GNSS 在礦山地形圖測繪中的應(yīng)用

李敬平，陳軍強(qiáng)

（甘肅省核地質(zhì)二一三大隊(duì)，甘肅天水 741020）

1 概述

GNSS 定位技術(shù)在測繪地理信息行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展和GNSS 定位技術(shù)的不斷進(jìn)步，GNSS 技術(shù)的應(yīng)用也越來越成熟。而GNSS 作業(yè)數(shù)據(jù)的可靠性時(shí)會受到主觀、客觀因素的影響，探討GNSS 的應(yīng)用特點(diǎn)、分析作業(yè)影響因素，對提高精度和可靠性具有重要意義。本文GNSS 地形測繪作業(yè)，以隴南某礦區(qū)的應(yīng)用為例，介紹GNSS 不同作業(yè)模式的原理、方法以及注意事項(xiàng)。

1.1 GNSS 系統(tǒng)的概念

GNSS 的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是一個(gè)多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜組合系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的多種系統(tǒng)。它具有導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能，能夠提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。其中我們所熟知的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，是由美國建立的目前最為成熟的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Glonass）是由俄羅斯建立的服務(wù)全球的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)；伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）是由歐盟主導(dǎo)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）發(fā)展迅速，也在逐漸發(fā)揮重要作用。還包括WAAS 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（美國）、EGNOS 歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)（歐洲）等相應(yīng)的增強(qiáng)系統(tǒng)。

1.2 GNSS 系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

GNSS 系統(tǒng)是GNSS 導(dǎo)航定位具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。GNSS 衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，常用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)；用于建立陸地海洋大地測量基準(zhǔn)；用于檢測地球而板塊運(yùn)動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量的控制網(wǎng)和碎部測量；用于測繪航空攝影等。

1.3 GNSS 技術(shù)的發(fā)展方向

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS 系統(tǒng)）是現(xiàn)代GNSS 的重要發(fā)展方向。CORS 系統(tǒng)利用一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GNSS 參考站，通過網(wǎng)絡(luò)通信將觀測值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息等傳輸給用戶。CORS 技術(shù)的使用，極大的提高了GNSS 作業(yè)的效率，無需架設(shè)自己的基準(zhǔn)站，不受作業(yè)距離限制，在CORS 系統(tǒng)信號覆蓋區(qū)域，幾十千米范圍內(nèi)的平面測量誤差達(dá)到厘米級；CORS 技術(shù)增強(qiáng)了觀測數(shù)據(jù)的可靠性，消除了傳統(tǒng)測量逐級產(chǎn)生的累計(jì)誤差。目前，我國的很多省市都建立了CORS 系統(tǒng)，有些地方的CORS 系統(tǒng)能夠覆蓋大多數(shù)的野外工作區(qū)域。

2 地形測繪概況

測區(qū)為礦區(qū)高山地形，高差超過200m，植被發(fā)育較好，測量時(shí)間選擇在初春，以減少植被對衛(wèi)星信號的影響。作業(yè)區(qū)無移動網(wǎng)絡(luò)，采用靜態(tài)測量布設(shè)一級控制點(diǎn)，采用RTK 測量模式加密布設(shè)二級控制點(diǎn)，采用RTK 測量模式進(jìn)行碎部測量。主要流程如圖1 所示。

圖1 GNSS 地形圖測繪主要流程圖

本次作業(yè)收集到測區(qū)附近GNSS E 級控制點(diǎn)3 個(gè)，作為一級控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)；收集到測區(qū)1:5萬地形圖，作為本次工作的參考用圖。經(jīng)現(xiàn)場檢查，已有控制點(diǎn)保存完好，坐標(biāo)誤差在允許范圍值以內(nèi)?？刂泣c(diǎn)分布如圖2 所示。

圖2 測區(qū)已有控制點(diǎn)及一級控制點(diǎn)分布圖

3 靜態(tài)控制測量

GNSS 靜態(tài)測量，在觀測數(shù)據(jù)時(shí)接收機(jī)的位置不發(fā)生變化，并有多個(gè)接收機(jī)在不同的測站上相對靜止同步觀測，組成同步觀測環(huán)。如圖3 所示，每臺接收機(jī)至少接收4 顆以上衛(wèi)星信號，通常由3 臺以上接收機(jī)同步觀測。

