GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用分析

趙 浩

（商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司，陜西 商洛 726000）

地質(zhì)勘查是很多行業(yè)開展工作的必要過(guò)程，利用傳統(tǒng)方法對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘查時(shí)，需要在勘查范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)控制點(diǎn)，基于這些控制點(diǎn)開展相關(guān)的勘查工作[1]。為順利地開展地質(zhì)勘查工作，所設(shè)置的控制點(diǎn)必須滿足很好的通視條件要求，且需要在規(guī)定的氣候條件和時(shí)間范圍內(nèi)開展地質(zhì)勘查工作，其勘查條件相對(duì)苛刻，對(duì)地質(zhì)勘查工作的質(zhì)量和效率造成一定的制約，無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)高效率的勘查需求[2]，導(dǎo)致特殊情況下需要對(duì)樹木進(jìn)行砍伐，破壞環(huán)境?？傮w而言，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查方法存在效率低、費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。在此背景下，人們將GPS-RTK測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)勘查工作中，顯著提升地質(zhì)勘查工作的質(zhì)量和效率，取得很好的實(shí)踐應(yīng)用效果[3]。本文主要分析地質(zhì)勘查工作中GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用情況，對(duì)于提升地質(zhì)勘查質(zhì)量和效果具有一定的實(shí)踐意義。

1 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)工作原理和流程

1.1 基本工作原理分析

GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)總共由三大部分構(gòu)成，分別為通信系統(tǒng)、基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，其中基準(zhǔn)站和流動(dòng)站中均需要配備一個(gè)GPS接收機(jī)，因此，測(cè)量系統(tǒng)配備兩個(gè)以上的接收機(jī)。如圖1所示為GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的基本工作原理示意圖。GPS主機(jī)的作用是不斷地監(jiān)測(cè)可見(jiàn)的衛(wèi)星?；鶞?zhǔn)站獲得的信號(hào)通過(guò)發(fā)射電臺(tái)傳輸給無(wú)線電設(shè)備，再將其傳輸至用戶站。流動(dòng)站一方面接受自身接收機(jī)所采集到的信號(hào)，同時(shí)接收基準(zhǔn)站發(fā)射出來(lái)的衛(wèi)星信號(hào)。移動(dòng)站接收到以上數(shù)據(jù)信息后，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初步的分析整理，將分析整理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行深入地分析和計(jì)算。控制器分類所有的數(shù)據(jù)信息，辨別哪些信息是基準(zhǔn)站接收的信息，哪些信息是從外部傳入的信息?；趦煞N數(shù)據(jù)之間的差別，計(jì)算得到流動(dòng)站與基準(zhǔn)站中間的距離，從而達(dá)到測(cè)繪的目的。

圖1 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)原理圖

1.2 測(cè)量工作流程

（1）測(cè)量前的準(zhǔn)備工作。正式開展GPS-RTK測(cè)量之前，對(duì)待測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地勘查，分析待勘查的地形特點(diǎn)，分析前期設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)是否合適。通常情況下將高度截止角設(shè)置成10°，流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的采樣頻率分別設(shè)置為4.5s和1.5s。在軟件中設(shè)置好放樣點(diǎn)的線路及其具體坐標(biāo)。

（2）工作區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算?；贕PS-RTK測(cè)量技術(shù)的坐標(biāo)系和地質(zhì)勘查的坐標(biāo)系存在差異，其中前者采用的是WGS-84坐標(biāo)系，后者采用的是標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。需要對(duì)兩個(gè)坐標(biāo)系中的參數(shù)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換?；贕PS-RTK測(cè)量技術(shù)獲得的是該坐標(biāo)體系中的坐標(biāo)數(shù)值，需要基于內(nèi)置的算法將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)變成為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。該參數(shù)轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)非常重要，其直接對(duì)地質(zhì)勘查結(jié)果的質(zhì)量和精度造成影響。

（3）基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置與測(cè)量。為確保測(cè)量過(guò)程的效率及測(cè)量結(jié)果的精度，在選擇基準(zhǔn)站時(shí)必須遵循相關(guān)的原則，主要包含以下幾點(diǎn)：第一，基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)應(yīng)該容易測(cè)量或者直接設(shè)置在已知坐標(biāo)上；第二，優(yōu)先將基準(zhǔn)站設(shè)置在干擾量少、地勢(shì)高、交通便利等位置，這樣可以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，方便后續(xù)工作的開展；第三，為避免數(shù)據(jù)鏈在進(jìn)行無(wú)線傳輸時(shí)發(fā)生丟失或者產(chǎn)生多路徑效應(yīng)等問(wèn)題，在基準(zhǔn)站周邊200m范圍內(nèi)不得出現(xiàn)干擾源，且附近范圍內(nèi)不要出現(xiàn)GPS反射源；第四，考慮到衛(wèi)星的實(shí)際工作情況，在設(shè)置基準(zhǔn)站天線時(shí)，將其設(shè)置在GPS接收機(jī)的北側(cè)位置。

