GPS 技術(shù)在安徽懷遠(yuǎn)-蒙城一帶金、鐵多金屬礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用

孫勇，韓昱

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

0 引言

在國家地質(zhì)找礦的大背景下，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）作為一門相對于傳統(tǒng)測量而言的新興技術(shù)，在新世紀(jì)得到了快速發(fā)展，GPS 技術(shù)作業(yè)效率高、精度高的顯著優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)找礦方面也得到迅速的普及［1］。本文就GPS 技術(shù)在物探測量方面的應(yīng)用，進(jìn)行系統(tǒng)闡述，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，為今后技術(shù)應(yīng)用提出一點(diǎn)個人見解。

1 評價區(qū)自然地理概況

“安徽省懷遠(yuǎn)-蒙城一帶金、鐵多金屬礦產(chǎn)調(diào)查評價”項(xiàng)目為安徽省2016 年度第二批公益性地質(zhì)項(xiàng)目（皖國土資〔2016〕71 號），編號：2016-g-2-13。項(xiàng)目調(diào)查評價區(qū)（以下簡稱“評價區(qū)”）主要位于安徽省懷遠(yuǎn)縣、蒙城縣一帶，東至固鎮(zhèn)縣城-鳳陽縣劉府一線，西至利辛縣江集鎮(zhèn)-馬店鎮(zhèn)一線，南至利辛縣闞疃鎮(zhèn)-懷遠(yuǎn)縣馬城鎮(zhèn)一線，北至蒙城縣小澗鎮(zhèn)-固鎮(zhèn)縣城一線。包括闞疃集、尚塘集、樂土鎮(zhèn)、常興鎮(zhèn)、龍亢鎮(zhèn)、唐集鎮(zhèn)、古城等27幅1∶50 000圖幅，除查區(qū)東部懷遠(yuǎn)荊山、涂山等地有少量露頭，其余均為覆蓋區(qū)，總計(jì)面積約為6 924 km2。

區(qū)域內(nèi)地形開闊、地勢平坦，除東部荊山、涂山夾淮河而對峙外，其余均為平原，在平原地貌單元中，由于河流變遷、交互沉積和歷次黃河南泛覆蓋及人工開河筑壩等影響，局部地面不平整，具“大平、小不平”的特點(diǎn)。據(jù)此又分為湖地、崗坡地、灣地三種小類型。區(qū)內(nèi)分布有北淝河、渦河、阜蒙新河、芡河、茨淮新河、渦河等河流，其中渦河、芡河在懷遠(yuǎn)流入淮河。區(qū)內(nèi)地形等級據(jù)原地質(zhì)礦產(chǎn)部地球物理地球化學(xué)勘查局編制的《全國1∶50 000地形圖地形等級集》，綜合地形等級為2.5級。

評價區(qū)地處平原，區(qū)內(nèi)交通便利，S307 省道連接懷遠(yuǎn)、蒙城兩縣，S305 省道連接蒙城、利辛兩縣，G36寧洛高速、S203 省道、S308 省道等均從區(qū)內(nèi)穿過，徐（州）—淮（北）—阜（陽）鐵路、徐（州）—宿（州）—蚌（埠）—合（肥）高鐵分別從調(diào)查區(qū)西北及東北角通過。村村通工程使得水泥路已覆蓋區(qū)內(nèi)所有行政村。

2 作業(yè)技術(shù)安排

針對本次作業(yè)的精度要求，遵循“由整體到局部，由高級到低級，先控制后碎部”的原則［2］，根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況，優(yōu)先進(jìn)行GPS 控制測量，求取7 個參數(shù)后，再進(jìn)行RTK 碎部放樣。本次在馬店、劉圩、支子湖3 個區(qū)塊部署了面積性重力測量，工作比例尺為1∶25 000，網(wǎng)度為250 m×50 m。面積性物探工作設(shè)計(jì)重力點(diǎn)位中誤差≤±10 m，高程中誤差≤±0.2 m，采用RTK 代入?yún)?shù)后，進(jìn)行測點(diǎn)放樣。在馬店、劉圩、立倉三個區(qū)塊部署了面積性地面高精度磁法測量，工作比例尺為1∶10 000，網(wǎng)度為100 m×40 m。采用手持GPS 代入?yún)?shù)后，完成測點(diǎn)放樣。設(shè)計(jì)要求手持GPS點(diǎn)位中誤差≤±10 m，高程中誤差≤±10 m；GPS 測點(diǎn)定位精度檢查采用同精度檢查，檢查點(diǎn)數(shù)量不少于總點(diǎn)數(shù)的3%，三維坐標(biāo)較差不大于測點(diǎn)中誤差的2倍。主要測量參數(shù)為：根據(jù)測區(qū)地形圖比例尺采用6°分帶，坐標(biāo)系采用1954 年北京坐標(biāo)系統(tǒng)，高程采用1985 國家高程基準(zhǔn)，投影采用高斯正形投影，根據(jù)測區(qū)經(jīng)緯度中央子午線選為117°，GPS 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)分別是RTK 7 個參數(shù)和手持導(dǎo)航型GPS5個參數(shù)等[3]。

