GPS-RTK在寧化城南礦區(qū)稀土礦中的應(yīng)用

沈志健

（福建省閩西地質(zhì)大隊(duì)，福建 三明 365001）

GPS是由美國(guó)國(guó)防部于1973年開(kāi)始?xì)v經(jīng)20年研制成功并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，坐標(biāo)系采用WGS-84世界大地坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，基本參數(shù)為：長(zhǎng)半軸a=6378137m，地球扁率α=0.00335281066474[1]。目前，GPS作為新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已在軍事、交通運(yùn)輸、測(cè)繪、高精度時(shí)間比對(duì)及資源調(diào)查等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。RTK，即全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是采用電臺(tái)、GPRS、CDMA等無(wú)線通信方式由基準(zhǔn)站向流動(dòng)站用戶發(fā)播差分改正數(shù)，流動(dòng)站采集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將觀測(cè)得到的地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為指定坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)，其平面測(cè)量具有高精度及測(cè)點(diǎn)間相互獨(dú)立等特點(diǎn)。

寧化城南礦區(qū)稀土礦經(jīng)過(guò)近二年的地質(zhì)勘查工作，取得了可喜的找礦成果。期間，礦區(qū)測(cè)繪人員開(kāi)展了大量的地表測(cè)繪，筆者試圖通過(guò)介紹該礦區(qū)的測(cè)繪工作，特別是GPSRTK在該礦區(qū)的應(yīng)用背景，旨在引起地質(zhì)測(cè)繪工作者的注意并探討應(yīng)用時(shí)可能出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，為地質(zhì)工作的開(kāi)展提供更可靠的技術(shù)保障。

1 概況

城南礦區(qū)位于寧化縣城東側(cè)，行政區(qū)劃隸屬于寧化縣翠江鎮(zhèn)、城郊鄉(xiāng)、城南鄉(xiāng)管轄，東至大源，西至周家排，南至李下窠，北至李北坑，面積約24.21km2。礦區(qū)地處寧化盆地邊緣，屬低山丘陵地貌；山體低矮，連綿不斷，山包渾圓，山坡平緩。區(qū)內(nèi)公路四通八達(dá)，三明—寧化—建寧公路從詳查區(qū)北部、南部通過(guò)，三明—江西省石城縣公路從西部通過(guò)，北部正在興建泉（州）南（寧）高速公路G72永寧段，交通十分便利。

完成的礦區(qū)測(cè)繪工作量為E級(jí)GPS控制測(cè)量11座、1537個(gè)取樣鉆孔定位測(cè)量。礦區(qū)平面坐標(biāo)采用1980西安坐標(biāo)系，高程控制采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。作業(yè)依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》（GB/18341-2001），以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》、《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T2009-2010），以下簡(jiǎn)稱《RTK規(guī)范》。國(guó)家一等三角點(diǎn)“黃家山”及三等三角點(diǎn)“老虎窠屋背山”，該成果屬1980西安坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，中央子午線為117°，3°分帶高斯正形投影平面直角坐標(biāo)。上述點(diǎn)位保存完好，作為礦區(qū)測(cè)量的平面和高程起算依據(jù)。

2 E級(jí)GPS控制測(cè)量

2.1 外業(yè)布網(wǎng)

E級(jí)GPS控制測(cè)量采用GPS靜態(tài)定位方法，按邊連接方式進(jìn)行聯(lián)測(cè)。點(diǎn)編號(hào)為GPS1,GPS2…，共布設(shè)11個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)。礦區(qū)E級(jí)控制點(diǎn)分布如圖1。

外業(yè)采用經(jīng)檢定合格并在檢定有效期內(nèi)的3臺(tái)HD-V8中海達(dá)雙頻接收機(jī)（靜態(tài)平面精度2.5mm+1ppmD，高程精度5mm+2ppmD，D為基線長(zhǎng)度）同步觀測(cè)同組衛(wèi)星。同組有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)均6顆以上，幾何強(qiáng)度因子PDOP小于6，衛(wèi)星地平高度角大于15°，每個(gè)觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度為60分鐘。每時(shí)段觀測(cè)前后各量取天線高一次，讀取至1mm，兩次量高之差不大于3mm，取平均值作為最后天線高。量取天線高為斜高，由軟件自動(dòng)改平。

