GNSS技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用及可靠性分析
——以廣東省粵北礦產(chǎn)勘查區(qū)為例

盧石坤

(廣東省核工業(yè)地質(zhì)局 測繪院，廣東 廣州 510800)

GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，它是泛指全球的、區(qū)域的和增強的所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS、歐洲的Galileo、俄羅斯的Glonass、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等(赫金明等，2005)。GNSS技術(shù)具有定位精度高、觀測時間短、操作自動化程度高、測站點間無需通視等優(yōu)點。而礦產(chǎn)勘查區(qū)大都位于偏僻的高山地帶，地形復(fù)雜，植被茂密，通視條件差，在這樣的地區(qū)進行傳統(tǒng)測繪作業(yè)非常困難，且生產(chǎn)的測繪成果精度低。隨著GNSS技術(shù)的快速發(fā)展，及其明顯的技術(shù)優(yōu)勢，本文結(jié)合粵北地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測繪需要，將GNSS技術(shù)應(yīng)用于此次地質(zhì)礦產(chǎn)勘查，并對其測量成果進行了精度分析。

1 GNSS靜態(tài)測量控制網(wǎng)精度分析及其應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 GNSS靜態(tài)測量控制網(wǎng)建立

由于粵北礦產(chǎn)勘查區(qū)位于粵贛邊界山區(qū)，地處偏遠，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，且勘查控制范圍較大，原有部分控制點是幾十年前采用常規(guī)方法測量的，整體精度偏低、數(shù)量較少，不能滿足現(xiàn)代礦產(chǎn)勘查要求。因此，擬重新建立一個能覆蓋到全區(qū)域的GNSS E級靜態(tài)控制網(wǎng)，作為該勘查區(qū)的首級控制網(wǎng)。

1.1.1 勘查區(qū)概況

勘查區(qū)地處南嶺山脈南麓，位于廣東省東北部，地理位置位于東經(jīng)113°37′—114°00′，北緯25°10′—25°20′。測區(qū)內(nèi)有國道106線和多條省道貫通，交通較為便利。勘查區(qū)總面積700 km2，其中山地占70%，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，勘查區(qū)內(nèi)樹木茂密，通視條件較差。

1.1.2 控制網(wǎng)的布設(shè)

布設(shè)GNSS E級網(wǎng)時，點位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、便于長期保存和使用的地方，且遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓線和大片水域地區(qū)，以避免周圍磁場對信號干擾和減弱多路徑效應(yīng)的影響。GNSS E級控制網(wǎng)平均邊長為3 km，困難地區(qū)不超過6 km。

依據(jù)上述布網(wǎng)原則，結(jié)合勘查區(qū)的具體情況，采用點聯(lián)式與邊聯(lián)式相結(jié)合的方式，布設(shè)了一個含有5個已知控制點，52個未知控制點的GNSS E級控制網(wǎng)。

1.1.3 控制網(wǎng)的觀測和數(shù)據(jù)處理

(1)控制網(wǎng)觀測。使用檢定合格的6臺中海達H32雙頻接收機觀測，其標稱精度不低于10 mm +5×10-6×d(d為距離:km)，架設(shè)儀器觀測時，每站需記錄氣象元素，并在開機前、關(guān)機后量取兩次天線高，誤差未超3 mm時，取平均值作為最后天線高。具體觀測的技術(shù)指標見表1。

(2)數(shù)據(jù)處理。對野外采集的原始觀測數(shù)據(jù)檢查無誤后, 使用中海達隨機數(shù)據(jù)處理軟件HDS 2003，對全部觀測數(shù)據(jù)進行基線解算和網(wǎng)平差計算。首先計算重復(fù)基線較差、同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差, 在符合《鈾礦地質(zhì)勘查規(guī)范(DEG0199—2015)》(以下簡稱《規(guī)范》，中國國土資源標準化技術(shù)委員會，2015)規(guī)定要求后，選取質(zhì)量好的基線向量構(gòu)成閉合幾何圖形，優(yōu)選邊長較短能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)基線向量,構(gòu)建GNSS 基線向量網(wǎng)(王顯金，2014)，然后進行GNSS網(wǎng)WGS-84坐標系下的無約束平差,在GNNS網(wǎng)的內(nèi)部精度符合要求后，再在西安80坐標系中，利用已知起算點成果，進行三維約束平差，平差合格后，最后進行成果輸出。

