RTK技術(shù)在礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量中的應(yīng)用研究

蔣 晶，楊 波

（湖北省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434000）

RTK技術(shù)以載波相位差分作為支持，在測(cè)量站區(qū)間內(nèi)，利用載波相位的觀(guān)測(cè)量構(gòu)建相位變換的數(shù)值關(guān)系，并構(gòu)建求差解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)厘米等級(jí)精度的控制。隨著高精GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)發(fā)展為多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量工作成為了重要研究方向。礦山開(kāi)采地區(qū)存在多種復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境，對(duì)實(shí)際地形測(cè)量產(chǎn)生了阻礙[1]。在多種現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)的支持下，礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量工作形成了多種形式。研究RTK技術(shù)在礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量工作中的應(yīng)用過(guò)程也成為了當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

RTK技術(shù)最初由國(guó)外研究人員提出，在多方位衛(wèi)星接收結(jié)構(gòu)支持下，結(jié)合衛(wèi)星調(diào)制碼的特性，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供直接分析的測(cè)量值。我國(guó)研究RTK技術(shù)起步較晚，研究人員利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)優(yōu)化了測(cè)量分析過(guò)程中求解模糊度所需的時(shí)間，并設(shè)計(jì)了數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系，拓寬了原有位置數(shù)值參數(shù)的可用性。經(jīng)過(guò)階段性的應(yīng)用研究可知，應(yīng)用了其他技術(shù)的地形測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的斜坡誤差較大，針對(duì)該種應(yīng)用問(wèn)題，研究RTK技術(shù)在礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量中的應(yīng)用。

1 RTK測(cè)量技術(shù)概述

RTK測(cè)量技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量定位技術(shù)手段，是基于載波相位觀(guān)測(cè)值具有的實(shí)時(shí)差分GPS定位技術(shù)。GPS測(cè)量模式主要包括四種，分別為靜態(tài)測(cè)量模式以及快速靜態(tài)測(cè)量模式，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模式與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式[1]。然而運(yùn)用這些模式進(jìn)行測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，倘若不能有效結(jié)合傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在定位結(jié)果方面，都應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)之后進(jìn)行處理才能有效獲得，因?yàn)镚PS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)需要在完成測(cè)量之后進(jìn)行處理，因此以上這些測(cè)量模式不但難以實(shí)時(shí)的將觀(guān)測(cè)站定位結(jié)果及時(shí)提供出來(lái)。而且也不能對(duì)基準(zhǔn)站以及用戶(hù)站獲得的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的檢核，所以數(shù)據(jù)處理之后有不合格的測(cè)量成果出現(xiàn)，需要進(jìn)行返工重測(cè)。RTK此項(xiàng)技術(shù)具有的思路為，將一臺(tái)GPS接收機(jī)設(shè)置于基準(zhǔn)站上，對(duì)可觀(guān)測(cè)的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè)，利用無(wú)線(xiàn)電完成獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸，并及時(shí)、快速地發(fā)送給用戶(hù)觀(guān)測(cè)站。用戶(hù)觀(guān)測(cè)站通過(guò)GPS接收機(jī)接收GPS信號(hào)時(shí)，可借助無(wú)線(xiàn)接收設(shè)備接收參考站發(fā)送的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)計(jì)算用戶(hù)站的三維坐標(biāo)。

2 礦山地形測(cè)量過(guò)程當(dāng)中RTK技術(shù)應(yīng)用

2.1 測(cè)量前的資料和儀器準(zhǔn)備

具體實(shí)施測(cè)量工作之前，對(duì)于礦區(qū)之前1：10000土地利用情況分布圖已經(jīng)全面收集，并在實(shí)施野外測(cè)量之前，開(kāi)展對(duì)應(yīng)的參考工作。而且礦區(qū)測(cè)量工作實(shí)施之前周?chē)呀?jīng)存在GPS c級(jí)控制點(diǎn)，其精度方面已經(jīng)符合當(dāng)前測(cè)量工作需要，所以在測(cè)量工作實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，選擇三個(gè)以上C級(jí)點(diǎn)當(dāng)做起算點(diǎn)，構(gòu)建首級(jí)控制，然后對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)合理的進(jìn)行布設(shè)，測(cè)量過(guò)程當(dāng)中應(yīng)用的測(cè)量?jī)x器主要包括GPS接收機(jī)，用于收集前期碎步數(shù)據(jù)和布設(shè)首級(jí)控制點(diǎn)。南方GPS三套，主要收集碎布數(shù)據(jù)應(yīng)用，結(jié)合控制點(diǎn)的布設(shè)，來(lái)對(duì)次級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，測(cè)量工作實(shí)施之前，有效檢驗(yàn)以及校正相關(guān)設(shè)備，精度必須要達(dá)到有關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，使此次測(cè)量精度要求得到最大程度的滿(mǎn)足。

