礦山控制測(cè)量中虛擬參考站(VRS)技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)

殷德耀，白傳飛，董俞雪

( 1. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016 ；2. 河南省有色金屬礦產(chǎn)探測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016 )

0 引言

隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字礦山”、“三維礦山”在地質(zhì)找礦中發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯，近年來(lái)地質(zhì)行業(yè)對(duì)礦山測(cè)繪的精度要求和效率要求也越來(lái)越高。

VRS(Virtual Reference Stations)技術(shù)是現(xiàn)階段最新的GPS定位技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的一種，其主要特點(diǎn)是精度高、定位快、成本低、覆蓋范圍廣。VRS技術(shù)采用了最先進(jìn)的多基站網(wǎng)絡(luò)RTK算法模式，代表了繼常規(guī)RTK技術(shù)之后新興的定位技術(shù)發(fā)展方向[1-2]。隨著VRS技術(shù)在國(guó)內(nèi)各類工程建設(shè)項(xiàng)目中的普遍應(yīng)用和移動(dòng)通訊服務(wù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其在礦山測(cè)量中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1 VRS系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

VRS技術(shù)(虛擬參考站技術(shù))是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的代表。VRS系統(tǒng)集GPS、Internet、無(wú)線通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)于一身，是由若干個(gè)(3個(gè)以上)連續(xù)運(yùn)行的GPS基準(zhǔn)站和1個(gè)GPS網(wǎng)絡(luò)控制中心構(gòu)成的系統(tǒng)集成[3]。

1.1 VRS系統(tǒng)構(gòu)成

VRS的系統(tǒng)構(gòu)成由GPS固定基準(zhǔn)站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、GPS網(wǎng)絡(luò)控制中心系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)等5個(gè)部分組成[4]。

1.2 VRS工作原理

VRS技術(shù)是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的GPS多參考站系統(tǒng)，參考站的個(gè)數(shù)至少為3個(gè)或3個(gè)以上，其工作原理見圖1。

由圖1可見，VRS系統(tǒng)中控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的中心，它既是通訊控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心[5]。它通過通訊線(光纜、ISDN、電話線)與所有的固定參考站通訊，接受固定參考站發(fā)來(lái)的所有原始數(shù)據(jù)(Raw Data)，也接受從流動(dòng)站發(fā)來(lái)的概略坐標(biāo)，然后根據(jù)用戶位置，自動(dòng)選擇最佳的一組固定站數(shù)據(jù)，整體改正GPS軌道誤差、電離層、對(duì)流層和大氣折射引起的誤差，將經(jīng)過改正后的高精度的RTCM差分信號(hào)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(GMS、CDMA、GPRS等)發(fā)送給用戶，與移動(dòng)用戶通訊[6]。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在移動(dòng)站旁邊，生成一個(gè)不存在的對(duì)應(yīng)流動(dòng)站概略位置的虛擬參考站，之后將該虛擬參考站的改正數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶所在的流動(dòng)站，流動(dòng)站綜合自身的觀測(cè)數(shù)據(jù)即解算出自己所在位置的精確坐標(biāo)[7]。

圖1 VRS工作原理圖

2 工作實(shí)例

2.1 工程概況

河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣雁嶺石墨礦位于內(nèi)鄉(xiāng)縣城板場(chǎng)鄉(xiāng)，礦區(qū)屬秦嶺東延部分的伏牛山區(qū)，礦床大地構(gòu)造上位于秦嶺褶皺系的隆起區(qū)，山勢(shì)陡峻，植被發(fā)育茂盛。該項(xiàng)目前期為河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局地質(zhì)普查項(xiàng)目(ys2013-03)，現(xiàn)為河南省財(cái)政地質(zhì)勘查項(xiàng)目(豫自然資發(fā)〔2019〕22號(hào))。

項(xiàng)目前期基礎(chǔ)工作主要為礦區(qū)控制測(cè)量工作，工期緊，精度要求高。本次通過VRS技術(shù)布設(shè)礦區(qū)加密控制網(wǎng)，以滿足工程測(cè)量和地形測(cè)圖的需要。

2.2 工作流程簡(jiǎn)述

1)通過實(shí)地踏勘，確認(rèn)收集到的已知控制點(diǎn)實(shí)地沒有發(fā)生沉降和位移，可以作為檢測(cè)點(diǎn)使用，同時(shí)檢查使用的儀器設(shè)備是否經(jīng)過檢校，其精度指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)范要求。

2)在礦區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)加密控制點(diǎn)(圖根點(diǎn))，同時(shí)設(shè)置正確的工地參數(shù)。