2 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

地質(zhì)勘查是一項(xiàng)非常系統(tǒng)和復(fù)雜的工程項(xiàng)目，需要開展鉆探、測(cè)繪、采樣測(cè)試等一系列工作，對(duì)勘查區(qū)域內(nèi)的礦產(chǎn)情況、巖石情況、地層構(gòu)造情況、地下水情況等進(jìn)行全面系統(tǒng)地調(diào)查研究。其中很多工作都可以利用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)來(lái)完成，通過(guò)該技術(shù)提升測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量和效率。以下簡(jiǎn)要分析地質(zhì)勘查工作中GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用情況。

2.1 地形測(cè)量

所謂地形測(cè)量就是通過(guò)專業(yè)的測(cè)量?jī)x器和工具，測(cè)量地面上的一些特殊位置，獲得重要位置的標(biāo)高等信息，并按照一定的比例對(duì)圖形進(jìn)行縮小，用特殊符號(hào)標(biāo)記地面上的物體。以往主要是利用全站儀測(cè)量法對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量，這種方法受透視條件的限制，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，且在地形測(cè)量中不斷地移動(dòng)儀器設(shè)備，測(cè)量過(guò)程需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間和大量的人力?；贕PS-RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只需要在測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置好坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。利用該系統(tǒng)同時(shí)對(duì)不同區(qū)域開展測(cè)量工作，使勘查不受通視條件限制，顯著提升測(cè)量過(guò)程效率和質(zhì)量，同時(shí)，降低人工成本。

2.2 地質(zhì)填圖

地質(zhì)填圖是地質(zhì)勘查工作中的重要組成部分，主要是基于地質(zhì)學(xué)方法對(duì)勘查區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況包括泉、井等進(jìn)行觀察和測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果編制成地質(zhì)圖或相關(guān)文件。以往的測(cè)量主要是基于GPS技術(shù)開展靜態(tài)觀測(cè)，持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間才能得到每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的結(jié)果，并且，觀測(cè)點(diǎn)分布密度會(huì)對(duì)最終結(jié)果精度產(chǎn)生直接影響，整個(gè)測(cè)量過(guò)程非常耗時(shí)。而基于GPS-RTK測(cè)量技術(shù)開展地質(zhì)填圖工作時(shí)，只要基準(zhǔn)站的位置設(shè)置合理，可以對(duì)大面積區(qū)域開展測(cè)量工作，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。測(cè)量人員可以利用特殊的交通工具攜帶流動(dòng)站依次對(duì)不同的測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，可以直接使用。

2.3 勘探線剖面測(cè)量

在開展地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作時(shí)，通常需要布設(shè)勘探線。工作人員首先在地圖上標(biāo)定勘探線的位置和方向，然后在實(shí)際地形中根據(jù)地圖標(biāo)記結(jié)果，沿著勘探線開展礦產(chǎn)勘查工作。以往的勘探線剖面測(cè)量方法主要是在勘探線上設(shè)置控制點(diǎn)，在這些控制點(diǎn)上設(shè)置全站儀開展測(cè)量工作。這種測(cè)量方法不僅得到的測(cè)量結(jié)果質(zhì)量低，誤差較高，且工作效率低?；贕PS-RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)勘探線剖面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不會(huì)受到通視條件的影響，整個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量，降低人為操作時(shí)產(chǎn)生的誤差。測(cè)量精度與傳統(tǒng)方法的勘查效果相比較，其提升的效果明顯。

2.4 放樣

在對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘查時(shí)，需要在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行鉆孔取樣，并對(duì)巖石進(jìn)行分析，從而獲得勘查區(qū)域的地質(zhì)情況。基于GPS-RTK技術(shù)來(lái)完成放樣工作，比傳統(tǒng)方法效果更好。比如，某新建的煤礦需要對(duì)回風(fēng)井井筒附近的地質(zhì)情況進(jìn)行檢查，在煤礦人員提供的回風(fēng)井相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，利用GPS-RTK技術(shù)在井口附近完成了放樣工作，其中鉆孔位置距離井口約10m～25m。以上放樣工作全部由系統(tǒng)自動(dòng)化完成，工作效率高。

3 應(yīng)用案例分析

根據(jù)實(shí)際工作要求，需要對(duì)某礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘查，需要勘查的面積大約為1km2，勘查區(qū)域交通情況便利，屬于山區(qū)的中部位置，但山區(qū)地勢(shì)不高。通過(guò)前期調(diào)研，勘察發(fā)現(xiàn)礦區(qū)整體上呈現(xiàn)出“V”字型的溝谷發(fā)育，平均坡度達(dá)到25°，且地面上生長(zhǎng)有很多毛竹植物。河床標(biāo)高、最高海拔標(biāo)高以及地勢(shì)比高分別為200m、450m和350m。