圖3 GNSS 靜態(tài)測量原理

測區(qū)附近已有GNSS E 級控制點(diǎn)3 個(gè)，分別位于測區(qū)北部、南部附近,基本能夠覆蓋測區(qū)范圍。為滿足1∶2000 地形測圖要求,圖根點(diǎn)數(shù)量大于4 個(gè)/km2，在測區(qū)做靜態(tài)測量，在約1km2的測區(qū)布設(shè)了埋石圖根點(diǎn)Q01、Q02、Q03、Q04，混凝土澆筑金屬測量標(biāo)志。

控制網(wǎng)采用邊連式布網(wǎng)，按照選點(diǎn)與埋石、接收機(jī)的檢查、觀測方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核的順序作業(yè)。GNSS E 級技術(shù)要求依據(jù)表1，觀測條件滿足表2。

表1 GNSS E 級網(wǎng)的主要技術(shù)要求

表2 GNSS E 級網(wǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

4 RTK 控制測量

實(shí)時(shí)動態(tài)測量技術(shù)(RTK 測量技術(shù))，是以載波相位觀測量為依據(jù)的實(shí)時(shí)差分GNSS 技術(shù)。它由3個(gè)部分組成:(1)基準(zhǔn)站;(2)流動站;(3)數(shù)據(jù)鏈?；鶞?zhǔn)站由一部GNSS 接收機(jī)組成；流動站由多部GNSS 接收機(jī)組成；數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)怯苫鶞?zhǔn)站的發(fā)射電臺與流動站的接收電臺傳送。RTK 工作原理參如圖4 所示。

圖4 RTK 測量原理

測區(qū)山體高大，為便于RTK 碎部測量工作的開展，以及方便坐標(biāo)校正與檢核，以一級控制點(diǎn)為起算點(diǎn)，再布設(shè)K 二級控制點(diǎn)10 個(gè)，點(diǎn)位釘木樁、中心釘鋼釘。

本次采用自設(shè)基站RTK 模式，按照選點(diǎn)與埋石、設(shè)備檢查、基準(zhǔn)站架設(shè)、流動站設(shè)置、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核的順序作業(yè)。在RTK 測量過程中，測量中的衛(wèi)星狀態(tài)應(yīng)達(dá)到表3 要求，測量的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到表4 要求。流動站接收機(jī)使用三腳架架設(shè)，觀測歷元30 個(gè)，測量3 次，各次測量的平面坐標(biāo)較差小于4cm，高程較差小于4cm，計(jì)算平均值。

表3 RTK 測量衛(wèi)星狀態(tài)的基本要求

表4 RTK 二級控制點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)

5 RTK 碎部測量

RTK 碎部測量的作業(yè)流程與RTK 控制測量相同，區(qū)別在于流動站使用對中桿對中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以采用現(xiàn)場點(diǎn)校正，采集數(shù)據(jù)的精度按照相應(yīng)比例尺要求進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參差不得大于圖上0.1mm，高程擬合殘差不得大于1/10基本等高距，觀測中以固定解為標(biāo)準(zhǔn)，觀測時(shí)間大于5S，當(dāng)連續(xù)采集一組地形碎部點(diǎn)50 個(gè)，對設(shè)備進(jìn)行一次初始化，同時(shí)進(jìn)行重合點(diǎn)檢查。測區(qū)主要地物為山谷、采石場、道路、河流、簡單房屋等，在測量過程中通過編碼記錄地物類型。

6 影響因素分析

影響GNSS 數(shù)據(jù)成果的因素一般有三個(gè)方面：外業(yè)觀測條件、人為因素、儀器自身特點(diǎn)。

6.1 觀測條件

控制點(diǎn)的選擇要避免無線電干擾和多路徑效應(yīng)。GNSS 數(shù)據(jù)鏈傳輸容易被高大物體和高頻信號源干擾?？刂泣c(diǎn)應(yīng)選擇在地勢開闊，確保附近無線電、大面積水域，并將天線高度升高。測區(qū)共有3 條山谷，RTK 模式選擇了架設(shè)基站點(diǎn)3 處，保證了測區(qū)全范圍的RTK 數(shù)據(jù)鏈傳輸信號良好。有些影響因素不能避免時(shí)，加長儀器的觀測時(shí)間，能夠有效降低數(shù)據(jù)的誤差。