3)對(duì)已知控制點(diǎn)全部進(jìn)行重合檢測(cè)(事前檢查)。

4)采用VRS技術(shù)對(duì)部分礦區(qū)控制點(diǎn)(待求點(diǎn))進(jìn)行觀測(cè)。

5)對(duì)部分礦區(qū)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)(事中檢查)。

6)完成所有的控制點(diǎn)觀測(cè)。

7)對(duì)部分控制點(diǎn)邊長(zhǎng)進(jìn)行邊長(zhǎng)檢查(事后檢查)。

8)提交最終成果。

工作流程詳見圖2。

圖2 VRS礦區(qū)控制測(cè)量工作流程圖Fig.2 Flow chart of VRS control measurement in ther mining area

2.3 選點(diǎn)情況

礦區(qū)控制點(diǎn)的布設(shè)綜合考慮后期發(fā)展的需要，一般選在山頭、山梁或硬化道路上，并注意避開了高大茂密的林區(qū)、狹長(zhǎng)的深溝、大功率高壓電線、電塔、通訊設(shè)施、陡峭的懸崖和大面積水域(水庫(kù))等。最終通過埋石、刻石等手段共布設(shè)了T001……T048共計(jì)48個(gè)加密控制點(diǎn)，大部分控制點(diǎn)之間保持相互通視。具體布點(diǎn)情況詳見圖3。

圖3 VRS控制點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution map of VRS controlling points1—礦區(qū)范圍線 2—已知控制點(diǎn) 3—已知控制點(diǎn) 4—圖根控制點(diǎn)

2.4 已知控制點(diǎn)重合檢測(cè)

將中海達(dá)GPS接收機(jī)通過對(duì)中、整平安置在已知控制點(diǎn)上，并量取天線高3次，取中數(shù)輸入控制器中，經(jīng)過儀器調(diào)試和測(cè)區(qū)參數(shù)配置，啟動(dòng)GPS-VRS系統(tǒng)，開啟VRS測(cè)量模式后首先用GPRS或CDMA等無(wú)線上網(wǎng)方式聯(lián)接參考站，聯(lián)接成功后，RTK獲得固定解且處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，連續(xù)觀測(cè)3次，取其中數(shù)作為最終成果。

2.4.1 檢測(cè)結(jié)果

本次對(duì)6個(gè)已知GPS控制點(diǎn)采用VRS技術(shù)實(shí)測(cè)其坐標(biāo)和高程，并與已知點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，其結(jié)果詳見表1。

2.4.2 精度評(píng)定

由于VRS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過程屬于參考站和流動(dòng)站之間的基準(zhǔn)向量的解算過程，不存在網(wǎng)平差處理，因此其成果質(zhì)量主要體現(xiàn)在載波相位的整周模糊度未知數(shù)解算是否得到固定解以及平面、高程的定位精度是否達(dá)到規(guī)范要求。

本次作業(yè)過程中均為固定解狀態(tài)，根據(jù)表1中各測(cè)站的ΔX、ΔY，利用公式(1)可以求得每一點(diǎn)的點(diǎn)位誤差ΔS：

(1)

式(1)中，ΔS為點(diǎn)位誤差，ΔX、ΔY分別為縱軸、橫軸方向上誤差。

根據(jù)各點(diǎn)的點(diǎn)位誤差和公式(2)可以計(jì)算出本次采用VRS技術(shù)進(jìn)行重合點(diǎn)檢測(cè)的點(diǎn)位中誤差M檢ΔS為±0.020 m。

(2)

式(2)中，M檢ΔS為點(diǎn)位中誤差，[ΔSΔS]為各點(diǎn)點(diǎn)位誤差平方和，n為點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)表1中各點(diǎn)ΔH和公式(3)可以計(jì)算出本次采用VRS技術(shù)進(jìn)行重合點(diǎn)檢測(cè)的高程中誤差M檢ΔH為±0.025 m。

(3)

式(3)中，[ΔHΔH]為各點(diǎn)高程較差平方和，n為點(diǎn)數(shù)。

2.4.3 誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1中的ΔX、ΔY，利用公式(1)可以求得各重合點(diǎn)的點(diǎn)位誤差ΔS，并結(jié)合各測(cè)站的ΔH，按分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表2。

表1 已知控制點(diǎn)重合檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of coincidence detection results of known control points

表2 已知控制點(diǎn)檢測(cè)誤差分布統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of detection error distribution of known control points

2.5 加密控制測(cè)量

GPS測(cè)量定位精度與衛(wèi)星運(yùn)行和空間分布有直接的關(guān)系[8]，所以控制測(cè)量工作開始前對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行了預(yù)估，選擇適宜時(shí)間作業(yè)，可以達(dá)到更好的效果。本次采用了2000坐標(biāo)系統(tǒng)，所以直接測(cè)量即可。

如前所述，安置整平儀器、聯(lián)接參考站，待RTK獲得穩(wěn)定的固定解以后，對(duì)每一控制點(diǎn)采集不少于5 min的坐標(biāo)數(shù)據(jù)3次，取中數(shù)作為最終成果。本次完成了T001……T048共計(jì)48個(gè)點(diǎn)的控制測(cè)量工作，其點(diǎn)位分布情況詳見圖3。

