淺談GPS RTK在某礦業權核查中的應用

摘要：本文通過生產項目實踐，介紹GPS RTK技術在礦業權核查工作中的應用。與傳統測量方法相比較，GPS RTK測量作業效率高，定位精度高，數據安全可靠，作業不受通視條件影響、操作簡單，能有效減少因地形復雜帶來的繁重工作量，突出顯現出GPS RTK測量的作業優勢。

關鍵詞：GPS RTK技術 礦業權核查

1 GPS RTK定位原理

實時動態測量(RTK) Real Time Kinematic定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態GPS定位技術，通過基準站實時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準站坐標等用無線電數據傳輸鏈傳送給運動中的流動站，流動站在采集GPS觀測數據的同時，通過無線電數據傳輸鏈接收基準站所發射的信息，將載波相位觀測值實時進行差分處理，從而得到基準站和流動站基線向量(Δx、Δy、Δz)，再將基線向量加上基準站坐標得到流動站每個點WGS—84坐標，通過坐標轉換參數轉換得出流動站每個點的平面坐標X、Y和海拔高程H，這個過程稱做GPS RTK定位過程[1]。

從RTK定位過程可以看出，GPS RTK數據處理是基準站和流動站之間的單基線處理過程。采用基準站和流動站的載波相位觀測值的差分組合載波相位，將動態的流動站未知坐標作為隨機的未知參數，載波相位的整周模糊度作為非隨機的未知參數解算，然后進行坐標轉換，從而給用戶實時地提供流動站當前位置在指定坐標系中的三維定位結果。RTK的出現是GPS測量技術發展過程中的一個新突破，極大地方便了測量工作者的日常工作[2]。

2 GPS RTK在礦業權核查中的應用

2.1 利用GPS建立控制網

根據某礦權分布情況，經過實地踏勘了解到，礦權分布疏密不均，多數砂石礦、金屬礦位于某市區東北高山地段，地形切割較深，高差近1800余米，粘土礦則散見于某市城鄉各地，各個礦權之間的距離從幾百米至十幾公里不等，而且測區氣候濕熱，植被覆蓋較厚，通視條件非常困難，如果利用常規方法進行控制測量，根本無法滿足后續核查測量工作的需要，且根本無法在甲方（某市市國土資源局）要求的時間內完成。因此，我們決定采用四臺華測X90型雙頻GPS接收機進行首級控制（D級GPS控制網）。布網時充分利用Google影像地圖的優勢，不僅考慮到礦權分布的實際情況，使點位布設得比較合理，獲得了較好的邊長、圖形條件，而且所有的控制點盡可能的選在交通方便的制高點上，既方便了前期的控制觀測，又為后期的使用創造了有利條件，不僅貼近測區實際，而且很好的滿足了全國礦業權核查對控制測量的基本要求。測區共布設四等GPS控制網（控制點29個）270平方公里。原計劃一個月的控制測量觀測任務，在經過優化布網，合理安排觀測時間和觀測順序后，采用GPS接收機進行靜態觀測，只用了7天完成了外業工作，為后續工作的開展打下了良好的基礎?？刂凭W如下圖1所示。

2.2RTK圖根控制測量

在基礎控制測量結束之后（或在已有控制測量的測區）進行RTK測量之前，首要的任務就是必須事先計算出測區的坐標轉換參數，將GPS觀測的WGS—84坐標轉換為國家平面坐標（如北京54坐標或者西安80坐標）或者工程施工坐標。在此簡單介紹一下從WGS－84到國家平面坐標（如北京54坐標）的轉換過程。方法一是通過現場實測的方式來獲得控制點的WGS—84坐標。具體操作是通過任意設置基準站，流動站在至少三個已知控制點上進行測量，獲得GPS網點坐標（WGS—84坐標），同時將所測控制點的控制坐標（北京54或者西安80坐標）輸入相應的測量任務中，利用【測量】→【點校正】功能，點擊增加，在網格點名稱和GPS點名稱兩項控件里分別選中已知當地平面坐標和已有或實測的WGS—84坐標，校正方法選中“水平和垂直”。重復點擊增加，加入必要數量的校正點（要求水平精度，至少3個點；要求高程精度，至少4個點）。點擊計算得出校正參數，再點擊確定完成校正。如下圖所示：

方法二是將GPS靜態控制測量所獲得的WGS—84坐標和相應控制點的國家平面坐標和高程輸入相應的任務內，利用上述方法完成點校正，獲得相應的坐標轉換參數。

由于GPS RTK數據處理是基準站和流動站之間的單基線處理過程，因此移動站的坐標是基于基準站起算坐標而得到的，當起算坐標由于基準站搬站而變化后，那么需要重設當地坐標。因此，在完成上述轉換參數計算后，采用任意設站的方式設置基準站，只需將基準站架設在礦區附近一制高點上，流動站通過在一個已知點上進行點重置操作，即可進行RTK測量操作。

