GPS測繪技術(shù)及其在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

李 強，孫 瑋

（1.甘肅省自然資源行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省隴南市西和縣中寶礦業(yè)有限公司，甘肅 隴南 742100）

1 GPS測繪技術(shù)分類

在不同場景的測繪技術(shù)中，GPS測繪技術(shù)有靜態(tài)測繪、快速靜態(tài)測繪、準動態(tài)測繪以及實時動態(tài)測繪四種類型。

1.1 靜態(tài)測繪技術(shù)

靜態(tài)測繪技術(shù)的主要流程為：測繪人員準備采用兩臺(或兩臺以上)GPS接收機，同時分布在一條或數(shù)條基線的兩端。做好布局工作后，通過同步觀測4顆以上衛(wèi)星的方式，以每時段為單位，基于基線長度和測繪等級的分類標(biāo)準，將衛(wèi)星觀測的時間定在45分鐘以上的測繪技術(shù)[1]。通常情況下，靜態(tài)測繪技術(shù)的主要應(yīng)用場景為：全國性、國家級的大地控制網(wǎng)、長距離檢測校正基線等大型的測繪場景中。靜態(tài)測繪技術(shù)具有非常明顯的相對定位精度優(yōu)勢。

1.2 快速靜態(tài)測繪技術(shù)

快速靜態(tài)測繪技術(shù)的常見應(yīng)用場景為：工程測繪、地籍測繪等測繪活動。主要工作流程為：測繪人員在測繪場景地區(qū)內(nèi)，選擇一個測繪站點，并安裝GPS接收機作為基準站。做好基準站準備工作后，通過衛(wèi)星信號的捕捉，建立起與衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤聯(lián)系，同時保證在觀測時間范圍內(nèi)最少5顆可觀測衛(wèi)星的基本要求，進而利用移動站接收機逐步轉(zhuǎn)移到待測測繪站點中，進而在測繪站點進行觀測，每個觀測測繪站點的觀測時間為幾分鐘，同時，保證基準點和移動測繪流動點二者的距離在20km以內(nèi)，從而保證可觀測范圍以及觀測的精準度[2]。

1.3 準動態(tài)測繪技術(shù)

準動態(tài)測繪技術(shù)主要有兩種不同的類型。第一種的測繪流程與快速靜態(tài)測繪技術(shù)有一定類似的地方，二者皆是將一臺GPS接收機安裝在已有的測繪站點上用作基準站，并與區(qū)域內(nèi)所有可見衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤的基本操作。同時，移動的GPS接收機相繼進入到觀測范圍的待測測繪站點，并各自展開幾個歷元數(shù)據(jù)的觀測活動。在此基礎(chǔ)上，區(qū)別于快速靜態(tài)測繪技術(shù)的主要點在于：快速靜態(tài)測繪每個待測測繪站點的觀測時間為幾分鐘；準動態(tài)測繪技術(shù)每個待測測繪站點的觀測時間為幾個歷元數(shù)據(jù)，時間計量單位的不同，體現(xiàn)了二者在實際應(yīng)用中的巨大差異。同時，在具體的測繪過程中，準動態(tài)測繪技術(shù)的移動站在處于不同待測測繪站點的遷移過程中需要保證“不失鎖”的狀態(tài)，同時，還需要在已有測繪站點安裝前進行初始化操作。通常情況下，其應(yīng)用場景為：線路測繪、剖面測繪、工程定位等多方面。此外，在觀測衛(wèi)星數(shù)量、流動點、基準點距離的標(biāo)準方面，與快速靜態(tài)測繪技術(shù)保持一致。

第二種的準動態(tài)測繪技術(shù)為連續(xù)動態(tài)測繪技術(shù)。其基本操作流程為：在基準點上，安裝移動接收機，進而跟蹤區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星；流動性的GPS接收機進行初始化操作——連續(xù)運動——記錄數(shù)據(jù)。在具體的操作過程中，流動性的GPS接收機的數(shù)據(jù)記錄是自動且有著明確的時間間隔，其主要用于運動目標(biāo)軌跡的精確測量[3]。

1.4 實時動態(tài)測繪技術(shù)

