西藏抱布德鉛礦勘探測量技術(shù)應(yīng)用研究

席新海，朱衛(wèi)民

（1.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450000；2.河南省地礦局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006）

1 概述

西藏安多縣抱布德鉛礦詳查測量工作是該區(qū)域地質(zhì)找礦工作流程之一。主要工作內(nèi)容為測繪覆蓋礦區(qū)范圍1∶10000比例尺地形圖；對圈定的詳查地段開展1∶2000比例尺地形圖測繪和地質(zhì)工程測量包括地質(zhì)點、鉆孔孔位、探槽起止點、勘探基線1∶1000剖面線測量及基點、端點測量等。

由于礦區(qū)位于藏北無人區(qū)，平均海拔5200m，工作條件異常艱苦。造成至今還是我國大比例尺測繪成果的盲區(qū)。經(jīng)查詢該區(qū)域已有測繪資料嚴重缺乏，基礎(chǔ)控制資料缺少，圖形資料年代久遠。經(jīng)實地踏勘測區(qū)工作條件，很難應(yīng)用常規(guī)的的測量技術(shù)手段完成本次測量工作，因此選擇合適的測量方案尤為關(guān)鍵，結(jié)合工作區(qū)實際情況，利用先進的測量技術(shù)，在西藏抱布德鉛礦詳查測量實際工作中進行了一些有益嘗試與探討［1］。

2 基于IGS站點控制測量布網(wǎng)方案

由于西藏安多抱布德鉛礦詳查礦區(qū)缺少必要的已知控制點，無法開展常規(guī)控制測量工作。而IGS（International GNSS Service，國際全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)組織）站為全球連續(xù)運行參考站［1］，具有連續(xù)觀測、精度高、穩(wěn)定等特點，為無人區(qū)控制測量提供了最佳的起算數(shù)據(jù)，使荒漠地區(qū)的測繪工作得以開展。因此西藏抱布德鉛礦詳查項目就利用5個IGS站，布設(shè)礦區(qū)C級GPS網(wǎng)，作為本次測量工作的首級控制。

2.1 外業(yè)GPS點觀測

測區(qū)內(nèi)共布設(shè)5個C級GPS控制點，編號采用C接自然數(shù)順序編號，如C01、C02、……。實際觀測時C級GPS網(wǎng)采用5臺儀器同時觀測，觀測兩個時段，采用邊連接的方式，每個時段按照靜態(tài)觀測方法連續(xù)觀測4個小時以上，重復(fù)設(shè)站數(shù)為2。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)標準化

采用Rinex標準化觀測數(shù)據(jù)文件SITEDAYS.YYO，其中SITE為點位編碼，DAY為年積日，S為觀測時段號，YY為觀測年號，O為觀測數(shù)據(jù)。

2.2.2 收集IGS連續(xù)運行站數(shù)據(jù)

收集IGS數(shù)據(jù)是為了與外業(yè)觀測的五個C級GPS點統(tǒng)一計算平差，本次數(shù)據(jù)處理共收集了KIT3、LHAZ（拉 薩）、SX01（安 樂 河）、ULAB、URUM（烏魯木齊）五個GPS連續(xù)運行站的觀測數(shù)據(jù)。要求是與所布設(shè)的GPS點時間一一對應(yīng)。數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院的GAMIT／GLOBK軟件進行基線解算及平差。

2.2.3 數(shù)據(jù)整理

依據(jù)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，將同一觀測時段的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，數(shù)據(jù)格式為Rinex格式，并進行以下數(shù)據(jù)正確性的檢驗：

點名一致性與正確性；

接收機與天線型號的正確性；

天線高的正確性；

年積日的一致性。

2.2.4 天線高的歸算

觀測時使用TRIMBLE 5700接收機、TRM39105.00天線及TRM41249.00 天線和TRIMBLE 5800接收機及相應(yīng)天線。按照天線結(jié)構(gòu)，天線高統(tǒng)一采用觀測值歸算。在基線解算時由GAMIT軟件自動計算天線相位中心位置，歸算至標石標志面。

