GNSSoRTK技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量中的應(yīng)用

■王世平

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州 730050）

GNSSoRTK技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量中的應(yīng)用

■王世平

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州 730050）

GNSS已在城市建設(shè)、工程和資源勘測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。GNSS·RTK定位技術(shù)以其測(cè)量精度高、測(cè)量時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)在GNSS定位領(lǐng)域獨(dú)樹一幟。文章對(duì)GNSS·RTK定位技術(shù)的工作原理做了相應(yīng)闡述，對(duì)影響RTK定位精度的主要因素進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)RTK技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量中的應(yīng)用加以總結(jié)，展現(xiàn)了該技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。

GNSS·RTK地質(zhì)勘查測(cè)量應(yīng)用

GNSS（Global Navigation Satellite System）即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，具有高效、準(zhǔn)確、全球等特點(diǎn)，從其誕生之初就給社會(huì)許多行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)影響。GNSS主要包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的北斗等多個(gè)定位系統(tǒng)，其中以GPS系統(tǒng)最為成熟。

1 GNSS·RTK定位測(cè)量

1.1 GNSS·RTK測(cè)量系統(tǒng)的組成

RTK測(cè)量系統(tǒng)一般由三部分組成：（1）GNSS接收設(shè)備,其作用是接收衛(wèi)星信號(hào)和進(jìn)行接收設(shè)備之間信號(hào)的差分，接收設(shè)備有基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之分。（2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備：即數(shù)據(jù)鏈，其作用是實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈由調(diào)制解調(diào)器和電臺(tái)組成。（3）軟件解算系統(tǒng)：其作用是保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的精確性與可靠性，是GNSS·RTK測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。

1.2 GNSS·RTK定位技術(shù)的作業(yè)原理

RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)又稱載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)，通過對(duì)兩測(cè)站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)量點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并能達(dá)到厘米級(jí)的精度。其作業(yè)原理是基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波相位觀測(cè)值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站，流動(dòng)站通過解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量，再利用OTF技術(shù)對(duì)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站采集的載波相位觀測(cè)量

組成相位差分觀測(cè)值，通過實(shí)時(shí)處理確定流動(dòng)站的坐標(biāo)。只要能保證4顆以上衛(wèi)星的跟蹤，流動(dòng)站就可根據(jù)給定的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)時(shí)給出指定坐標(biāo)系中的定位結(jié)果。

2 影響GNSS·RTK定位精度的因素

2.1 與接收機(jī)有關(guān)的誤差

2.1.1 接收機(jī)安置誤差

接收機(jī)安置誤差就是接收機(jī)天線相位中心相對(duì)于測(cè)站位置中心標(biāo)石的偏差。包括天線的整平和對(duì)中誤差以及天線高的量測(cè)誤差。在實(shí)際作業(yè)中作業(yè)員可以通過認(rèn)真細(xì)致的操作減少其影響。

2.1.2 天線相位中心位置偏差

天線相位中心位置偏差就是觀測(cè)時(shí)天線相位中心的瞬時(shí)位置與理論上的相位中心不一致而產(chǎn)生的偏差。減少天線相位中心位置偏差是天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。

2.2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差

2.2.1 電離層折射誤差

電離層折射誤差就是當(dāng)GNSS信號(hào)通過電離層時(shí)，信號(hào)的傳播路徑和速度發(fā)生變化，導(dǎo)致衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離與信號(hào)的傳播時(shí)間與真空中光速的乘積不一致而產(chǎn)生的誤差。電離層折射誤差可通過雙頻觀測(cè)、加入電離層改正模型、同步觀測(cè)求差的辦法加以消除。

2.2.2 對(duì)流層折射誤差

對(duì)流層折射誤差就是當(dāng)GNSS信號(hào)通過對(duì)流層時(shí)，信號(hào)的傳播路徑發(fā)生彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生的偏差。對(duì)流層折射與地面氣候、氣壓、溫度、濕度等有密切關(guān)系。對(duì)流層折射誤差可通過加入對(duì)流層折射改正模型、同步觀測(cè)求差的方法加以消除。