2.2 野外測(cè)量

①控制測(cè)量。首級(jí)控制網(wǎng)的布設(shè)，是運(yùn)用GPS靜態(tài)定位形式于整個(gè)礦區(qū)開(kāi)展相應(yīng)的布設(shè)工作，如此一來(lái)便能夠針對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)實(shí)施加密以及數(shù)字化操作。目前，由于存在較大的測(cè)量區(qū)域，為確保后期工程施工還有精度處理方面的需要，將六個(gè)GPS點(diǎn)布設(shè)在整個(gè)測(cè)量區(qū)域，當(dāng)做首級(jí)控制點(diǎn)，之后運(yùn)用RTK技術(shù)來(lái)測(cè)繪圖根點(diǎn)，并運(yùn)用全站儀部分導(dǎo)線(xiàn)開(kāi)展測(cè)量，這樣能夠有效檢查和測(cè)量碎部點(diǎn)，控制點(diǎn)設(shè)置過(guò)程當(dāng)中，不僅要使撤圖使用需要得到最大程度的滿(mǎn)足，還應(yīng)當(dāng)保證更加便利的進(jìn)行操作。同時(shí)應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)確保RTK測(cè)量過(guò)程當(dāng)中有著特殊要求的測(cè)量條件，基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將一些大面積的水域和建筑物以及強(qiáng)磁波發(fā)射源給避開(kāi)。②碎部的測(cè)量。由于測(cè)量區(qū)域當(dāng)中存在很多樹(shù)林以及農(nóng)田玉米，而且村莊當(dāng)中有很多溫室，大棚以及養(yǎng)殖場(chǎng)，這些對(duì)測(cè)量區(qū)域的通視性造成很大影響，導(dǎo)致通視條件不佳，同時(shí)因項(xiàng)目時(shí)間相對(duì)較緊，存在繁重的工作內(nèi)容，倘若運(yùn)用常規(guī)的全站儀方式開(kāi)展測(cè)量工作，很難有效保證測(cè)量工作效率及其質(zhì)量，還會(huì)延誤工期。運(yùn)用RTK技術(shù)手段開(kāi)展相應(yīng)的測(cè)量工作，并利用此項(xiàng)技術(shù)手段進(jìn)行碎步數(shù)據(jù)采集，雖然能夠大幅提高測(cè)量的效率，減少時(shí)間投入，然而因?yàn)榄h(huán)境條件方面的要求，在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中會(huì)引發(fā)一些盲區(qū)存在。而且在相同區(qū)域利用此項(xiàng)技術(shù)手段，同時(shí)運(yùn)用全站儀進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，便能夠結(jié)合測(cè)量區(qū)域具體情況，采集分析碎步點(diǎn)的信號(hào)數(shù)據(jù)，保證測(cè)量效率及其質(zhì)量，降低勞動(dòng)力投入。如測(cè)量道路、河流以及高程點(diǎn)過(guò)程當(dāng)中通過(guò)RTK技術(shù)便可以高效的完成測(cè)量任務(wù)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。而測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，運(yùn)用全站儀開(kāi)展測(cè)量，可以將首級(jí)控制點(diǎn)以及RTK技術(shù)加密圖根點(diǎn)，來(lái)對(duì)那些影響此項(xiàng)技術(shù)測(cè)量較大的區(qū)域開(kāi)展測(cè)量工作，如一些茂密的森林，面積較大的水域、地類(lèi)界線(xiàn)，信號(hào)盲區(qū)等相關(guān)區(qū)域測(cè)量均可以通過(guò)這一手段來(lái)完成。而且每天進(jìn)行夜外測(cè)量作業(yè)之后，應(yīng)當(dāng)全面?zhèn)浞?，全站儀和RTK技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，為以后應(yīng)用奠定理想的基礎(chǔ)。③精度分析。為了更好的檢測(cè)RTK技術(shù)應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中測(cè)量精度高低，可以聯(lián)合靜態(tài)GPS測(cè)量結(jié)果，開(kāi)展相應(yīng)的對(duì)比分析和研究，同時(shí)把首級(jí)GPS控制網(wǎng)平面點(diǎn)位和GPSC級(jí)點(diǎn)聯(lián)合測(cè)量的作為真值進(jìn)行對(duì)比分析。在對(duì)數(shù)據(jù)精度的進(jìn)行分析之后，應(yīng)該保證所測(cè)圖根控制點(diǎn)能夠用來(lái)參考作為全站儀的碎部測(cè)量資料，且其精度要完全滿(mǎn)足測(cè)量繪圖精度的需要，且測(cè)量誤差分布要均勻、不存在累積誤差。