圖1 寧化城南礦區(qū)E級(jí)GPS控制點(diǎn)分布圖

2.2 內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)基線處理及網(wǎng)平差計(jì)算均采用隨機(jī)處理軟件HDS2003進(jìn)行，由軟件自動(dòng)讀取外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)并自動(dòng)組網(wǎng)。控制網(wǎng)總基線數(shù)36條，參與平差基線36條，基線剔除率0，小于20%。按觀測(cè)時(shí)段組合有同步環(huán)12個(gè)，異步環(huán)19個(gè)，重復(fù)基線7條。

經(jīng)軟件基線向量解算，所有基線均為雙差固定解并參與控制網(wǎng)平差；控制網(wǎng)重復(fù)基線較差最大1.9mm，限差14.0mm；同步環(huán)最弱相對(duì)誤差1.24ppm,限差10.0ppm；環(huán)閉合差最大5.7mm，限差38.0mm；異步環(huán)最弱相對(duì)誤差3.43ppm,限差35.0ppm；環(huán)閉合差最大24.7mm，限差50.0mm，閉合環(huán)各項(xiàng)檢核限差及全長(zhǎng)相對(duì)閉合差均符合《規(guī)范》要求。

在控制網(wǎng)基線處理合格基礎(chǔ)上進(jìn)行E級(jí)網(wǎng)的無(wú)約束平差，無(wú)約束平差由軟件自動(dòng)進(jìn)行，控制網(wǎng)的方差分量因子估值σ2一次性通過(guò)檢驗(yàn)；以兩個(gè)國(guó)家等級(jí)三角點(diǎn)“黃家山”及“老虎窠屋背山”為固定點(diǎn)進(jìn)行控制網(wǎng)的二維約束平差并進(jìn)行高程高程擬合。

控制網(wǎng)三維無(wú)約束平差精度：最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差7.5mm(GPS5)；最大距離相對(duì)中誤差1:106484；控制網(wǎng)二維約束平差的精度：最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差4.1mm(GPS5)；最大距離相對(duì)中誤差1:225850；高程擬合：最大高程擬合改正數(shù)為3.28cm。

按《規(guī)范》規(guī)定，最大距離相對(duì)中誤差應(yīng)小于1/20000，ms即最弱點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于10.0cm，從上述中可知控制網(wǎng)精度符合《規(guī)范》限差要求。

3 工程點(diǎn)定位測(cè)量

礦區(qū)共布設(shè)了1537個(gè)鉆孔，孔深一般在30m內(nèi)，孔徑10cm，鉆孔完工后需定測(cè)其孔口平面坐標(biāo)及高程，為后續(xù)的地質(zhì)圖件編制及儲(chǔ)量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于該礦區(qū)鉆孔數(shù)量較多，工期時(shí)間緊，若采用常規(guī)測(cè)量方法或GPS靜態(tài)定位方法測(cè)量，顯然要花費(fèi)大量時(shí)間，效率低下。為此，結(jié)合礦區(qū)的地形植被，決定鉆孔的定測(cè)采用RTK進(jìn)行。根據(jù)《規(guī)范》要求，鉆孔定測(cè)的平面位置中誤差及高程中誤差分別為圖上0.15mm及1/8等高距，礦區(qū)的實(shí)際用圖（地形圖）比例尺為1:5000，無(wú)疑該精度限差對(duì)一個(gè)孔徑只有10cm的鉆孔是不適宜的。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，RTK測(cè)量的平面點(diǎn)位中誤差優(yōu)于±3cm[3]。