2.3 GPS基線解算

2.3.1 先驗坐標的獲取

先驗坐標采用差分的方法獲得，以GPS連續(xù)運行站為基準站進行差分，求得GPS觀測站的先驗坐標，保證坐標可以達到0.1m的精度。

2.3.2 主要參數(shù)設(shè)置

（1）衛(wèi)星軌道：IGS快速精密星歷，且固定［2］；

（2）衛(wèi)星截至高度角：10s；

（3）數(shù)據(jù)采集間隔：15s；

（4）坐標約束：GPS連續(xù)運行站水平方向約束5cm、垂直方向約束10cm，其他GPS站約束10m；

（5）對流層改正模型：采用Saastamoinen（薩斯塔莫寧）模型進行標準氣象改正；

（6）觀測值：采用消除電離層后的組合觀測值；

（7）數(shù)據(jù)解算模式：周跳自動修復(fù)技術(shù)［3］。

2.3.3 GPS基線解算

以GPS Day（年積日）為單位，進行基線解算，見表1。

表1 GPS網(wǎng)環(huán)Nrms統(tǒng)計表

由表1可知，GPS網(wǎng)的Nrms值小于0.25周，基線解算時周跳基本剔除干凈。

2.4 網(wǎng)約束平差

對整網(wǎng)的全部基線結(jié)果進行了X2檢驗，X2檢驗值小于6，基線全部通過檢驗，參與平差，見表2。

表2 GPS網(wǎng)X2檢驗結(jié)果統(tǒng)計表

在2000國家大地坐標系下，約束本次數(shù)據(jù)處理收集的 KIT3、LHAZ（拉薩）、ULAB、URNM（烏魯木齊）五個GPS連續(xù)運行站［4］，進行三維約束平差，求出待定GPS網(wǎng)點坐標。

?統(tǒng)計項 最小值／mm 最大值／mm 平均值／mm Xrms 2.7 2.8 2.8 Yrms 4.3 4.8 4.6 Zrms 2.7 3.1 2.9 Nrms 1.2 1.3 1.3 Erms 2.7 2.8 2.8 Urms 4.9 5.6 5.3

由表3可知，GPS點空間直角坐標X分量的中誤差平均值為2.8mm，最大值為±2.8mm；Y分量的中誤差平均值為±4.6mm，最大值為±4.8mm；Z分量的中誤差平均值為±2.9mm，最大值為±3.1mm。GPS點南北分量的中誤差平均值為±1.3mm，最大值為±1.3mm；東西分量的中誤差平均值為±2.8mm，最大值為±2.8mm；高程分量的中誤差平均值為±5.3mm，最大值為±5.6mm。

通過約束平差獲得礦區(qū)C級GPS點2000坐標下的大地直角坐標，通過坐標轉(zhuǎn)化提供西安80坐標，為后續(xù)測繪工作奠定了基礎(chǔ)。

3 基于TerraSAR－X衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速獲取無人區(qū)地形數(shù)據(jù)

TerraSAR－X衛(wèi)星為德國研制的一顆高分辨率雷達衛(wèi)星，攜帶一顆高頻率的X波段合成孔徑雷達傳感器，可以聚束式、條帶式和推掃式3種模式成像，并擁有多種極化方式?？扇鞎r、全天候地獲取用戶要求的任一成像區(qū)域的高分辨率影像。Tan－DEM－X于2010年6月21日成功發(fā)射，這兩顆衛(wèi)星在3年內(nèi)將反復(fù)掃描整個地球表面，最終繪制出高精度的3D地球數(shù)字模型。因此，利用TerraSAR－X衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于雷達立體測量技術(shù)，快速獲得無人區(qū)DEM，結(jié)合1∶50000國家地形圖及外業(yè)實測數(shù)據(jù)等，為開展無人區(qū)1∶10000比例尺測圖提供了一種新方法，從而擺脫了傳統(tǒng)的測量方法，大大減輕了外業(yè)測量工作的作業(yè)難度，為快速開展無人區(qū)地質(zhì)測量工作提供了新的作業(yè)方案［5］。

3.1 TerraSAR－X衛(wèi)星主要特點

（1）多分辨率 （1m／3m／18.5m）和覆蓋區(qū)域：對于特定目標區(qū)域采用高分辨率，對大面積覆蓋采用中等分辨率；

（2）任何其他的商業(yè)星載傳感器都無法比擬的幾何精度；

（3）極高的輻射精度；

（4）不受天氣影響，對地球上的任何地點，重訪周期最長2.5天（95%的地區(qū)可達到2天重訪）；

（5）獨特的敏捷性（成像和極化模式的快速切換）。

3.2 TerraSAR－X衛(wèi)星生成 DEM

TerraSAR－X衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成DEM的流程主要包括：SAR復(fù)數(shù)影像配準、干涉圖的生成、去平地相位、干涉相位濾波、相位解纏、基線精確估計及數(shù)字高程模型重建［6］，見圖1。