RTK技術(shù)是GPS定位技術(shù)的一個(gè)新的里程碑，它不僅具有GPS技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)時(shí)獲得觀(guān)測(cè)結(jié)果及精度，大大提高了作業(yè)效率并開(kāi)拓了GPS新的應(yīng)用領(lǐng)域。由于載波相位測(cè)量、差分處理技術(shù)、整周未知數(shù)、快速求解技術(shù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的融合，使RTK在精度、速度、實(shí)時(shí)性上達(dá)到了完滿(mǎn)的結(jié)合，并使得RTK定位技術(shù)大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。相信，隨著科技的不斷發(fā)展RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。RTK在礦山測(cè)量中有著極大的應(yīng)用前景，極大地提高了測(cè)量工作效率和成果的可靠性。隨著其技術(shù)的不斷成熟和完善，必將推動(dòng)礦山測(cè)量事業(yè)更快向前發(fā)展。

3 RTK技術(shù)在礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量中的應(yīng)用研究

3.1 利用RTK技術(shù)確定地形測(cè)量指標(biāo)

根據(jù)RTK的技術(shù)要求，整理接收機(jī)中的測(cè)量數(shù)據(jù)，并采用仿真解算的方法模擬地形空間產(chǎn)生的基線(xiàn)數(shù)值，將該基線(xiàn)數(shù)值構(gòu)建模糊度矩陣，參照輸出的模糊度數(shù)值解，建立地形測(cè)量空間，產(chǎn)生的指標(biāo)形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的指標(biāo)處理過(guò)程

根據(jù)上圖構(gòu)建的指標(biāo)處理過(guò)程，按照RTK技術(shù)的處理過(guò)程，將測(cè)量指標(biāo)劃分為生成階段以及處理階段，在生成階段內(nèi)，模擬偽距噪聲參數(shù)并將其輸出為觀(guān)測(cè)值，按照載波相位數(shù)值處理整周模糊度[2]，輸出為基準(zhǔn)站可直接處理的數(shù)據(jù)格式，按照RTK技術(shù)將內(nèi)部生成數(shù)據(jù)處理為觀(guān)測(cè)形式。根據(jù)隨機(jī)誤差的概念，在數(shù)值化的觀(guān)測(cè)系數(shù)關(guān)系上，增加周跳差異特性差異參數(shù)，整理上述確定得到的測(cè)量指標(biāo)，利用單頻周跳探測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)RTK技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用。

3.2 完成測(cè)量應(yīng)用

整理上述確定得到的地形測(cè)量指標(biāo)，采用載波相位變化確定周跳過(guò)程產(chǎn)生的周期，并根據(jù)RTK技術(shù)輸出的頻點(diǎn)，利用衛(wèi)星導(dǎo)航探測(cè)得到地形測(cè)量中存在的約束條件。按照RTK技術(shù)輸出的偽距測(cè)量精度以及載波相位的數(shù)值，確定地形參數(shù)產(chǎn)生的測(cè)距均值。為了適應(yīng)礦山開(kāi)采區(qū)地形的差異性，將技術(shù)輸出的指標(biāo)劃分為兩類(lèi)屬性指標(biāo)。每個(gè)屬性范圍內(nèi)設(shè)置兩種應(yīng)用傾向[3]，一類(lèi)屬性指標(biāo)內(nèi)整理載波相位上存在的周跳系數(shù)，并根據(jù)實(shí)際的周跳頻率參數(shù)，評(píng)估RTK技術(shù)輸出的指標(biāo)精度。當(dāng)該指標(biāo)精度較小時(shí)，調(diào)用二類(lèi)屬性指標(biāo)，并將構(gòu)建偽距測(cè)量參數(shù)與載波相位之間的數(shù)值關(guān)系，當(dāng)表示周跳特性參數(shù)趨向于平穩(wěn)時(shí)，則表示RTK技術(shù)成功完成地形各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量。綜合上述研究設(shè)計(jì)，最終完成對(duì)RTK技術(shù)在礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量中的應(yīng)用。

4 應(yīng)用測(cè)試

4.1 設(shè)置RTK技術(shù)參數(shù)

根據(jù)礦山的測(cè)量規(guī)模，選定某區(qū)域中的信號(hào)基準(zhǔn)站，連接配置智能手簿的移動(dòng)臺(tái)，控制信號(hào)傳輸至電臺(tái)組成，連接其固件并配置參數(shù)與H32 GNSS-RTK系統(tǒng)相似，將該基準(zhǔn)臺(tái)作為技術(shù)運(yùn)行的支持平臺(tái)，在該平臺(tái)支持下，配置RTK技術(shù)參數(shù)，配置的技術(shù)參數(shù)如下表所示。

表1 配置的RTK技術(shù)參數(shù)