6.2 人為因素

1）人員對設(shè)備的操作。對中整平誤差直接影響獲取數(shù)據(jù)的精度，天線高的量取誤差也是影響高程的因素之一，靜態(tài)測量模式應(yīng)從3 個(gè)方向量取采用平均值，RTK 模式應(yīng)準(zhǔn)確量取基準(zhǔn)站、移動站的天線高，不同設(shè)備應(yīng)根據(jù)使用說明量取正確的天線高，區(qū)分桿高、斜高、直高等高度。

2）控制點(diǎn)的布設(shè)與選擇。靜態(tài)測量控制點(diǎn)的布設(shè)，要根據(jù)作業(yè)要求，選擇合適的測量模式和布網(wǎng)形狀，已知點(diǎn)選擇較高精度的。RTK 控制點(diǎn)要盡可能布置在制高點(diǎn)上，觀測距離不應(yīng)超出設(shè)備有效作業(yè)距離。在條件較差的地方增加一些多余控制點(diǎn)。

6.3 儀器因素

儀器設(shè)備的初始化能力。在地形復(fù)雜、遮擋較為嚴(yán)重的區(qū)域作業(yè)時(shí)，容易發(fā)生失鎖現(xiàn)象，對測量的精度和效率都有影響，一方面應(yīng)在作業(yè)時(shí)經(jīng)常重新初始化;另一方面優(yōu)先選擇初始化能力強(qiáng)和所需時(shí)間短的GNSS 設(shè)備。

7 體會和建議

7.1 GNSS 的優(yōu)點(diǎn)

GNSS 技術(shù)定位精度較高、數(shù)據(jù)安全可靠，測點(diǎn)間相互獨(dú)立，不存在累計(jì)誤差。GNSS 技術(shù)與全站儀相比，受地形、氣候、季節(jié)、植被覆蓋等自然條件影響較小，測站之間無需通視，選點(diǎn)靈活，大大減少了搬站次數(shù)。與航空攝影相比，受天氣因素干擾小，不受禁飛區(qū)限制。GNSS 的測量模式豐富，靜態(tài)測量模式可以滿足各種等級的控制測量精度要求，RTK 測量模式可用于低等級的控制網(wǎng)測量及碎部測量。

7.2 GNSS 的不足

GNSS 設(shè)備易受到障礙物高頻信號源的干擾，在高大地物附近進(jìn)行獲取固定解花費(fèi)時(shí)間長，觀測精度較低，甚至無法獲取有效數(shù)據(jù)。自設(shè)基站RTK模式作業(yè)時(shí)，地勢變化大或障礙物較多的區(qū)域，基準(zhǔn)站需架設(shè)在地勢較高的地方，設(shè)備的搬運(yùn)有一定的困難。

7.3 注意點(diǎn)

作業(yè)人員應(yīng)掌握儀器設(shè)備性能和使用規(guī)律，操作過程中應(yīng)避免人為誤差，以保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，階段性的作業(yè)應(yīng)將儀器進(jìn)行總復(fù)位，使儀器工作狀態(tài)最佳。養(yǎng)成良好作業(yè)習(xí)慣，避免基礎(chǔ)知識準(zhǔn)備不充足和測量中的大意造成的粗差，規(guī)避不利自然條件的影響。

按規(guī)范設(shè)計(jì)觀測網(wǎng)，以保證觀測衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度和數(shù)據(jù)鏈傳輸。在計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，使用精度高、分布均勻的已知點(diǎn)，控制點(diǎn)對作業(yè)區(qū)域盡可能形成包圍圈。嚴(yán)格質(zhì)量檢查程序，作業(yè)過程中要進(jìn)行已知點(diǎn)檢測，觀測成果要進(jìn)行復(fù)核。