相比于數(shù)據(jù)采集——軟件處理——測量結(jié)果獲取的靜態(tài)測繪技術(shù)、快速靜態(tài)測繪技術(shù)以及準動態(tài)測繪技術(shù)，實時動態(tài)測繪技術(shù)的特點在于“實時”，也就是指在技術(shù)應(yīng)用過程中，測繪人員就可以通過相關(guān)的工具得到實時測繪的結(jié)果，而且，測繪結(jié)果的精度比較高。在具體操作過程中，實時動態(tài)測繪技術(shù)的操作流程為：根據(jù)測繪區(qū)域內(nèi)的已知測站，進行GPS基準站接收機、數(shù)據(jù)鏈的安裝作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，在測繪區(qū)域內(nèi)捕捉衛(wèi)星信號，并建立連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的聯(lián)系?；谒櫜蹲降臄?shù)據(jù)，利用“數(shù)據(jù)鏈”的媒介實現(xiàn)全自動的傳輸和發(fā)送作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，對于接收的數(shù)據(jù)進行實時的處理，從而根據(jù)數(shù)據(jù)測算出移動測繪站站點的精度位置。在實時動態(tài)測繪技術(shù)的應(yīng)用過程中，實時差分測量和實時差分GPS測量是常用的兩種實時動態(tài)測繪技術(shù)的具體類型。

2 GPS測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的優(yōu)勢

2.1 全面覆蓋，提高測繪作業(yè)效率

一方面，鑒于GPS技術(shù)的發(fā)展，其所依賴的“衛(wèi)星”的數(shù)量較多，而且，衛(wèi)星在各個區(qū)域內(nèi)的分布相對均勻，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)地面的全覆蓋?；谛l(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)的研究可知，當(dāng)前階段全球?qū)崿F(xiàn)了每個地方的用戶在所有的時間內(nèi)，都能夠同時觀測到4個及以上的衛(wèi)星。而且，4顆及以上衛(wèi)星的同時觀測不受時間、地點以及天氣變化的影響，從而保證了GPS測繪技術(shù)使用的穩(wěn)定性[4]?；贕PS測繪技術(shù)的衛(wèi)星測繪的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，在礦山地質(zhì)測繪工作中，GPS測繪技術(shù)，尤其是實時動態(tài)測繪技術(shù)的應(yīng)用，基于測繪基站的使用，能夠保證整個礦山區(qū)域內(nèi)的實時衛(wèi)星觀測的全面覆蓋，能夠有效解決控制點、連續(xù)轉(zhuǎn)點所帶來的測繪作業(yè)速度慢的問題，進而推動了整個礦山區(qū)域內(nèi)地質(zhì)測繪工作速度、強度以及效率方面的良好轉(zhuǎn)變。

另一方面，GPS測繪技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)測繪過程中有著顯著的定位精準度高的特征，能夠大幅度的精確定位、減少誤差?；诩t外儀的精度數(shù)值分析可知，其是5mm+5ppm。而GPS測繪技術(shù)的精度與后者具有一致性、相當(dāng)性。而且，相對于紅外儀，GPS測繪技術(shù)突破了空間限制，不受距離、環(huán)境等外部因素的影響，因此，在礦山地質(zhì)測繪這類具有地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境復(fù)雜等特征的應(yīng)用場景中，GPS測繪技術(shù)具備的優(yōu)勢能夠讓其更好的應(yīng)用在這些復(fù)雜的領(lǐng)域中，同時，還能夠基于測繪的精度和實時數(shù)據(jù)處理等方面的特征，能夠保證觀測目標(biāo)定位的位置、速度等相關(guān)數(shù)據(jù)的實時獲取，而且，還能夠利用快速定位的方法，有效提高觀測的精度，從而在全覆蓋的基站中提高礦山地質(zhì)測繪的精度和實時效率，有效減少測繪誤差。