根據礦權分布情況和核查要求，平均每一個礦權必須有二至三個圖根控制點，相鄰礦業權可以共用其中的一至二個，為此我們在74個礦權范圍內共布設了圖根控制點151個。根據以往的經驗，由于受控制點之間的通視條件的限制，采用常規測量方法是無法如期完成任務的。但如果全部采用快速靜態測量，平均觀測時間以15分鐘計，每一時段搬站時間以2-3小時（只有一臺工作用車，部分礦區車無法直接到達，需走路10分鐘至40分鐘不等），每天工作10小時，將需要15天才能勉強完成圖根控制測量。后來通過咨詢和查閱相關資料了解后，決定采用RTK進行圖根控制測量，并可與礦區開采現狀平面測量工作一并進行，只需將圖根控制的觀測歷元提高到180個，就能夠滿足圖根控制測量的基本要求。最后，通過對所布設的151個圖根控制點中的27個經野外隨機實測檢查，其平面中誤差為：±3.8cm，高程中誤差為±3.6cm，不僅滿足了圖根控制測量的精度要求，同時也大大的節約了人力物力，提高了工作效率。

2.3 礦區開采現狀平面圖測繪與礦業權拐點放樣

RTK工作的特點之一是多臺儀器可以同時進行各項不同的作業內容，因此礦區開采現狀平面圖測量、礦業權拐點放樣與圖根控制測量是同時進行的。為了保證測量結果的準確性，避免在測量過程中產生錯誤，在進行測量前需利用部分控制點的靜態平面成果及水準高程成果進行檢核，若誤差在精度允許范圍內即可進行圖根控制點測量和采區平面碎部測量。利用GPS RTK測量，流動站的操作只須一人（可培訓熟練工），繪圖人員隨著現場畫草圖，這樣繪圖人員可以很直觀地了解整個測區的地形及地貌。也可以采用編碼的方法來實現繪圖的需要，只是采用編碼法要求測量員必須懂得相關知識，同時多人作業時，事先需經過培訓并統一編碼的相關規則和要求，現場也需要繪制相關草圖，避免因編碼錯、亂而導致無法反映現實情況。采用RTK測量，所有數據全部存儲在流動站接收機的PC卡或手簿中，避免了以往報、聽、記錄數據中可能發生的差錯，保證了數據采集的完全正確性。

拐點放樣只需將拐點坐標輸入到手簿中，采用RTK中的放樣程序即可實現。具體做法：首先將拐點坐標輸入手簿，再用測量—點放樣—常規點放樣，將拐點坐標添加到放樣程序中，選擇放樣，按手簿指示的方向和距離走路即可完成作業。

3 RTK在礦權調查應用中的優勢

3.1 作業效率高、沒有誤差積累

在此次礦業權核查過程中，我們使用三臺流動站和一臺基準站，分三個組共同作業，一組進行礦權拐點放樣、兩組進行采區平面圖測繪和圖根控制點測量，基本上一天能夠完成2-3個礦業權核查的測量外業。與常規測量儀器不同的是，采用RTK進行測量無需事先布設圖根點，可以將圖根測量與碎部點測繪同時進行。大大減少了傳統測量所需的控制點數量和測量儀器的“搬站”次數，僅需一人操作，在一般的情況下幾秒鐘即可測得一地形點的三維坐標，作業速度快，勞動強度低，節省了外業費用，提高了勞動效率。

RTK技術當前的標稱精度：平面10mm+2ppm；高程20mm+2

ppm。在一定的作業半徑R范圍內(，h、H分別為流動站天線高與基準站天線高)，只要滿足電磁波“通視”，RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，而在實際工作時，根據具體的作業環境不同，所達到的作業半徑和測量精度都會有所差異。本次核查中，通過對所布設的151個圖根控制點中的27個經野外隨機實測檢查，其平面平均中誤差為：±3.8cm，高程平均中誤差為±3.6cm，滿足了規范0.1m的要求。同時，RTK測量的數據直接存儲在接收機或PC卡內，數據處理時使用數據傳輸線可將數據直接傳輸到電腦，避免了讀數、計數所產生的人為誤差。

3.2 不要求光學通視，須滿足“電磁波通視”