圖1 TerraSAR－X衛(wèi)星生成DEM流程圖

3.2.1 影像的精確配準

用于生成DEM的兩幅SAR影像不是同時獲取的，相應(yīng)位置像素點并不是完全對應(yīng)的，因此必須先對兩幅SAR影像進行高精度復(fù)圖像配準，使得空間各像素點一一對應(yīng)。影像配準的好壞直接影響干涉條紋的生成，從而影響提取DEM的精度，通常InSAR影像配準精度要求達到1／8個像元精度。

3.2.2 干涉圖的生成

在兩幅精確配準的SAR復(fù)圖像中，對應(yīng)像元基本可以反映同一區(qū)域的相干目標特性，將對應(yīng)的像元復(fù)共軛相乘，就可以得到干涉圖。

3.2.3 去平地相位

基于衛(wèi)星軌道參數(shù)和影像位置計算平地相位，其根據(jù)斜距的分辨率，由影像中心點開始，推算出各個像元在參考橢球面的斜距。利用各像元點間的斜距差得到各像元點間的相位差，進而求得參考橢球面所引起的干涉相位差，將其從原始干涉相位中減去從而去除平地相位的影響。

3.2.4 干涉相位濾波

InSAR干涉圖中不可避免的存在各種噪聲，造成干涉相位連續(xù)性和周期性的破壞，從而影響相位解纏的精度。因此為保證測量結(jié)果的準確性必須消除噪聲相位影響。

3.2.5 相位解纏

由于干涉相位值在［－π，π］的范圍內(nèi)，只是干涉相位的主值，其整數(shù)部分信息丟失，相位解纏操作就是恢復(fù)丟失的整數(shù)相位信息，以得到真正的相位差值。

3.2.6 精確基線估計

基線是InSAR數(shù)據(jù)處理中非常重要的一個參數(shù)，高精度的基線參數(shù)是獲取高精度DEM的根本保證。常用的估計方法有：基于軌道信息的基線估計法、基于條紋頻率的基線估計方法以及基于地面控制點（GCP）的基線估計方法等。

3.2.7 DEM 生成

通過相位解纏得到相位差真值后，結(jié)合高精度的基線數(shù)據(jù)，就可以計算出每一點的高程值。因為解纏后的相位經(jīng)過高程估算之后仍然在距離／多普勒坐標系中，需要通過地理編碼操作將其轉(zhuǎn)換到地理坐標系下。地理編碼不但可以為影像的各像素點確定實際地理位置坐標，而且對影像進行了正射糾正，剔除了干涉影像中的陰影和疊掩部分，得到的是DEM的正射影像圖。

3.3 利用DEM數(shù)據(jù)制作地形圖步驟

（1）利用Global Mapper軟件打開DEM數(shù)據(jù)

（2）在Global Mapper中選取需要的區(qū)域，生成所需要的等高線數(shù)據(jù)。

（3）再將生成的等高線數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)成DXF格式。

（4）利用AutoCAD軟件打開并編輯生成礦區(qū)等高線數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 DEM數(shù)據(jù)獲取等高線

4 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

工程點測量主要為鉆孔位置的測量及基線端點、基點、探槽位置點測量，均采用RTK進行施測。另外由于控制測量僅提供西安80坐標成果，而實際地質(zhì)工作是在1954年北京坐標系下開展，因此需采用坐標轉(zhuǎn)換方法來提供工程點的1954坐標。

4.1 坐標轉(zhuǎn)換模型

計算模型：“7參數(shù)”法（參心平移量：ΔX、ΔY、ΔY；尺度比：M；坐標旋轉(zhuǎn)量：）假設(shè)西安80坐標系和北京54坐標系有七個轉(zhuǎn)換參數(shù)－3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)［7］，見圖3。