2.2.3 多路徑效應(yīng)誤差

多路徑效應(yīng)誤差就是當(dāng)接收機(jī)周圍有高大建筑物或大面積水域時(shí)，信號(hào)的反射波在進(jìn)入接收機(jī)時(shí)與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值而產(chǎn)生的誤差。多路徑效應(yīng)誤差取決于天線周圍的環(huán)境。多路徑效應(yīng)誤差可通過遠(yuǎn)離高大建筑物、大面積水域、天線中設(shè)置抑徑板等方法消除。

2.3 觀測(cè)方案引起的誤差

觀測(cè)方案對(duì)RTK測(cè)量結(jié)果有很大的影響。觀測(cè)方案主要包括基準(zhǔn)站位置的選擇，參與參數(shù)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)的選取，觀測(cè)次數(shù)等。為了減少由觀測(cè)方案引起的誤差，可以采取以下措施：基準(zhǔn)站應(yīng)盡量設(shè)在視野開闊的較高位置，適度提高發(fā)射天線高度；求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的控制點(diǎn)盡量選擇等級(jí)較高或經(jīng)過統(tǒng)一平差的控制網(wǎng)內(nèi)的GNSS點(diǎn)；根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，選擇適當(dāng)時(shí)段進(jìn)行測(cè)設(shè)；延長(zhǎng)每個(gè)測(cè)站的觀測(cè)時(shí)間；作業(yè)半徑保持在規(guī)定范圍內(nèi)等。

3 GNSS·RTK技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量中的應(yīng)用

2013年6月到8月，在對(duì)甘肅省宕昌縣竹院北礦區(qū)實(shí)施1: 2000數(shù)字化地形圖測(cè)量及地質(zhì)勘探工程測(cè)量時(shí)，充分利用GNSS· RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，外業(yè)測(cè)量工作全部采用RTK技術(shù)完成。竹院北礦區(qū)地處隴南山區(qū)，山勢(shì)陡峻，夏季多雨，海拔2000-2600m，相對(duì)高差600m，如果用傳統(tǒng)作業(yè)方法，開展礦區(qū)測(cè)量工作將是困難重重的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)作業(yè)方法首先要解決通視問題。采用GNSS·RTK技術(shù)不需要考慮通視情況，只要有衛(wèi)星信號(hào)，就可以求得高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)。

竹院北礦區(qū)的測(cè)量工作涵蓋了地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量的方方面面（坑道測(cè)量用甲方的成果，為了資料的統(tǒng)一，對(duì)坑道數(shù)據(jù)進(jìn)行了坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換）。首先進(jìn)行的是礦區(qū)控制測(cè)量，在礦區(qū)周圍國(guó)家D級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上布設(shè)了E級(jí)控制網(wǎng)，加密E級(jí)控制點(diǎn)5點(diǎn)，礦區(qū)測(cè)量工作是在E級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上完成的。

GNSS·RTK技術(shù)在竹院北礦區(qū)地質(zhì)勘查工作中的主要應(yīng)用如下：

3.1 圖根控制測(cè)量

圖根控制是為滿足礦區(qū)地形圖測(cè)量而實(shí)施的。在解類型為“固定”解的情況下，GNSS·RTK測(cè)量所得坐標(biāo)數(shù)據(jù)的定位精度可以達(dá)到5厘米，其測(cè)量精度完全滿足一般圖根控制點(diǎn)的精度要求，而且誤差不積累。在竹院北礦區(qū)應(yīng)用GNSS·RTK技術(shù)布設(shè)了圖根控制點(diǎn)11點(diǎn)。這樣不僅方便快捷，也保證了相對(duì)高的精度。

3.2 地質(zhì)工程點(diǎn)定位測(cè)量

地質(zhì)工程是地質(zhì)勘查過程中布設(shè)的各種探礦工程，一般有探槽、鉆孔、淺井、硐探等地質(zhì)工程。礦區(qū)共測(cè)量探槽7條、放樣鉆孔6點(diǎn)、探硐硐口4點(diǎn)，全部采用GNSS·RTK技術(shù)施測(cè)完成。竹院北礦區(qū)地形復(fù)雜、山勢(shì)陡峻等因素嚴(yán)重影響通視情況，應(yīng)用GNSS·RTK技術(shù)，測(cè)量工作收到了事半功倍的效果。

