GPS-RTK在河南某鉀長(zhǎng)石礦礦區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用

李蓬勃，周 娟，陳傳剛，付明祥，黃德勝

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊(duì)，河南 信陽(yáng) 464000)

在礦山測(cè)量中，傳統(tǒng)的測(cè)量手段在應(yīng)用過(guò)程中很容易受到地形地貌以及氣候條件等方面因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性，而應(yīng)用GPS技術(shù)，受自然因素的影響較小，能夠最大限度的提高測(cè)量的精度和測(cè)量的效率，可以有效保障測(cè)量的成果質(zhì)量[1]。白土坡礦區(qū)面積約2.92km2，在此開(kāi)展的是1∶2000數(shù)字化地形圖測(cè)量，大比例尺地形測(cè)量是一個(gè)較為困難的工程，地形的高度和坡度都將影響測(cè)量的精度，同時(shí)，人工測(cè)量方法也會(huì)直接降低工程效率，增加測(cè)量成本[2]，而采用GPS-RTK技術(shù)，則能有效改善這一弊端， 在提升測(cè)量精準(zhǔn)度的同時(shí)， 彌補(bǔ)常規(guī)測(cè)量作業(yè)效率低、作業(yè)量大等的不足，對(duì)礦區(qū)測(cè)量作業(yè)整體質(zhì)量的提升有著積極意義[3]。

1 測(cè)區(qū)概況

白土坡鉀長(zhǎng)石礦區(qū)位于河南省澠池縣大水溝村，該礦區(qū)屬半干旱大陸氣候區(qū)，夏季炎熱，冬季寒冷，年平均氣溫12.3℃，年平均降雨量664mm，地貌屬低山—丘陵區(qū)，山間溝谷較發(fā)育。最高海拔位于測(cè)區(qū)西北側(cè)山頂，高程1 055m，最低海拔位于測(cè)區(qū)東南部溝底、高程608m，最大相對(duì)高差447m，一般相對(duì)高差在300m左右。區(qū)內(nèi)東部植被不太發(fā)育，基巖大多裸露，西部植被茂密，以灌木為主。礦區(qū)與義馬市區(qū)、澠池縣城均有鄉(xiāng)級(jí)水泥、碎石公路相通，交通條件較為便利。

2 礦區(qū)測(cè)量實(shí)踐

2.1 控制測(cè)量

2.1.1 首級(jí)控制

根據(jù)已有資料，該礦區(qū)控制以賀莊礦區(qū)原有控制點(diǎn)“HZ01”、“HZ02”和普查原有控制點(diǎn)“IX-29”為首級(jí)控制。在首級(jí)控制的基礎(chǔ)上，為滿足礦區(qū)測(cè)圖及工程測(cè)量的需要，加密布設(shè)了5個(gè)I級(jí)控制點(diǎn)，編號(hào)分別為RC01、RC02、RC03、RC04、RC05，控制點(diǎn)均為刻石。

控制測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用經(jīng)鑒定合格的中海達(dá)V30型全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)(儀器標(biāo)稱精度為水平±10mm+1PPM、垂直±20mm+1PPM)。本礦區(qū)收集信號(hào)較差，不宜采用網(wǎng)絡(luò)RTK，觀測(cè)時(shí)采用單基站模式，基站架設(shè)在測(cè)區(qū)附近地勢(shì)較高處，儀器開(kāi)機(jī)初始化后，當(dāng)GPS信號(hào)正常、接收數(shù)據(jù)為固定解狀態(tài)且HRMS≤0.03、VRMS≤0.05時(shí)，以控制點(diǎn)“HZ01”、“HZ02”進(jìn)行約束、用“IX-29”進(jìn)行檢查。經(jīng)檢核礦區(qū)原有的控制網(wǎng)內(nèi)部精度良好(表1)。

表1 原有控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) (單位：m)

2.1.2 加密控制

當(dāng)首級(jí)控制不能滿足地形測(cè)量及礦山詳查階段工程測(cè)量的需要時(shí)，直接在首級(jí)控制點(diǎn)基礎(chǔ)上加密圖根點(diǎn)。圖根點(diǎn)的三維坐標(biāo)觀測(cè)也使用中海達(dá)V30型全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)，采用對(duì)中桿平滑10s觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，直接將圖根點(diǎn)的三維坐標(biāo)儲(chǔ)存在觀測(cè)手簿中。

