GB/T18314－2001《全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范》完成，利用徠卡公司的VIVA GS15 GNSS接收機進行施測，并用徠卡后處理軟件LGO進行基線結(jié)算和平差，精度良好。

1 礦山監(jiān)測工程流程圖

RTK配合地形圖掃描數(shù)字化作業(yè)的基本流程見圖。

礦山監(jiān)測工程基本流程示意圖

2 地形圖掃描數(shù)字化

2.1 原圖質(zhì)量檢查

紙質(zhì)圖受溫度和濕度的影響產(chǎn)生的變形會直接影響圖像的幾何糾正，而聚酯薄膜的二底圖與紙質(zhì)圖相比，材料原因產(chǎn)生的誤差較小，所以最好用聚酯薄膜作為掃描底圖。根據(jù)國標 GB/T17106 －1997《1∶500，1∶1000，1∶2000地形圖數(shù)字化規(guī)范》的部分規(guī)定，所選用的掃描底圖應(yīng)滿足以下規(guī)定:

a)工作底圖一般應(yīng)為聚酯薄膜圖，并且其變形應(yīng)≤0.02%;

b)圖框點位誤差≤0.15mm，圖框邊長誤差≤0.2mm，圖框?qū)蔷€誤差≤0.3mm，公里網(wǎng)點間距離≤0.2mm;

c)工作底圖上的地物、地貌、水系、植被等圖形要素應(yīng)表示清楚、正確。

在本工程中以其中一張1:2000的標準分幅聚酯薄膜圖說明原圖質(zhì)量檢查精度，結(jié)果如表1所示。

表1 原圖質(zhì)量檢查(mm)

由上表可見在本工程中所選用的原圖符合要求。

2.2 掃描儀分辨率的選擇

地形圖掃描數(shù)字化時使用的掃描儀大部分為以CCD或PMT為核心的掃描儀，提高掃描儀的分辨率無疑會提高圖像的質(zhì)量，但相應(yīng)的掃描圖的數(shù)據(jù)量也會隨之成倍地增長，會造成計算機處理時間延長。因此我們在地形圖掃描時，對于圖面負載量較小的采用分辨率300DPI即可滿足要求，對于地形圖中地形、地物較復雜或等高線較密的高山地區(qū)掃描分辨率不小于500DPI即可滿足要求。在本工程中掃描精度選用400DPI，對原圖和掃描后的圖框邊長進行比較，結(jié)果見表2。

表2 原圖與掃描圖比較(mm)

由以上比較結(jié)果可以看出，掃描變形是影響數(shù)字化精度的主要因素，必須對圖像進行幾何糾正。

2.3 圖像的幾何糾正

掃描后的圖像會在不同程度上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、平移 、縮放等變形，在地形圖矢量化前必須進行幾何糾正。幾何糾正是保證地形圖矢量化精度的關(guān)鍵，本工程中使用南方公司的CASS 6.0軟件進行圖紙定向和幾何糾正。以1:2000地形圖的掃描數(shù)字化為例，定向誤差對成果精度的影響最大值不超過0.15mm，當采用4點定向時，定向精度不應(yīng)超過圖上0.10mm;采用9點定向時，定向精度不應(yīng)超過圖上0.15mm。

2.4 作業(yè)內(nèi)容檢查

地形圖矢量化完成后要對每個作業(yè)內(nèi)容按照設(shè)計要求進行檢查，主要包括七個方面的內(nèi)容:①文件及各種控制信息是否完整、正確;②圖幅定位誤差是否在限差規(guī)定范圍之內(nèi);③圖內(nèi)各要素的采集是否有錯漏;④圖內(nèi)各要素代碼及附屬信息是否完整、正確;⑤采集點的誤差是否符合限差規(guī)定;⑥分層是否正確;⑦拓撲關(guān)系是否正確。

2.5 矢量化精度分析

在本工程中使用南方公司的CASS 6.0軟件對掃描圖進行定向和數(shù)字化作業(yè)，作業(yè)完成后進行了精度檢查，檢查采用如下方法:在原圖和數(shù)字化圖上量取和捕捉相同點的坐標計算點位中誤差(其中包括圖框點、控制點和網(wǎng)格點)。下面以其中一幅圖為例說明檢查情況(詳見表3)。

表3 坐標比較區(qū)間分布

平面位置精度中誤差計算公式如下:

對采集的550個點的點位平均中誤差按上式進行計算，結(jié)果為MS=0.17mm?？梢钥闯?，在本工程中嚴格按照規(guī)范要求進行操作可以保證地形圖數(shù)字化的精度。

3 所用儀器簡介

本次測量使用4臺徠卡公司的VIVA GS15 GNSS接收機。徠卡VIVA GS15 GNSS接收機是全球首款第三代GNSS接收機，支持北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計可自行更換通訊模塊，主機內(nèi)置電臺天線和手機天線，是業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，即使不外接天線也能使用，具有兩個電池倉支持電池的熱插拔，使得儀器能使用更長時間;這款儀器采用全新、高效的測量軟件，沒有太多的專業(yè)術(shù)語，引導式菜單及圖形描述加文字說明，操有多款針對中國用戶的本地化測量解決方案，作業(yè)更加便捷、效率更高;控制手簿帶有自動對焦數(shù)碼相機，可野外進行點之記等拍攝，拍攝圖片能和測量點進行關(guān)聯(lián)。同時，徠卡VIVA GS15 GNSS接收機具有行業(yè)最高的置信度(優(yōu)于99.99%)，使得測量結(jié)果可靠性有保障，RTK精度為:

①RTK水平精度:10mm+1 ppm(rms);

②RTK垂直精度:20mm+1 ppm(rms);

③初始化時間:典型8s。

4 準備工作

4.1 布設(shè)E級GPS控制網(wǎng)

由于本次作業(yè)的特殊性，每個礦上埋設(shè)一個點。根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況，盡量選取周圍遮擋物較少、地理位置較高的點架設(shè)GPS，以保證后期進行RTK測量時基準站電臺信號能順利傳到流動站。

4.2 控制網(wǎng)作業(yè)時間安排

作業(yè)時間的安排應(yīng)以保證觀測數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性為前提，根據(jù)星歷預報，選擇衛(wèi)星數(shù)量多、PDOP小的時段進行作業(yè)時間的安排，確?；€的順利解算以及網(wǎng)平差的精度。

5 測量實施

每座礦山附近的E級GPS點均可架設(shè)基準站。由于布點時為RTK測量考慮，保證了在該礦測量時能順利收到電臺發(fā)射的信號。正確設(shè)置基準站和流動站后便可開始對該礦山的開采面進行碎部點測量。在利用RTK對地形碎部點進行測量時應(yīng)注意以下問題:

①基準站的設(shè)置及作業(yè)半徑對RTK的測量精度和作業(yè)速度有直接的影響，基準站的位置盡量選在測區(qū)中央并且有一定的高度，以獲得最大的有效通訊半徑;

②基準站GPS天線與電臺發(fā)射天線間最好應(yīng)在3m以上，在量取天線高時，應(yīng)注意所量取應(yīng)與所設(shè)置一樣;

③流動站無線電的頻率應(yīng)與基準站相同，流動站的位置應(yīng)在基準站的控制范圍之內(nèi)(具體距離由現(xiàn)場地形情況決定);

④在使用RTK進行碎部點測量時，必須在RTK進入“固定”狀態(tài)下才能開始。

RTK測量具有顯著的實時、快捷的優(yōu)點。但作業(yè)中由于檢核條件的缺乏，致使個別點會出現(xiàn)測量粗差。因此，成果的有計劃復核是保證RTK實測精度的關(guān)鍵。首先，在每天作業(yè)前，先將移動站設(shè)置在原E級GPS點上進行檢測;其次，作業(yè)過程中，當距已知點較近時，也要求進行檢核。

6 內(nèi)業(yè)處理

將手簿與電腦相連接，在測地通軟件下可直接導出CASS格式的坐標，這樣就可在CASS 6.0下繪制現(xiàn)場開采圖，再將數(shù)字化好的地形圖與現(xiàn)場開采圖疊加、處理后便可得到該礦的開采平面圖。將礦山采礦許可證中的允許開采邊界與開采平面圖相疊加，即可檢查該礦是否存在越層越界開采現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

RTK測量實時、快捷，操作簡單，且不受通視條件限制，外業(yè)組織形式靈活。用RTK進行地形測量，可直接在E級GPS控制點上進行，大大減少了實測圖根控制和水準測量的工作量。RTK技術(shù)和地形圖數(shù)字化相結(jié)合不僅可以大幅度提高作業(yè)效率，而且能夠有效地減輕作業(yè)員的勞動強度，尤其是在通視困難的地區(qū)更加明顯。

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