3.3 地質(zhì)基線、剖面線測(cè)量

地質(zhì)基線、剖面線按照一定點(diǎn)距、線距及方位在實(shí)地放樣，是地質(zhì)人員參考礦體的走向、傾角等因素決定的。應(yīng)用GNSS·RTK技術(shù)，就要先計(jì)算好每條地質(zhì)基線、剖面線上放樣點(diǎn)的理論坐標(biāo)，再把放樣數(shù)據(jù)按照一定格式導(dǎo)入GNSS手簿，然后在實(shí)地按照RTK的“點(diǎn)放樣”或“線放樣”功能逐點(diǎn)放樣。放樣完成后再采集該點(diǎn)的實(shí)地坐標(biāo)。竹院北礦區(qū)施測(cè)基線2條共840米，施測(cè)勘探線剖面23條共7660米。應(yīng)用GNSS·RTK技術(shù)，所放樣地質(zhì)基線的距離誤差、剖面線的方位角誤差都是很小的，較傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量方法如經(jīng)緯儀、全站儀等施測(cè)表現(xiàn)出了很大的便捷性和可靠性。

3.4 地形測(cè)量

對(duì)于勘查程度達(dá)到詳查的礦區(qū)，一般要進(jìn)行大比例尺地形圖的測(cè)量。GNSS·RTK技術(shù)在地形圖的測(cè)量中較少受地形條件的限制，只要能接收到衛(wèi)星信號(hào)（最少4顆衛(wèi)星），就可以得到較高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)。對(duì)于受地形條件限制接收不到基準(zhǔn)站信號(hào)的地方,可以采用給基準(zhǔn)站遷站重新求取轉(zhuǎn)換參數(shù)再施測(cè)的辦法。竹院北礦區(qū)共施測(cè)1:2000地形圖2.77平方公里。采用GNSS·RTK技術(shù)，測(cè)圖的效率得到很大提高。

3.5 其他有關(guān)應(yīng)用

在礦區(qū)地質(zhì)填圖及物化探工作中，地質(zhì)人員經(jīng)常使用手持GPS進(jìn)行定位。RTK技術(shù)除可以運(yùn)用于手持GPS的點(diǎn)位校正外，還可以直接代替手持GPS，不僅具有手持GPS方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，還可以達(dá)到比手持GPS更高的精度；RTK手簿還有記錄、計(jì)算、導(dǎo)航等功能，給地質(zhì)勘查工作帶來了很大的方便。

4 地質(zhì)勘查測(cè)量中坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

在地質(zhì)勘查工作中，地質(zhì)人員經(jīng)常需要當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系（北京54或西安80）成果，這就需要對(duì)采集的84坐標(biāo)系成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的常用方法有四參數(shù)轉(zhuǎn)換和七參數(shù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于較小面積（經(jīng)驗(yàn)值為20*20km2）的測(cè)區(qū)，可以采用四參數(shù)，對(duì)于較大面積測(cè)區(qū)采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換效果較好。現(xiàn)在一般的測(cè)量軟件都有坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的功能，這里就不加詳述。

5 結(jié)語(yǔ)

GNSS·RTK技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法有著很大的優(yōu)勢(shì)，其定位精度高、誤差不積累、觀測(cè)時(shí)間短、操作方便等特點(diǎn)，使測(cè)量工作的作業(yè)效率和精度都得到了很大的提高。但在地質(zhì)勘查測(cè)量中GNSS· RTK技術(shù)也有一些局限性：測(cè)區(qū)如果相對(duì)高差較大，較高的山體會(huì)“隔斷”基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的信號(hào)，從而使流動(dòng)站的“解類型”為單點(diǎn)，使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，為了提高測(cè)量數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量就要盡量架高基準(zhǔn)站的天線或者考慮“遷站”；在樹葉茂密的林區(qū)，受多路徑效應(yīng)的影響，流動(dòng)站的信號(hào)質(zhì)量會(huì)大大下降，“解類型”為單點(diǎn)或者衛(wèi)星信號(hào)“失鎖”，這時(shí)就要用其他測(cè)量手段配合等。隨著GNSS· RTK技術(shù)的逐步完善，特別是隨著我國(guó)“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建成和投入使用，軟硬件設(shè)施的逐步更新，其在地質(zhì)勘查及其他測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。

[1]胡伍生、高成發(fā)、施一民 《GPS測(cè)量原理及其應(yīng)用》 [M]人民交通出版社，2010年7月.

P5[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-149-2

王世平（1970～），男，測(cè)繪工程師，研究方向?yàn)橐巴鉁y(cè)繪。