因此，把礦區(qū)的鉆孔定測(cè)精度要求提高到1:2000比例尺地形圖的要求是適宜的，即平面位置中誤差及高程中誤差分別為30cm、25cm。

選用單基準(zhǔn)站架設(shè)天線，并用電臺(tái)無(wú)線通信方式由基準(zhǔn)站向流動(dòng)站發(fā)播差分改正數(shù)。電臺(tái)采用UHF頻段，UHF具有可靠、穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但它的直達(dá)波很難穿透高山、樓房[4]。

3.1 外業(yè)觀測(cè)

（1）由于礦區(qū)已經(jīng)布設(shè)E級(jí)GPS網(wǎng)，根據(jù)E級(jí)網(wǎng)平差后的各GPS點(diǎn)的地心坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的參心坐標(biāo)即80坐標(biāo)即可求出礦區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)。選擇分布均勻并能控制礦區(qū)全域的6個(gè)E級(jí)點(diǎn)參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換4參數(shù)（即X、Y平移、旋轉(zhuǎn)、比例縮放）及高程曲面擬合計(jì)算，轉(zhuǎn)換參數(shù)由RTK數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)手簿的內(nèi)置軟件計(jì)算，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差小于2cm，高程轉(zhuǎn)換殘差小于5cm，符合《RTK規(guī)范》要求。為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性，流動(dòng)站選擇在未參與參數(shù)計(jì)算7個(gè)E級(jí)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得平面坐標(biāo)及高程與原數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，平面坐標(biāo)較差均小于3cm，高程較差均小于5cm，符合《RTK規(guī)范》要求，證明礦區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是正確的。

（2）依然采用中海達(dá)HD-V8雙頻接收機(jī)（動(dòng)態(tài)平面精度10mm+1ppmD，高程精度20mm+1ppmD）進(jìn)行RTK測(cè)量，其中一臺(tái)做基準(zhǔn)站，另外2臺(tái)做流動(dòng)站。每次作業(yè)前都均檢查一個(gè)以上的已知控制點(diǎn)，檢查結(jié)果平面坐標(biāo)較差≤3cm，高程較差≤4cm。在基準(zhǔn)站上的儀器架設(shè)嚴(yán)格對(duì)中、整平，精確量取GPS接收機(jī)天線高，量取兩次，互差小于3mm后，記錄均值，待基準(zhǔn)站開(kāi)始正常發(fā)射信息號(hào)，流動(dòng)站在各鉆孔上接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)及來(lái)自基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)。流動(dòng)站在開(kāi)闊地采用帶圓氣泡的2米對(duì)中桿作業(yè)，接收機(jī)天線姿態(tài)保持垂直（對(duì)中桿放穩(wěn)、放直，圓氣泡居中）；遮擋物較多時(shí)采用帶圓氣泡的5米對(duì)中桿作業(yè)。流動(dòng)站定測(cè)鉆孔的地表中心位置。數(shù)據(jù)采集手簿設(shè)置平面收斂精度為2cm，高程收斂精度為3cm。RTK測(cè)量時(shí)觀測(cè)次數(shù)為2次，每次觀測(cè)歷元數(shù)為10個(gè)；在固定解下2次觀測(cè)值較差平面及高程均分別小于2cm、5cm，取2次觀測(cè)結(jié)果中數(shù)作為最后結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)整理

每天外業(yè)觀測(cè)結(jié)束及時(shí)把RTK存儲(chǔ)手簿中的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，數(shù)據(jù)格式為xls，數(shù)據(jù)記錄項(xiàng)目有流動(dòng)站（鉆孔）的點(diǎn)號(hào)、天線高、觀測(cè)時(shí)間、解的類型、PDOP值、數(shù)據(jù)采集時(shí)的衛(wèi)星數(shù)、平面及高程收斂精度、地心坐標(biāo)、平面坐標(biāo)和高程成果。該數(shù)據(jù)作為原始觀測(cè)記錄存檔保存，不得進(jìn)行人工剔除、修改，以待檢查及驗(yàn)收。由于RTK作業(yè)時(shí)高度自動(dòng)化，遇到的技術(shù)問(wèn)題在外業(yè)階段就已解決，內(nèi)業(yè)基本上不需要人工數(shù)據(jù)處理。礦區(qū)測(cè)量外業(yè)全部結(jié)束后把所有觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總，編排后提交給地質(zhì)項(xiàng)目。