圖3 “7參數(shù)”法模型

假設(shè)：

（X80Y80Z80）T為某點在西安80坐標系下的空間直角坐標；

（X54Y54Z54）T為該點在北京54坐標系系下的空間直角坐標；

（ΔX0ΔY0ΔZ0）T為西安80坐標系轉(zhuǎn)換到北京54坐標系的平移參數(shù)；

（ωXωYωZ）為西安80坐標系轉(zhuǎn)換到北京54坐標系的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；

m為西安80坐標系轉(zhuǎn)換到北京54坐標系的尺度參數(shù)。

則由西安80坐標系轉(zhuǎn)換到北京54坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中：

4.2 坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算

具體計算步驟如下：

（1）將西安80坐標高斯反算為大地坐標。

（2）將北京54、西安80的大地坐標轉(zhuǎn)換為空間之間坐標，利用7參數(shù)法求解西安80坐標系至北京54的7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，并驗證其精度。

（3）利用計算得到的7參數(shù)，可將本次測量的各個工程點轉(zhuǎn)換至北京54坐標系下。

（4）將計算得到的北京54空間三維坐標投影為平面坐標。投影時，將空間三維直角坐標轉(zhuǎn)為大地坐標，再進行高斯投影得到平面坐標。

4.3 坐標轉(zhuǎn)換

利用5個C級GPS控制點的西安80、北京54坐標，求取西安80到北京54坐標7參數(shù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；七個參數(shù)包括3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)（參心平移量：ΔX、ΔY、ΔY；尺度比：M；坐標旋轉(zhuǎn)量：）［8］。

經(jīng)過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換殘差平面最大3mm，最小1mm，精度遠遠高于地質(zhì)工程點西安80到北京54坐標的轉(zhuǎn)換要求。

5 地質(zhì)勘探工程測量

地質(zhì)工程測量主要包括地質(zhì)工程點測量（包括鉆口、探槽、地質(zhì)點測量）、地質(zhì)勘探基線基點測量、勘探線剖面測量等。

5.1 工程點測量

主要為鉆孔、探槽、地質(zhì)點的位置測量。以測區(qū)內(nèi)控制點為起算點，輸入坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，采用美國天寶公司生產(chǎn)的動態(tài)GPS對鉆孔、探槽、地質(zhì)點位置直接測定。野外作業(yè)時，每次基準站架設(shè)好后，均采用流動站檢查基準站點坐標及另外已知點坐標，以確保設(shè)站無誤。每個基準站均進行重測檢查，從而保證了GPS測量質(zhì)量，最后依次測量各工程點，每個工程點測量時都采用固定解，輸入正確的棱鏡高。

本礦區(qū)共計測設(shè)鉆孔27個，探槽27個，地質(zhì)點454個，其中鉆孔實測最大平面中誤差0.024m，限差0.3m，高程最大中誤差0.037m，限差0.25m；探槽實測最大平面中誤差0.051m，限差1.6m；符合《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》（GB／T18341－2001）的規(guī)定。

5.2 基線測量及勘探線剖面測量

基線測量主要實測基線的起點、終點以及基線與勘探的交叉點，作業(yè)過程首先將設(shè)計的點采用RTK技術(shù)放樣到實地，然后再實測設(shè)計點的平面位置與高程。

根據(jù)地質(zhì)要求先在相應(yīng)比例尺的地形圖上設(shè)計出勘探線兩個端點，并在地形圖上精確量取勘探線兩個端點坐標，野外作業(yè)時把勘探線兩個端點坐標輸入GPS手簿，利用線放樣在實地沿著這條線逐一測量地形點和地質(zhì)分界點。

實測勘探線剖面點最大點位平面中誤差0.08m，限差為1.6m，最大高程中誤差0.37m，限差為0.67m，均符合《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》的規(guī)定。

6 結(jié)語

本文從實際生產(chǎn)出發(fā)，對西藏安多縣抱布德鉛礦詳查測量技術(shù)方案進行了詳細的應(yīng)用探討，為無人區(qū)高海拔開展地質(zhì)勘探測量項目關(guān)鍵技術(shù)提出了解決辦法。利用國際IGS站作為起算數(shù)據(jù)，采用Gamit軟件進行數(shù)據(jù)處理，不僅作業(yè)方法先進，而且可以方便快速的布設(shè)控制網(wǎng)。另外提出利用TerraSAR－X衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于雷達立體測量技術(shù)，快速獲得無人區(qū)DEM，結(jié)合1∶50000國家地形圖及外業(yè)實測數(shù)據(jù)等，開展無人區(qū)1∶10000比例尺測圖的技術(shù)方法。為荒漠困難地區(qū)測繪1∶10000地形圖提供了可借鑒的工作經(jīng)驗，是一種有意義的嘗試。

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