2.2 地形測(cè)量

為確保測(cè)區(qū)整體精度和按期提交測(cè)繪成果，測(cè)量項(xiàng)目部采用了目前測(cè)繪行業(yè)最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備RTK進(jìn)行碎部點(diǎn)坐標(biāo)采集。采用RTK進(jìn)行測(cè)量，不僅減少了架站的次數(shù)，而且能確保測(cè)區(qū)的整體精度，它的最大優(yōu)點(diǎn)是在施測(cè)的過(guò)程中，借助GPSRTK技術(shù)能直接通過(guò)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站計(jì)算出礦區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的沉降和水平位移情況， 使得作業(yè)流程大幅簡(jiǎn)化， 作業(yè)強(qiáng)度大幅降低[4]?；九c移動(dòng)站之間不需要通視，每一待測(cè)點(diǎn)只需觀測(cè)5s左右就可完成數(shù)據(jù)采集工作，而且能實(shí)時(shí)得出待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

測(cè)圖時(shí)各測(cè)繪組以路、河、山脊等為界，以自然地塊進(jìn)行分塊測(cè)繪。外業(yè)觀測(cè)時(shí)，基站架設(shè)在測(cè)區(qū)內(nèi)海拔較高的地方，確保GPS信號(hào)良好、通訊暢通。儀器開(kāi)機(jī)初始化后，當(dāng)接收數(shù)據(jù)為固定解狀態(tài)且HRMS≤0.03、VRMS≤0.05時(shí)，用已知控制點(diǎn)進(jìn)行較正、檢查。在精度滿足規(guī)范要求后進(jìn)行碎部點(diǎn)三維坐標(biāo)采集，組長(zhǎng)根據(jù)點(diǎn)號(hào)現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖。

野外作業(yè)時(shí)對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)的村莊，以圈范圍的形式進(jìn)行了分塊測(cè)繪，即相連或間距＜2m的房，準(zhǔn)確測(cè)定其外圍邊界，以小比例尺房屋符號(hào)成塊表示，并將名稱標(biāo)注于圖上。測(cè)區(qū)內(nèi)主要道路實(shí)測(cè)其一邊，量取寬度，用雙線表示，對(duì)于寬度＜2m的道路均測(cè)其中心線，用單線小路表示。永久性的電力線、通信線桿準(zhǔn)確測(cè)定其實(shí)際位置，并在桿架處用箭頭繪出線路走向，保證各種線路、線類標(biāo)示分明，走向連貫。對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的池塘、井等均準(zhǔn)確測(cè)繪。陡坎在測(cè)區(qū)占了一定的比例，多分布在水田中，故進(jìn)行了適量的取舍，一般取大舍小。對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的河流均實(shí)測(cè)其河坎位置，用示向箭頭表示其流向。

內(nèi)業(yè)采用CASS7.0數(shù)字成圖軟件進(jìn)行繪圖。該軟件采用AutoCAD2004為操作平臺(tái)，軟件系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)大、適應(yīng)面廣、性能穩(wěn)定。把野外觀測(cè)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)從GPS手簿中拷貝到電腦上，在成圖軟件中把坐標(biāo)展繪出來(lái)，根據(jù)外業(yè)草圖和點(diǎn)號(hào)，選擇相應(yīng)的地形圖圖式符號(hào)在電腦上繪制平面圖。內(nèi)業(yè)成圖時(shí)各測(cè)繪組之間互相協(xié)商，相同的地物均采用相同的線性符號(hào)、相同的圖層，使圖面整潔一致，繪制的地形圖見(jiàn)圖1。

圖1 河南澠池白土坡礦區(qū)陶瓷用鉀長(zhǎng)石砂巖礦地形圖

2.3 工程測(cè)量

2.3.1 剖面測(cè)量

根據(jù)地質(zhì)技術(shù)人員提供的設(shè)計(jì)剖面資料，室內(nèi)在電腦中用繪圖軟件提取設(shè)計(jì)剖面線首尾兩點(diǎn)的坐標(biāo)。然后利用RTK中自帶的線放樣程序，把各剖面點(diǎn)在實(shí)地測(cè)放出來(lái)，并做好標(biāo)注和記錄。剖面點(diǎn)位置確定后，利用RTK自帶的坐標(biāo)采集功能測(cè)定其三維坐標(biāo)，并將坐標(biāo)值儲(chǔ)存在RTK手簿中。內(nèi)業(yè)時(shí)，將RTK手簿中各剖面點(diǎn)的三維坐標(biāo)拷貝到電腦中，在電腦中采用專業(yè)成圖軟件將各剖面點(diǎn)展繪出來(lái)，然后在電腦中直接量取各剖面點(diǎn)到起算點(diǎn)的水平距離及高差。相鄰剖面線的間距為400m。本次作業(yè)共施測(cè)剖面10條，共7 554m。