經(jīng)過(guò)對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，鉆孔定測(cè)平面點(diǎn)位中誤差均小于10cm，高程中誤差均小于15cm，符合《規(guī)范》要求。

4 存在問(wèn)題及解決

利用GPS靜態(tài)定位方法進(jìn)行礦區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，只要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，點(diǎn)位選擇合理，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度足夠，內(nèi)業(yè)基線處理及控制網(wǎng)平差均較容易通過(guò)。

該礦區(qū)RTK測(cè)量時(shí)，流動(dòng)站初始化后，一般很快就能得到固定解，但是仍然遇到多個(gè)流動(dòng)站長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法得到固定解，即便得到固定解2次觀測(cè)值較差多在數(shù)十厘米，坐標(biāo)及高程成果相互間跳動(dòng)大、不穩(wěn)定，觀測(cè)結(jié)果顯然是不可靠的，也是不符合規(guī)范要求的。通過(guò)實(shí)地觀察和分析，基本可以找出原因：在開(kāi)闊地帶測(cè)量無(wú)法得到固定解的，往往是周圍有強(qiáng)干擾，導(dǎo)致流動(dòng)站頻繁失鎖甚至掉線；再有就是點(diǎn)位附近植被茂密遮擋，影響了信號(hào)傳播與接收。遇到此類問(wèn)題，解決辦法是重新啟動(dòng)3次接收機(jī)，觀察是否固定解，若固定且測(cè)量較差合乎要求則成果可靠；反之，則表明此處不適合RTK測(cè)量，可在其他位置用RTK測(cè)量布設(shè)一對(duì)圖根控制點(diǎn)，再用全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量孔位。當(dāng)全站儀一站無(wú)法測(cè)量孔位時(shí)，可布設(shè)不超過(guò)3條邊的支導(dǎo)線，導(dǎo)線測(cè)量時(shí)水平角及距離應(yīng)觀測(cè)2測(cè)回，支導(dǎo)線的起算點(diǎn)間距離宜不小于1 0 0 m。

此外，考慮到R T K測(cè)量時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)是獨(dú)立的，點(diǎn)之間沒(méi)有直接關(guān)系，無(wú)法發(fā)現(xiàn)因意外產(chǎn)生的粗差，因此，各項(xiàng)儀器設(shè)置正確、準(zhǔn)確量取接收機(jī)天線高、跟蹤桿在測(cè)點(diǎn)上立準(zhǔn)立穩(wěn)、測(cè)量過(guò)程中時(shí)時(shí)檢核已知點(diǎn)坐標(biāo)及高程尤為重要。需要特別指出的是，采用單基準(zhǔn)站進(jìn)行R T K測(cè)量時(shí)，其測(cè)量精度是受基準(zhǔn)站與流動(dòng)站（待測(cè)點(diǎn)）間距離制約的，距離越長(zhǎng)，可靠性會(huì)越差，特別是高程精度。因此，需嚴(yán)格按規(guī)范要求的距離作業(yè)。當(dāng)然，測(cè)繪人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及工作責(zé)任心也是獲得可靠數(shù)據(jù)的必要條件。

5 結(jié)語(yǔ)

GPS-RTK技術(shù)較傳統(tǒng)經(jīng)典測(cè)量手段相比有了質(zhì)的飛躍，在地質(zhì)勘查測(cè)量中使用GPS-RTK技術(shù)必將提高工作效率及測(cè)量精度。在RTK測(cè)量過(guò)程中，測(cè)繪人員應(yīng)避免有得到RTK固定解就是得到最終成果的錯(cuò)誤思想，而應(yīng)細(xì)心觀察，多檢核，多比較，只有這樣方能獲得精度高可靠性強(qiáng)且符合規(guī)范要求的測(cè)量成果。