2.6 控制點(diǎn)復(fù)測(cè)及邊長(zhǎng)檢查

為了更進(jìn)一步分析和探討本次VRS技術(shù)采集礦區(qū)控制點(diǎn)的可靠性，同時(shí)也為了保證成果質(zhì)量，更好地服務(wù)于地質(zhì)工程測(cè)量及后期地形測(cè)圖工作，本次控制測(cè)量成果在使用前還要對(duì)部分控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，即利用VRS技術(shù)在不同的時(shí)間段對(duì)部分控制點(diǎn)的坐標(biāo)及高程進(jìn)行復(fù)測(cè)。之后使用2″級(jí)以上全站儀對(duì)相互通視的控制點(diǎn)進(jìn)行邊長(zhǎng)檢查。

2.6.1 控制點(diǎn)復(fù)測(cè)

2.6.1.1 復(fù)測(cè)結(jié)果

本次對(duì)25個(gè)加密控制點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)測(cè)，并與前期采集完成的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比，其結(jié)果祥見表3。

2.6.1.2 精度評(píng)定

根據(jù)表3中各測(cè)站的ΔX、ΔY，利用公式(1)可以求得每一點(diǎn)的點(diǎn)位誤差ΔS。

根據(jù)各點(diǎn)的ΔS，利用公式(2)可以計(jì)算出本次采用VRS技術(shù)進(jìn)行控制點(diǎn)復(fù)測(cè)的點(diǎn)位中誤差M復(fù)ΔS為±0.024 m。

根據(jù)各點(diǎn)前后兩次測(cè)量的高程較差ΔH，利用公式(3)可以計(jì)算出本次采用VRS技術(shù)進(jìn)行控制點(diǎn)復(fù)測(cè)的高程中誤差M復(fù)ΔS為±0.030 m。

2.6.1.3 誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表3中的ΔX、ΔY，利用式(1)可以求得各復(fù)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差ΔS，并按其分布范圍和高差分布范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳見表4。

表3 VRS控制點(diǎn)復(fù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical table of remeasured results of VRS control points

表4 VRS控制點(diǎn)復(fù)測(cè)誤差分布統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of remeasured error distribution of VRS control points

2.6.2 邊長(zhǎng)檢查

2.6.2.1 檢查結(jié)果

本次使用檢校后的2″級(jí)徠卡全站儀TC402對(duì)21對(duì)相互通識(shí)的控制點(diǎn)進(jìn)行了邊長(zhǎng)檢查，同時(shí)采用正倒法往返觀測(cè)被檢查的21對(duì)控制點(diǎn)之間的高差，并與前期利用VRS技術(shù)采集完成的這些控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比，其結(jié)果詳見表5。

2.6.2.2 精度評(píng)定

根據(jù)表5中利用VRS技術(shù)獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)反算的邊長(zhǎng)與全站儀實(shí)測(cè)的邊長(zhǎng)之差ΔL，利用公式(4)可以求得本次邊長(zhǎng)檢查的邊長(zhǎng)較差中誤差M邊ΔL為±0.024 m。

(4)

式(4)中，[ΔLΔL]為各邊較差平方和，n為點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)各條邊上每一對(duì)控制點(diǎn)之間的高差與全站儀測(cè)定的高差之差ΔΔH，利用式(5)可以計(jì)算出本次采用VRS技術(shù)測(cè)定的高差與使用全站儀測(cè)定的高差較差中誤差MΔΔH為±0.032m。

(5)

式(5)中，[ΔΔHΔΔH]為高差較差平方和，n為點(diǎn)數(shù)。

2.6.2.3 誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表5中的ΔL、ΔH和各邊的相對(duì)誤差1/d，并按其分布范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳見表6。

表5 VRS控制點(diǎn)邊長(zhǎng)、高差檢查結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical table of side length and height difference inspection results of VRS control points

表6 VRS控制點(diǎn)邊長(zhǎng)、高差誤差分布統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of side length and height difference error distribution of VRS control points