剖面線圖以IV線為例(圖2)。剖面線從平面和側(cè)面兩個(gè)角度在后期方便地質(zhì)人員在地形圖上圈定地質(zhì)界線和地質(zhì)礦床。

圖2 測(cè)區(qū)剖面線圖

2.3.2 地質(zhì)點(diǎn)測(cè)量

使用RTK，經(jīng)過(guò)初始化、坐標(biāo)校正、控制點(diǎn)坐標(biāo)檢核后，按照RTK自帶的數(shù)據(jù)采集程序，對(duì)地質(zhì)技術(shù)人員確定的地質(zhì)點(diǎn)的三維坐標(biāo)逐一進(jìn)行測(cè)定；地質(zhì)點(diǎn)由專人負(fù)責(zé)做標(biāo)記，地質(zhì)技術(shù)人員跟隨記錄各點(diǎn)的相關(guān)信息。

3 應(yīng)用GPS-RTK注意的問(wèn)題

GPS-RTK技術(shù)的特點(diǎn)在于穩(wěn)定性以及操作性強(qiáng)，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，適用范圍也比較寬[5]，但是在應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)注意以下問(wèn)題。

(1)使用GPS-RTK技術(shù)作業(yè)時(shí)，需要對(duì)測(cè)區(qū)的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行全面掌握，盡量避開(kāi)衛(wèi)星信號(hào)被遮擋、電磁干擾嚴(yán)重或電臺(tái)無(wú)線電傳輸被制約等地方，防止測(cè)量數(shù)據(jù)獲取不正常[6]。本次測(cè)量任務(wù)前，經(jīng)作業(yè)員實(shí)地調(diào)研，掌握了測(cè)區(qū)的作業(yè)環(huán)境。

(2)基準(zhǔn)站的選取是GPS-RTK測(cè)量作業(yè)得以達(dá)成的關(guān)鍵， 合理的站點(diǎn)選擇不僅能提升測(cè)量精確度還能大幅提升作業(yè)效率， 減少作業(yè)耗時(shí)[7]?；鶞?zhǔn)站電臺(tái)的天線應(yīng)架設(shè)在GPS接收機(jī)主機(jī)的北方以避開(kāi)南北極附近衛(wèi)星的空洞區(qū)[8]，必須同時(shí)聯(lián)系跟蹤4顆以上衛(wèi)星，測(cè)量過(guò)程中不能對(duì)衛(wèi)星失鎖，否則重新初始化。因此，選擇地勢(shì)高且穩(wěn)固、開(kāi)闊、交通便利的地方，利于電臺(tái)的作用距離，確保差分信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，方便基站的架設(shè)和搬運(yùn)。完成一個(gè)點(diǎn)的全部觀測(cè)任務(wù)，并確保作業(yè)項(xiàng)目完全符合要求，記錄和資料完整無(wú)誤，再將點(diǎn)位標(biāo)志恢復(fù)原狀態(tài)才可進(jìn)行遷站。需要說(shuō)明的是，流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的距離應(yīng)＜10km，當(dāng)距離＞50km，誤差的相關(guān)性大大減少，以致差分后殘差很大，求解精度降低[9]。本次外業(yè)觀測(cè)時(shí)，基站架設(shè)在測(cè)區(qū)內(nèi)海拔較高的地方，確保GPS信號(hào)良好、通訊暢通。

(3)一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致地質(zhì)勘查結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重誤差的首要因素是人為操作不當(dāng)或者是人為技術(shù)問(wèn)題，因此，GPS-RTK技術(shù)對(duì)人員的要求是十分嚴(yán)格的，尤其是對(duì)核心的測(cè)繪人員來(lái)說(shuō)，更應(yīng)該避免誤差的出現(xiàn)[2]。在作業(yè)前，作業(yè)員要保證電瓶電量充足、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備有足夠的存儲(chǔ)空間、保持接收機(jī)天線要垂直，等屏幕上顯示固定解后再記錄數(shù)據(jù)[10]，作業(yè)員應(yīng)嚴(yán)密注意儀器的警告信息，及時(shí)匯報(bào)和處理各種特殊情況。此次作業(yè)，選取的測(cè)量員經(jīng)驗(yàn)豐富，多次參與礦山測(cè)量工作。

4 結(jié)語(yǔ)

利用GPS-RTK，將GPS與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，完成了河南澠池白土坡礦區(qū)1∶2000數(shù)字化地形測(cè)量、剖面線測(cè)量及礦山詳查等工作。該技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在1～2s時(shí)間內(nèi)得到高精度位置信息，其工作效率是傳統(tǒng)作業(yè)方法的3倍以上，加快了礦山勘查進(jìn)程；其精度也為地質(zhì)技術(shù)人員勘查礦山提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)地質(zhì)勘查，白土坡礦床是河南省境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的沉積型鉀長(zhǎng)石礦床，屬于新的成因類型，在國(guó)內(nèi)也是少見(jiàn)的礦床類型[11]，作為省稀少礦種重點(diǎn)項(xiàng)目，本文選擇以此礦區(qū)測(cè)量為例，具有代表性，通過(guò)對(duì)礦區(qū)的測(cè)量實(shí)踐，探討了應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)注意的問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)礦山測(cè)量工作提供借鑒。