3 GPS控制測量

GPS 控制測量主要為地面物探測點(diǎn)放樣及高程測量提供物控點(diǎn)。考慮到篩選的重點(diǎn)區(qū)塊相隔較遠(yuǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，各區(qū)塊獨(dú)立組網(wǎng)施測。

3.1 馬店區(qū)塊

生產(chǎn)儀器為天寶r4-3 型GPS 雙頻接收機(jī)，通過了符合國家計(jì)量檢定要求的質(zhì)檢單位的檢定。

收集C 級控制點(diǎn)4 個，加密控制點(diǎn)1 個。加密控制點(diǎn)采用混凝土標(biāo)石不銹鋼十字絲標(biāo)志，GPS 控制點(diǎn)名稱按所在地名拼音首字母命名。

控制網(wǎng)布置采用圖形強(qiáng)度較好和作業(yè)效率較高的邊連式GPS 網(wǎng)，作業(yè)方法為GPS 靜態(tài)定位測量。GPS 接收天線安置對中誤差不大于3 mm（用鋼尺在互為120°的三個方向上，測量后取平均值），衛(wèi)星信號接收同步觀測時間不小于60 min。觀測衛(wèi)星高度截止角大于15°，歷元間隔5 s，野外觀測數(shù)據(jù)GPS 自動記錄。

共測GPS基準(zhǔn)站5個，基線12條。網(wǎng)中平均基線長度為12.033 km?；€解為雙差固定解。重復(fù)基線最大誤差ds=6 mm，小于規(guī)范允許值17 mm［4］。

GPS控制網(wǎng)二維約束平差控制網(wǎng)使用4個已知點(diǎn)強(qiáng)制約束解算；高程采用4個已知高程點(diǎn)參數(shù)擬合。

GPS 靜態(tài)測量和RTK 測量使用儀器為天寶r4-3 型GPS 雙頻接收機(jī)，儀器標(biāo)稱精度：靜態(tài)平面±3 mm+0.5 mm/km，靜態(tài)高程±5 mm+0.5 mm/km；動態(tài)平面±0.8 cm+1 mm/km，動態(tài)高程±1.5 cm+1 mm/km。其擬合解算結(jié)果見表1。

表1 馬店區(qū)塊約束平差、高程擬合解算結(jié)果Table 1.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Madian block

由表1 可知，水平殘差小于規(guī)范要求的20 mm,垂直殘差小于規(guī)范要求的40 mm。

3.2 支子湖區(qū)塊

使用儀器及施測方法同上。收集C 級控制點(diǎn)4個，加密控制點(diǎn)2 個。共測GPS 基準(zhǔn)站6 個，基線18條。網(wǎng)中平均基線長度為12.194 km?；€解為雙差固定解。重復(fù)基線最大誤差ds=15 mm，小于規(guī)范允許值28 mm。GPS控制網(wǎng)二維約束平差控制網(wǎng)使用4個已知點(diǎn)強(qiáng)制約束解算；高程采用4 個已知高程點(diǎn)參數(shù)擬合，其擬合解算結(jié)果見表2。

表2 支子湖區(qū)塊約束平差、高程擬合解算結(jié)果Table 2.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Zhizihu block

由表2可知，水平殘差小于規(guī)范要求的20 mm，垂直殘差小于規(guī)范要求的40 mm。

3.3 劉圩與立倉區(qū)塊

使用儀器為廣州市三鼎光電儀器有限公司產(chǎn)T66型衛(wèi)星定位接收機(jī)5 臺，全部儀器均經(jīng)過法定計(jì)量檢測檢定合格，在作業(yè)期間，所有參與作業(yè)的儀器均在有效檢定期內(nèi)。