2.7 精度分析

采用VRS技術(shù)所布設(shè)的控制網(wǎng)，不是嚴(yán)格意義上邊與邊聯(lián)結(jié)的控制網(wǎng)，點(diǎn)與點(diǎn)之間不存在基線向量解算，所以一般認(rèn)為，VRS的定位精度即為這種“點(diǎn)對(duì)式控制網(wǎng)”的精度。在本次已知控制點(diǎn)檢測(cè)、復(fù)測(cè)和邊長(zhǎng)檢測(cè)中點(diǎn)位中誤差或邊長(zhǎng)中誤差分別為±2 cm、±2.4 cm、±2.4 cm；高程(或高差)中誤差分別為±2.5 cm、±3.2 cm、±3.4 cm，說(shuō)明采用VRS技術(shù)獲取的絕大多數(shù)控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差均在3 cm以內(nèi)。其中，已知控制點(diǎn)檢測(cè)共涉及6個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的100%，檢測(cè)結(jié)果顯示，縱橫軸平面誤差2 cm以內(nèi)的占67%，3 cm以內(nèi)的占100%，高程誤差2 cm以內(nèi)的占34%，3 cm以內(nèi)的占84%；控制點(diǎn)復(fù)測(cè)共涉及25個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的52.1%，結(jié)果顯示，縱橫軸平面誤差2 cm以內(nèi)的占52%，3 cm以內(nèi)的占88%，高程誤差3 cm以內(nèi)的占56%，4 cm以內(nèi)的占88%；控制點(diǎn)邊長(zhǎng)檢查共涉及21條邊、42個(gè)點(diǎn)，占總點(diǎn)數(shù)的87.5%，結(jié)果顯示，邊長(zhǎng)較差2 cm以內(nèi)的占38.1%，3 cm以內(nèi)的占81%，邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/100 00至1/200 00的占72%以上，高程誤差3 cm以內(nèi)的占38.1%，4 cm以內(nèi)的占81%。

通過上述分析，本次采用VRS技術(shù)開展礦山控制測(cè)量工作，平面精度約為2 cm、高程精度約為3 cm，滿足一級(jí)GPS控制網(wǎng)的精度要求和礦山大比例地形測(cè)圖(如1∶500)高程誤差不低于基本等高距(0.5 m)1/10的精度要求，因此，約2 cm的定位精度和約3 cm的高程精度足以滿足礦山控制測(cè)量的精度要求和礦山地質(zhì)工作中如鉆孔、鉆井、探槽、探井、坑道以及勘探線測(cè)量等工作的需要。

2.8 技術(shù)方法改進(jìn)

VRS技術(shù)與常規(guī)GPS-RTK測(cè)量一樣，外部觀測(cè)條件對(duì)其定位精度影響較大，其主要影響有氣象、氣壓、溫度、地形、衛(wèi)星分布和人為操作等方面的影響，所以在本次控制測(cè)量中采用以下改進(jìn)措施抵消或者減弱了外部條件的影響，提高了成果質(zhì)量：

1)選擇衛(wèi)星分布狀態(tài)最佳時(shí)開始觀測(cè)。

2)保證控制點(diǎn)點(diǎn)位選在空曠開闊并遠(yuǎn)離電力、電信設(shè)施和大面積水域。

3)控制點(diǎn)觀測(cè)時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行兩次初始化，最終取加權(quán)平均值作為最終成果，提高了質(zhì)量精度。

4)在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，盡量保證點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離大于200 m，避免短邊產(chǎn)生較大的誤差。

5)采用事前(控制點(diǎn)檢測(cè))、事中(控制點(diǎn)復(fù)測(cè))、事后(邊長(zhǎng)檢查)多次檢測(cè)、檢查的技術(shù)方法，保證了最終成果的質(zhì)量。

通過上述技術(shù)改進(jìn)，提高了測(cè)量精度，加快了工作速度，保證了最終成果的可靠性。由此可以設(shè)想，在未來(lái)的城市規(guī)劃、市政建設(shè)、礦山建設(shè)、國(guó)土測(cè)繪、交通管理、以及環(huán)保、農(nóng)業(yè)等所有野外勘測(cè)工作中，VRS技術(shù)將不斷得到更廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

綜上，VRS技術(shù)具有以下巨大優(yōu)勢(shì)：

1)測(cè)量精度高。采用VRS技術(shù)沒有誤差積累，精度均勻，其誤差不會(huì)隨著移動(dòng)站與基準(zhǔn)站距離的增加而增大。

2)可靠性強(qiáng)。VRS技術(shù)采用的是多參考站聯(lián)合數(shù)據(jù)，在其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制范圍內(nèi)始終保持約2 cm的定位精度，可靠性更強(qiáng)。

3)工作效率高。VRS技術(shù)操作簡(jiǎn)便，不用架設(shè)基站，移動(dòng)站作業(yè)員可以快速、實(shí)時(shí)地獲取目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，內(nèi)外業(yè)工作量小，節(jié)省了大量人力物力。

4)覆蓋范圍大。VRS厘米級(jí)模式下邊長(zhǎng)可達(dá)70 km以上，覆蓋面積數(shù)千平方千米。

因此，在顧及氣象、氣壓等外部環(huán)境影響的同時(shí)，對(duì)VRS技術(shù)方法加以改進(jìn)，在礦山控制測(cè)量中采用VRS技術(shù)不僅切實(shí)可行，而且精度高、效率高、質(zhì)量可靠。