在整個(gè)勘查范圍內(nèi)設(shè)置三個(gè)GPS點(diǎn)，將這些點(diǎn)全部設(shè)置為控制點(diǎn)，將其中1個(gè)控制點(diǎn)設(shè)置成為基準(zhǔn)站。利用流動(dòng)站對(duì)WGS-84坐標(biāo)體系中的平面坐標(biāo)和大地高坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)變成為普通坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)值。整個(gè)測(cè)量過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)開展。巷道、槽探端點(diǎn)和地質(zhì)關(guān)點(diǎn)的放樣鉆孔測(cè)量，利用GPS-RTK技術(shù)在以上測(cè)量區(qū)域內(nèi)生成鉆孔放樣點(diǎn)，獲得鉆孔點(diǎn)后基于全站儀開展鉆孔測(cè)量工作。整個(gè)放樣鉆孔過(guò)程嚴(yán)格按照初測(cè)、復(fù)測(cè)和終測(cè)的流程執(zhí)行。

測(cè)量精度檢測(cè)：驗(yàn)證基于GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)精度和有效性，在本案例中基于三種不同的方式對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘查，對(duì)比分析檢測(cè)精度。第一，選取三個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)站這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，獲得數(shù)據(jù)后將其與已知坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析；第二，在相同已知點(diǎn)上，在不同時(shí)間段對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，獲得檢測(cè)結(jié)果，分析不同測(cè)量時(shí)間對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度的影響，共計(jì)進(jìn)行23次測(cè)量工作；第三，利用傳統(tǒng)的測(cè)量工具對(duì)兩個(gè)相鄰控制點(diǎn)之間的高度差值以及距離進(jìn)行檢測(cè)，將其與基于GPS-RTK的測(cè)量技術(shù)獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，共計(jì)測(cè)量32個(gè)控制點(diǎn)。通過(guò)以上三種方式共進(jìn)行58個(gè)控制點(diǎn)的對(duì)比分析工作，發(fā)現(xiàn)基于GPSRTK測(cè)量技術(shù)的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致，其中高程精度和平面精度誤差分別控制在0.11m和0.18m范圍以內(nèi)，完全達(dá)到實(shí)際使用要求。

4 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中的問(wèn)題及注意點(diǎn)

4.1 存在的問(wèn)題

與傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查方式相比較，基于GPS-RTK的測(cè)量技術(shù)不管是在勘查質(zhì)量方面，還是效率方面均有一定程度的提升。但是在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中，這種技術(shù)仍然存在不足之處，限制了技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。存在的問(wèn)題主要為測(cè)量誤差，實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的距離越遠(yuǎn)，則測(cè)量精度越低，測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差越大。主要原因是GPS主機(jī)和衛(wèi)星在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，信號(hào)穿過(guò)大氣層尤其是穿過(guò)對(duì)流層、軌道層和電離層時(shí)，受到其他因素的干擾，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所以為提升地質(zhì)勘查的精度，在利用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)開展地質(zhì)勘查工作時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的距離進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.2 需要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)

根據(jù)上述的分析結(jié)果可知，基于GPS-RTK測(cè)量技術(shù)開展地質(zhì)勘查工作時(shí)，基準(zhǔn)站的設(shè)置質(zhì)量會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果和過(guò)程產(chǎn)生直接影響，因此，在設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)，強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：第一，基準(zhǔn)站的設(shè)置必須遠(yuǎn)離干擾源，防止信號(hào)傳輸時(shí)受到干擾源的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果精度造成不良影響；第二，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間不得存在較大的阻礙物，比如很高的山峰，因?yàn)楦呗柕纳椒鍟?huì)影響信號(hào)的傳輸；第三，不管是基準(zhǔn)站，還是移動(dòng)站，都應(yīng)該設(shè)置在地勢(shì)較高的位置，確保信號(hào)傳輸效果。

5 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)勘查是很多重大工程項(xiàng)目或者基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目正式施工前需要開展的基礎(chǔ)性工作，主要目的是對(duì)相關(guān)區(qū)域內(nèi)的地形及地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)檢查。傳統(tǒng)方法開展地質(zhì)勘查工作時(shí)不僅花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且測(cè)量的質(zhì)量和精度均較差?；贕PS-RTK測(cè)量技術(shù)開展地質(zhì)勘查工作時(shí)，整體工作效率有很大提升，且測(cè)量的質(zhì)量和精度與傳統(tǒng)方法相比有一定程度的提升。但利用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)時(shí)，需要合理地選擇基準(zhǔn)站的位置，并嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)操作，才可以得到理想的結(jié)果。