由于立倉工區(qū)范圍已布設(shè)有E 級GPS 控制網(wǎng)（原西賈莊-羅集工區(qū)），且劉圩工區(qū)與立倉工區(qū)距離較近，故本次在原西賈莊-羅集工區(qū)E 級GPS 控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，對原控制網(wǎng)向東擴(kuò)展并重新進(jìn)行平差以取得適合本次作業(yè)的參數(shù)，網(wǎng)中包括擬作為平面起算的C 級GPS 控制點(diǎn)6 個，原E 級GPS 控制點(diǎn)13 個，新設(shè)GPS控制點(diǎn)4 個（K100、K200、K300、K400）。新增點(diǎn)均選擇在視野開闊、交通便利、地基相對穩(wěn)固的位置，點(diǎn)位周圍無大功率電力及無線信號干擾且無大面積水域，所有新增點(diǎn)均埋設(shè)了普通混凝土標(biāo)石。

作業(yè)時，以圖形強(qiáng)度較好的大地四邊形作為主要基本圖形，使用4 臺套GPS 接收機(jī)進(jìn)行同步觀測；以單三角形作為輔助基本圖形，使用3 臺套GPS 接收機(jī)進(jìn)行同步觀測。觀測過程中，高度截止角均大于15°，同步觀測衛(wèi)星數(shù)均大于4 顆，同步觀測時間均大于40 min。GPS 網(wǎng)平差計(jì)算采用南方測繪儀器有限公司的GNSS 靜態(tài)解算軟件（版本號4.05.150324）。本次GPS 靜態(tài)測網(wǎng)全網(wǎng)共有23 個測站點(diǎn)，按照規(guī)范中觀測時段數(shù)≥1.6的要求，應(yīng)觀測37個測站數(shù)據(jù)，實(shí)際參與組網(wǎng)平差的測站數(shù)據(jù)共51個，觀測數(shù)量滿足規(guī)范要求。

全網(wǎng)最大邊長為35 350 m，最小邊長為3 426 m，平均邊長為10 515 m。按照儀器精度計(jì)算的整網(wǎng)基線測量標(biāo)準(zhǔn)差σ＝10.6 mm,在此基礎(chǔ)上放大一倍的高程網(wǎng)基線測量標(biāo)準(zhǔn)差σ＝21.2 mm。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下：

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，mm；a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數(shù)，10-6mm；d為基線平均邊長，km。

全網(wǎng)組網(wǎng)基線共75 條，解算模式選擇雙差固定解，解算結(jié)果均滿足要求。重復(fù)基線共14 條，基線長度較差最大值為13.5 mm，對應(yīng)重復(fù)基線長度較差允許值為42.9 mm。

按照3 層深度搜索模式得到三邊閉合環(huán)總數(shù)122個，其中同步環(huán)49 個，異步環(huán)73 個，環(huán)內(nèi)坐標(biāo)分量閉合差最大為8.6 mm，對應(yīng)環(huán)內(nèi)坐標(biāo)分量允許閉合差為16.7 mm；環(huán)閉合差最大為19.9 mm，對應(yīng)環(huán)允許閉合差為28.9 mm。

無約束平差中，基線分量改正數(shù)最大值為34.9 mm，對應(yīng)基線分量改正數(shù)允許值為163.1 mm。約束平差中，基線分量改正數(shù)最大值為43.5 mm，對應(yīng)基線分量改正數(shù)允許值為163 mm。平面最弱點(diǎn)為WK13 點(diǎn)，點(diǎn)位精度為±5.49 mm，高程擬合采用二次曲面擬合方式，內(nèi)符合精度中誤差為±59.1 mm；最弱點(diǎn)為K400，高程擬合精度為±9.4 mm。以上所有結(jié)果均滿足規(guī)范相應(yīng)要求。

GPS 靜態(tài)測量和RTK 測量使用儀器為南方T66型衛(wèi)星定位接收機(jī)GPS雙頻接收機(jī)，儀器標(biāo)稱精度：靜態(tài)平面為±3 mm+1 mm/km，靜態(tài)高程為±5 mm+1 mm/km；動態(tài)平面為±1cm+1mm/km，動態(tài)高程為±2cm+1mm/km。

4 碎部測量

控制測量完成后，馬店、劉圩、支子湖三個區(qū)塊所需7 個參數(shù)分別都帶入RTK 中，每個區(qū)塊選取基站點(diǎn)后，用RTK手簿自帶軟件，做控制點(diǎn)測量，從最近已知點(diǎn)引點(diǎn)至基站位置，分別從2個已知點(diǎn)引點(diǎn)至基站，選取得到的2 個基站坐標(biāo)平均數(shù)，作為最終基站坐標(biāo)。最終坐標(biāo)合格率都為100%。針對1∶25 000 面積性重力測量高程中誤差≤±0.2 m的精度要求，采用RTK單基站模式進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)位的點(diǎn)放樣。為方便測量后質(zhì)檢，采用竹簽定點(diǎn)，懸掛小紙旗或紅布條作為臨時標(biāo)記。