2.2 應(yīng)用范圍廣，測繪技術(shù)難度降低

一方面，GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用范圍廣。以實時動態(tài)測繪技術(shù)為例，在具體的應(yīng)用場景中，該技術(shù)對于測繪站點間的通視條件沒有非常嚴格的要求，所以，對于礦山地質(zhì)測繪不同測繪站點的測繪而言，實時動態(tài)測繪技術(shù)能夠適用于不同的地形，即使是通視條件不好的區(qū)域也可以進行觀測。因此，其具有非常高的地形適用性。而且，在此基礎(chǔ)上，實時動態(tài)測繪技術(shù)的測繪設(shè)備具有顯著的自動化特征。以GPS接收機為例，當(dāng)前使用的GPS接收機設(shè)備有了非常大的改進，自動化、智能化的設(shè)計使得整個設(shè)備的體積縮小、操作便捷。在具體的操作過程中，測繪人員只要通過天線整半、對中的方式，就能夠完成自動工作，而且，基于GPS測繪技術(shù)的不同，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方式也有所不同，但是，數(shù)據(jù)的處理都是自動化和便捷化的。其中，實時動態(tài)測繪技術(shù)能夠全程實現(xiàn)自動化，包括數(shù)據(jù)的實時記錄、傳輸以及處理等工作。

另一方面，GPS測繪技術(shù)的觀測時間短，在測繪站點的定位方面，實時動態(tài)測繪技術(shù)能夠基于軟件處理技術(shù)的應(yīng)用，而實現(xiàn)幾秒中的測繪站點的定位，進而大幅度提高在礦山地質(zhì)測繪工作中的測繪效率。

2.3 測繪全面且靈活

一方面，鑒于當(dāng)下GPS測繪技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的實時動態(tài)測繪技術(shù)的應(yīng)用情況可知，這個測繪技術(shù)所獲取的測繪站點的數(shù)據(jù)為三維坐標(biāo)，也就是指X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)以及高程，因此，其在測繪精度以及位置信息方面更加全面。

另一方面，流動站點的觀測活動中，GPS測繪技術(shù)在選點方面非常靈活，只要滿足了觀測站15°以上空間開闊性的要求，就能進行礦山地質(zhì)測繪，由此可見，其具備非常顯著的測繪選址靈活性的技術(shù)優(yōu)勢。

3 GPS測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)觀測中的應(yīng)用路徑

3.1 前期點位選擇的應(yīng)用

雖然，上文中指出GPS測繪技術(shù)具有非常顯著的靈活性，不受環(huán)境、空間等方面的影響。但是，在礦山地質(zhì)測繪工作中，觀測點的選擇具有非常重要的作用，對于觀測工作順利開展、觀測結(jié)果以及數(shù)據(jù)的可信度、可靠度等方面有著非常重要的影響力，因此，GPS測繪技術(shù)在具體的觀測點位選擇過程中，需要遵循一定的準則，從而保證觀測點位的合理性，進而發(fā)揮點位的積極影響。

一方面，在觀測點位的選擇過程中需要滿足以下幾點要求：點位安裝的接收設(shè)備需要具備易安裝、視野開闊、位置高的基本特征；觀測點位目標(biāo)周圍需要避免15%以上的障礙物，也就是需要保證15%以上的開闊空間；點位周邊區(qū)域內(nèi)不能有大功率的如電視臺這類無線電發(fā)射源的相關(guān)設(shè)備；點位選址附近不要有高壓輸電線、微波無線電信號傳送通道等設(shè)備，如果有相關(guān)的設(shè)備，需要保證距離在50m以上，從而有效避免無線電發(fā)射源以及以上設(shè)備發(fā)出的信號對觀測點位產(chǎn)生信號干擾；確保周邊區(qū)域無大范圍、大面積水域；確保周邊區(qū)域無具有強烈干擾作用的衛(wèi)星信號接收的物體；選址區(qū)域要保證交通便捷性，為安裝、測繪以及定期檢修效率的提高奠定基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，需要在礦山地質(zhì)測繪過程中，做好采樣點的布設(shè)工作。在具體的操作過程中，測繪人員利用GPS測繪技術(shù)，尤其是實時動態(tài)測繪技術(shù)進行基線線路點坐標(biāo)的手簿錄入工作，進而顯示出測繪的路線線路，并基于相關(guān)的分析明確線路中心、偏離距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格布置的方法，落實布設(shè)采樣點的工作，并將其輸出到相應(yīng)的平面地形圖，方便測繪人員及時通過平面地形圖觀察采樣點的布設(shè)是否均勻準確，并能夠及時調(diào)整。