表1 觀測技術(shù)指標

1.2 GNSS靜態(tài)測量控制網(wǎng)精度分析

在實際中，影響GNSS測量成果精度的因素很多、也比較復(fù)雜，其中主要影響因素有：野外數(shù)據(jù)采集過程中儀器的等級質(zhì)量、人員的技術(shù)水平、起算數(shù)據(jù)的精度以及地球彎曲差、大氣層電離層折射引起的多路徑效應(yīng)、天線相位中心偏移和數(shù)據(jù)處理過程中的參數(shù)取舍等(魏二虎等，2007)，此次GNSS控制網(wǎng)的測量和計算中，均嚴格遵守了要求，盡可能減弱上述因素對控制測量成果精度的影響，經(jīng)最后平差計算，得出了該控制網(wǎng)的主要精度指標。

1.2.1 三維無約束平差精度分析

在WGS-84坐標系下，使用中海達隨機自帶平差軟件HDS2003，選取了275條質(zhì)量較優(yōu)的基線進行三維無約束平差計算(表2)。

表2 基線殘差精度統(tǒng)計

三維無約束平差結(jié)果客觀的反映了整個控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度，精度統(tǒng)計表明，控制網(wǎng)內(nèi)符合精度良好，各項指標均滿足相關(guān)《規(guī)范》要求。

1.2.2 三維約束平差精度分析

控制網(wǎng)在三維無約束平差精度達到要求后，以塘洞電站、城口鎮(zhèn)政府等5個已知GNSS C級點作為起算點進行了三維約束平差，平差結(jié)果精度情況見表3，表4。

表3 基線殘差精度和邊長相對中誤差統(tǒng)計

從上述精度分析可看出，該GNSS靜態(tài)控制網(wǎng)成果精度均符合《規(guī)范》規(guī)定的精度要求：即礦產(chǎn)勘查一級控制網(wǎng)最弱點點位中誤差不大于0.1 m，最弱點高程中誤差不大于0.05 m，最弱邊邊長相對中誤差不大于1/20000?？刂凭W(wǎng)成果整體精度良好、可靠，完全可以滿足礦產(chǎn)勘查中首級控制網(wǎng)的精度要求和下一步測繪發(fā)展的需要。

表4 點位中誤差和高程中誤差精度統(tǒng)計

由于礦產(chǎn)勘查大多位于山區(qū)，地形復(fù)雜、通視條件較差，利用傳統(tǒng)方法進行首級控制網(wǎng)布設(shè)和測量時，難度大、工作效率低，且難以保證測量成果質(zhì)量。而利用GNSS技術(shù)測量時，由于是通過直接接收衛(wèi)星信號進行測量，點與點之間不要求通視，不受通視條件限制，因此使得野外布點更加靈活、方便。而且野外觀測簡單、自動化程度高，受人為干擾因素較少。野外數(shù)據(jù)處理時，可采用專業(yè)的GNSS平差軟件進行計算，計算快速、可靠，并能直接輸出和打印測量成果(徐紹銓等，2008；包民生等，2010)。因此，在礦產(chǎn)勘查中，利用GNSS技術(shù)進行首級控制網(wǎng)測量時，無論在野外布點、測量，還是在室內(nèi)進行數(shù)據(jù)計算處理，相對傳統(tǒng)的測量方法，不但能提高成果精度水平，而且還能極大的提高工作效率。

2 GNSS RTK測量精度分析及其應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 利用靜態(tài)測量成果測試分析

選定了覆蓋全測區(qū)且均勻分布的8個E級已知控制點，在實地對RTK測量成果進行了測試，在已知的C級或E級控制點上架設(shè)基準站，分別在選定的8個E級點上架設(shè)流動站進行測量(表5)。