GPS 測量基準(zhǔn)站的架設(shè)有專人看守，負(fù)責(zé)維護(hù)基準(zhǔn)站，保證儀器狀態(tài)良好，確保各流動站全天正常工作。流動站RTK 測點(diǎn)觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4 顆，PDOP值小于6，高度截止角大于15°，移動站與基準(zhǔn)站距離一般不大于10 km。移動站和基站數(shù)據(jù)鏈采用中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)模式。

工作中若遇密集建筑物、大片水域或其他不利地形等情況，一般在1/2點(diǎn)距范圍內(nèi)可作適當(dāng)位移，超出此范圍作棄點(diǎn)處理。

點(diǎn)位、高程、重力測點(diǎn)質(zhì)量檢查采用“一同三不同”的方法隨野外生產(chǎn)進(jìn)度同步展開，質(zhì)量檢查點(diǎn)在時間上和空間上分布基本均勻。各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)精度。各工區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 重力測點(diǎn)質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)Table 3.Statistics of gravity survey point quality inspection

全區(qū)統(tǒng)計(jì)測地平面中誤差為±0.057 m，優(yōu)于設(shè)計(jì)10 m 要求；高程中誤差為±0.025 m，優(yōu)于設(shè)計(jì)0.2 m 要求。由表3 可知，平面和高程中誤差均小于設(shè)計(jì)2 倍中誤差的要求，質(zhì)量檢查率小于設(shè)計(jì)3%。

RTK質(zhì)檢所采用公式［5］分別為：

（1）RTK定位平面中誤差εg的計(jì)算公式如下：

式中：εxi，εyi為第i點(diǎn)x和y方向原始觀測與檢查觀測之差；i為檢查點(diǎn)號，i=1，2，…，n。

（2）RTK定位高程中誤差εh的計(jì)算公式如下：

式中：δhi為第i點(diǎn)高程原始觀測與檢查觀測之差；n為檢查點(diǎn)數(shù)，i=1，2，…，n。

針對在馬店、劉圩、立倉三個區(qū)塊部署的1∶10 000面積性地面高精度磁法測量，采用帶入?yún)?shù)后的手持GPS 進(jìn)行測點(diǎn)放樣［5］。首先計(jì)算手持GPS 測量所需參數(shù)，用WGS84坐標(biāo)系X、Y、Z、A、F值，減去我國坐標(biāo)系的對應(yīng)值，得出實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的5個參數(shù)，即DX、DY、DH、DA、DF，所需WGS84 坐標(biāo)和平差后的目標(biāo)坐標(biāo)由E級GPS控制測量得到。

參數(shù)驗(yàn)證：將求得的5 個參數(shù)輸入手持GPS 中，在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)選擇2 個以上控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，所測坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比對，如果最大誤差不超過15 m，平均誤差不超過10 m，則計(jì)算參數(shù)可以應(yīng)用。實(shí)際測量誤差最大為5 m，平均誤差值為4 m滿足以上條件。

手持GPS 質(zhì)量檢查也采用同精度“一同三不同”方式進(jìn)行，隨工作進(jìn)度隨機(jī)進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。由表4 可知，三個工作區(qū)塊質(zhì)檢檢查率最小的馬店也大于設(shè)計(jì)3%的要求，平面和高程中誤差均小于設(shè)計(jì)精度。

表4 磁法測量質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)Table 4.Statistics of magnetic survey quality inspection

5 結(jié)束語

本次測量工作根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求結(jié)合物探測量的特點(diǎn)，有針對性地安排了GPS控制測量和碎部測量，從精度上來說完全滿足設(shè)計(jì)要求，控制測量點(diǎn)的數(shù)量和密度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，分布完全覆蓋3 個測區(qū)，但是由于GPS數(shù)據(jù)具有偶然性和信號易受各種因素干擾，所以每次測量觀測3次取平均數(shù)為最終結(jié)果。RTK 單基準(zhǔn)站模式下，流動站坐標(biāo)是由一個基準(zhǔn)站來確定的，因此可靠性較差，所以每次測量完成后進(jìn)行質(zhì)檢時，質(zhì)檢會選擇另一個基站（坐標(biāo)已知），通過質(zhì)檢測量數(shù)據(jù)表可知誤差符合規(guī)范要求。手持GPS 測量主要是注意避開影響信號的障礙物和大范圍水面等因素?？偟膩碚f，GPS 測量在工作中操作簡單，效率高。相信通過不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)改進(jìn)，GPS 技術(shù)一定能更好地為物探測量提供服務(wù)。