在做好點位選址和采樣點布設(shè)工作后，需要進一步做好相應(yīng)的標(biāo)志工作，利用體現(xiàn)中心標(biāo)志特征的標(biāo)石，進行點位的標(biāo)志工作[5,6]。而為了保證長期應(yīng)用的價值，在標(biāo)石選擇的過程中，需要考慮堅固性特征。

3.2 礦山地質(zhì)測繪不同場景的觀測應(yīng)用

在落實了前期準備工作后，測繪人員需要進行核心工作——礦山地質(zhì)測繪不同場景的觀測實踐。在具體的觀測過程中，測繪人員需要明確GPS測繪技術(shù)應(yīng)用的主要目的在于通過跟蹤衛(wèi)星，捕捉信號，進而進行處理、量測、數(shù)據(jù)處理與分析的工作。在以上目的明確的基礎(chǔ)上，測繪人員需要在礦山地質(zhì)測繪過程中合理利用GPS測繪技術(shù)完成以下幾點工作：

第一，地形圖與地籍圖的測繪：基于GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用，利用數(shù)據(jù)采集——處理——分析的基本流程，對整個礦山測繪區(qū)域內(nèi)的地形圖、地籍圖進行基本信息的補充，進而繪制出相應(yīng)的地形圖與地籍圖。

第二，礦山開采損壞監(jiān)測、沉陷地表巖移站觀測：在具體的應(yīng)用過程中，測繪人員利用GPS測繪技術(shù)，有機結(jié)合周期性、基準站兩種觀測方式，對礦山開采作業(yè)過程中所布設(shè)的各個觀測點的三維坐標(biāo)進行測繪，進而對比分析同一測繪觀測站點的數(shù)據(jù)變形狀況，從而了解開采后的損害、地表巖沉陷的相關(guān)情況。

第三，礦山采場采剝量的測繪：測繪人員利用GPS測繪技術(shù)對礦山采剝量的數(shù)據(jù)進行記錄、分析和處理，利用流動站點的測繪數(shù)據(jù)，對開采現(xiàn)場進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，從而進行驗收。

3.3 測繪數(shù)據(jù)的記錄

GPS測繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪工作中，除了前期的準備工作和中期的觀測工作，還包含了后期的測繪數(shù)據(jù)的記錄工作。在具體的作業(yè)過程中，測繪人員主要利用觀測記錄、測繪手薄的方式記錄數(shù)據(jù)。其中，觀測記錄是GPS測繪技術(shù)設(shè)備自主進行存儲記錄操作過程的。

4 結(jié)論

礦山地質(zhì)測繪工作具有專業(yè)、綜合、復(fù)雜的基本特征，包含了對地表、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、礦藏等不同方面的測繪，本身作業(yè)的環(huán)境非常復(fù)雜。因此，在不同的礦山地質(zhì)測繪工作中，對測繪技術(shù)的要求較高。GPS測繪技術(shù)作為當(dāng)下最為常見和普遍的測繪技術(shù)，在礦山地質(zhì)測繪工作的應(yīng)用范圍極為廣泛，具有顯著的適用性、定位精度高、測繪效率高、全面測繪、操作便捷、難度低的基本特征，能夠滿足礦山地質(zhì)測繪工作不同場景下的觀測要求以及數(shù)據(jù)處理要求。因此，在具體的作業(yè)過程中，鑒于礦山地質(zhì)測繪工作的本質(zhì)需求，需要從點位選址、采樣點布設(shè)、標(biāo)石布設(shè)、觀測以及觀測記錄的應(yīng)用等方面進行應(yīng)用，從而切實的落實測繪工作的效率。

此外，對于GPS測繪技術(shù)的人員而言，需要基于礦山地質(zhì)測繪的具體應(yīng)用場景而不斷地學(xué)習(xí)有關(guān)地質(zhì)測繪、GPS測繪技術(shù)的相關(guān)知識，持續(xù)精進GPS測繪技術(shù)的專業(yè)能力，進而更好地應(yīng)對復(fù)雜、專業(yè)的礦山地質(zhì)測繪工作，有效發(fā)揮GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用價值。