表5 靜態(tài)測試

從表5的測試結(jié)果可知，RTK測量坐標誤差：X最大相差3.2 cm，Y最大相差2.6 cm,高程H最大相差3.8 cm。

2.2 利用不同時段進行測試分析

GNSS RTK成果精度水平，也可以用同一基準站在不同時段( 如隔幾天 )進行測試，選取了分布均勻的6個RTK測量點進行測試，在同一基站E29,分隔三天時間進行測量(表6)。

表6 不同時段測試

由表6的測試結(jié)果可知，不同時段 RTK測量坐標誤差：X最大相差2.5 cm，Y最大相差3.2 cm,高程H最大相差3.6 cm。

2.3 利用多基站測試分析

在測區(qū)內(nèi)，對同一測點的RTK測量成果，采用兩個或以上基準站同時測量， 每個基準站采用不同的頻率發(fā)送改正數(shù)據(jù)，流動站用變頻開關(guān)選擇性地分別接收每個基準站的改正數(shù)據(jù)，從而得到兩個或以上解算結(jié)果，比較這些結(jié)果就可檢驗其質(zhì)量情況(鐵占琦，2011)。在測區(qū)內(nèi)選取了5個RTK測量點，分別在E27和E38架設(shè)基準站對它們進行測量(表7)。

表7 多基站測試

從表7的測試結(jié)果可知，多基站測試RTK測量坐標誤差：X最大相差2.6 cm，Y最大相差2.7 cm，高程H最大相差3.1 cm。

由表5、表6、表7不同方式的測試結(jié)果顯示，無論在平面定位還是高程定位方面，在嚴格按照操作規(guī)程進行操作的情況下，RTK測量結(jié)果都能達到厘米級精度，精度水平都優(yōu)于±5 cm，并均能滿足《規(guī)范》規(guī)定的精度要求，在礦產(chǎn)勘查中，利用該技術(shù)進行地質(zhì)礦產(chǎn)測量，成果精度準確可靠。

3 結(jié)論

(1) 采用GNSS靜態(tài)技術(shù)測量礦產(chǎn)勘查區(qū)首級控制網(wǎng)時，由于其受外界條件限制少，測量靈活、方便，能克服采用傳統(tǒng)方法測量時難度大、效率低的缺點，測設(shè)的首級控制網(wǎng)整體強度好、精度均勻、成果質(zhì)量高；

(2)采用GNSS RTK技術(shù)進行礦產(chǎn)勘查測量時，由于其具有快速、靈活、高效等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)測量方法中受復(fù)雜地形和通視因素等影響大、成果精度低的影響，在進行礦產(chǎn)勘查測量時，速度快、實時性強、成果精度高；

(3)GNSS RTK測量技術(shù)由于還具有良好的數(shù)據(jù)通信和處理能力，因此在礦產(chǎn)勘查的實時監(jiān)測、變形預(yù)警中，可以實現(xiàn)測量自動化，大大提高監(jiān)測效率。同時，能進一步幫助勘探單位在勘查中提高找礦效率、擴大找礦成果，為地質(zhì)礦產(chǎn)勘查提供更加優(yōu)質(zhì)、高效的測繪服務(wù)。

包民生，王玉良. 2010.提高 RTK平面控制測量精度與其可靠性試驗的研究[J]．北京測繪，16(4): 22-23．

赫金明, 呂志偉. 2005.衛(wèi)星定位理論與方法[M] .鄭州:解放軍信息工程大學(xué)出版社 :18-37.

鐵占琦.2011.GPS RTK技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量中的應(yīng)用[J].河南科技,(4):56-57.

王顯金. 2014.GPS RTK定位技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量中應(yīng)用及優(yōu)缺點的探討[J]. 低碳世界， (15):188-189.

魏二虎, 黃勁松. 2007.GPS 測量操作與數(shù)據(jù)處理[M] .武漢:武漢大學(xué)出版社:48-55.

徐紹銓,張華海,楊志，等.2008.GPS 測量原理及應(yīng)用[M] .武漢:武漢大學(xué)出版社 :100-114.

中國國土資源標準化技術(shù)委員會.2015.DZ/T0199—2015世界各國和地區(qū)名稱代碼[S].北京：中國地質(zhì)出版社.