按照上表所示的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，調(diào)節(jié)配置運(yùn)行平臺(tái)中的通用接收器，當(dāng)接收器的液晶顯示屏產(chǎn)生下劃線(xiàn)快閃后，點(diǎn)擊FN選擇數(shù)字，并按照礦山開(kāi)采外業(yè)操作需求，控制參與定位的衛(wèi)星數(shù)量為5，控制模糊度輸出值為原始狀態(tài)，并調(diào)試RTK的工作頻率為單頻，結(jié)合與測(cè)站產(chǎn)生的路徑效應(yīng)，在電離層內(nèi)配置兩組高性能的接收天線(xiàn)，用于接收測(cè)量信號(hào)。

4.2 設(shè)定礦山開(kāi)采區(qū)測(cè)量點(diǎn)

成功調(diào)試RTK技術(shù)參數(shù)后，選定高地勢(shì)且遠(yuǎn)離高壓線(xiàn)路安置三腳架上，準(zhǔn)備的外置電臺(tái)放置在基準(zhǔn)站5m之外，消除外部信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。根據(jù)外置電臺(tái)的測(cè)站位置，按照坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定礦山開(kāi)采區(qū)地形的測(cè)量點(diǎn)，標(biāo)定的測(cè)量點(diǎn)位置如下圖所示。

圖2 標(biāo)定的測(cè)量點(diǎn)位置分布

按照上圖標(biāo)定的測(cè)量點(diǎn)位置分布，采用GPS處理技術(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量點(diǎn)的二維坐標(biāo)，當(dāng)選定的基準(zhǔn)點(diǎn)在標(biāo)定的位置分布范圍內(nèi)，按照上圖測(cè)區(qū)內(nèi)的高程數(shù)值，采用“一步法”校正測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在已有的測(cè)量點(diǎn)范圍內(nèi)，將選定的基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)用于測(cè)量的儀器，調(diào)試測(cè)量位置對(duì)中整平，并使用激光測(cè)距整理測(cè)點(diǎn)的高程參數(shù)，并繪制為地物編碼。在上述搭建的測(cè)試環(huán)境內(nèi)，準(zhǔn)備基于三維激光掃描技術(shù)的地形測(cè)量方法、基于高分辨率遙感的地形測(cè)量方法與應(yīng)用RTK技術(shù)的地形測(cè)量過(guò)程參與測(cè)試，對(duì)比三種測(cè)量過(guò)程的性能。

4.3 邊坡測(cè)量偏差結(jié)果

基于上述測(cè)量準(zhǔn)備，選定標(biāo)定的測(cè)量點(diǎn)位置作為基準(zhǔn)，調(diào)用上述準(zhǔn)備的測(cè)量方法計(jì)算標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)的邊坡數(shù)值，以實(shí)際校正轉(zhuǎn)換后參數(shù)產(chǎn)生的臨界值最值作為理想的地形測(cè)量數(shù)值，并將該數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)的邊坡偏差參數(shù)，整理三種地形測(cè)量方法輸出的礦山開(kāi)采區(qū)域邊坡數(shù)值，取該數(shù)值與理想?yún)?shù)間的數(shù)值差作為最終的測(cè)量偏差結(jié)果，邊坡測(cè)量偏差結(jié)果如下表所示。

表2 邊坡測(cè)量偏差結(jié)果

根據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)邊坡數(shù)值，整理三種測(cè)量過(guò)程得到的邊坡數(shù)值，對(duì)應(yīng)整理得到上表所示的邊坡測(cè)量偏差結(jié)果，由上表所示的邊坡測(cè)量誤差可知，基于三維激光掃描技術(shù)的地形測(cè)量方法得到的測(cè)量誤差為0.05m，實(shí)際測(cè)量得到的邊坡誤差數(shù)值較大?；诟叻直媛蔬b感的地形測(cè)量方法得到的測(cè)量誤差在0.03m左右，該種測(cè)量方法得到的測(cè)量誤差較小。而設(shè)計(jì)的地形測(cè)量方法得到的誤差數(shù)值為0.01m，與兩種參與測(cè)試的測(cè)量方法相比，該種測(cè)量方法產(chǎn)生的測(cè)量誤差最小。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著RTK技術(shù)不斷地應(yīng)用推廣，礦山開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量工作的精度等級(jí)發(fā)展迅速。按照技術(shù)要求，搭建模擬開(kāi)采區(qū)地形測(cè)量環(huán)境，隨機(jī)選定兩種現(xiàn)存的地形測(cè)量方法參與對(duì)比，根據(jù)輸出得到的數(shù)值結(jié)果可知，應(yīng)用了RTK技術(shù)的地形測(cè)量過(guò)程能夠有效改善邊坡偏差較小的問(wèn)題。在未來(lái)地形測(cè)量工作中，希望所研究的應(yīng)用過(guò)程能夠?yàn)槠涮峁├碚撝С帧?/p>