與傳統常規儀器測量相比，RTK技術受通視條件、能見度、氣候、季節等因素的影響和限制較小，在傳統測量看來由于地形復雜、地物障礙而造成的難通視地區，只要滿足RTK的基本工作條件，它也能輕松地進行快速的高精度定位作業[3]。

3.3 與全站儀配合，解決RTK失鎖問題

在某市市城區進行熱水井測量時，由于建筑物密集，熱水井常常是位于建筑物與建筑物之間或建筑物內部，GPS衛星經常被建筑物遮擋使RTK處于失鎖狀態，常常出現假固定或不能固定的狀態。為此我們根據熱水井位置，利用RTK測設圖根控制點配合全站儀進行熱水井測量和碎部測圖，很好的解決了RTK因收索不到衛星信號而不能固定的問題，并大大提高了測圖精度和速度[4]。

4 在產權調查中的注意事項

4.1 基準站位置的選擇

GPS RTK定位的數據處理過程是基準站和流動站之間的單基線處理過程，基準站和流動站的觀測數據質量好壞、無線電的信號傳播質量好壞對定位結果的影響很大。野外工作時，基準站位置的選擇對觀測數據質量、無線電傳播影響很大，但流動站作業點只能由工作任務決定觀測地點，所以，基準站位置的有利選擇非常重要。為此，在工作中選擇基準站測量點位時應注意以下幾點：①為了觀測到更好的觀測數據，保證對衛星的連續跟蹤觀測和衛星信號的質量，要求基準站上空應盡可能開闊，讓基準站盡可能跟蹤和觀測到所有在視野中的衛星，在基準站GPS天線的5°—15°的高度角以上不能行成片的障礙物。②為減少各種電磁波對GPS衛星信號的干擾，在基準站周圍約200米的范圍內不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發射設施、高壓輸電線等。③為避免或減少多路徑效應的發生，基準站應遠離對電磁波信號反射強烈的地形物，如高層建筑、成片水域等。④因為基準站所需要帶的設備較多，為了提高GPS RTK工作效率，節省人力，基準站點位應選擇在交通方便容易上點的制高點上。

4.2質量控制

任何儀器即使是在最為理想的狀態下工作，其可靠性都不可能是百分之百的，RTK測量也不例外。由RTK的定位原理可知，GPS RTK定位的數據處理過程是基準站和流動站之間的單基線處理過程，與GPS靜態測量相比，缺少重復基線的檢核條件，GPS RTK測量更容易出錯，如出現數據鏈傳輸誤差等，因而必須進行質量控制，以確保測量成果的準確性和精度。相關資料研究表明，RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95%。為了更好的了解和掌握儀器性能，避免產生粗差或錯誤，經過一年來的實踐，在設備條件不變的情況下，進行質量控制主要采用以下兩種方法：①已知點檢核比較法—即在已有的高等級控制點上，用RTK測出這些控制點的坐標進行比較檢核，若發現問題即可采取措施改正。②重測比較法——每次進行點重置（初始化）成功后，先重測1-2個已測過的RTK點或高精度控制點，確認無誤后才進行RTK測量。在這兩種方法中，最可靠的是已知點檢核比較法，但在一個礦區控制點的數量總是有限的，而且距離相對較遠，實施起來雖說容易但比較費時費力，所以經常采用重測比較法來檢驗測量成果。另外，從相關資料上了解到，還可以采用電臺變頻實時檢測法來進行質量控制——它是在測區內建立兩個以上基準站，每個基準站采用不同的頻率發送改正數據，流動站用變頻開關選擇性地分別接收每個基準站的改正數據從而得到兩個以上解算結果，比較這些結果就可判斷其質量高低。雖然電臺變頻實時檢測法的實時性較好，但它需具備一定的儀器設備條件，在一般情況下并不經常被采用。

5結束語

在視野開闊、障礙物較少的城市新區建設、植被稀疏低矮野外勘探定位等能夠取到很好的效果，而在建筑物密集的城區建設和植被覆蓋較厚的林區，使用GPS RTK測量，或者接收不到信號，或者雖接收到信號，但一直處于浮動狀態，出現假固定或者不能固定，因此所得數據往往誤差較大，既無效率，又無精度，不能充分顯示出GPS RTK測量的優越性。解決這一問題的最佳辦法就是上述提到的應用GPS RTK 在視野開闊處進行圖根控制測量，利用全站儀進行放樣或碎部點測繪，兩者結合，可以大大的提高工作效率。

參考文獻：

[1]李德獎.鐵路測量中rtk作業方式的探討.鐵道勘查，2010（1）：104-106.

[2]楊兆祥.GPS-RTK技術在公路測量中的應用前景探討.林業科技情報，2010.（4）：89-90.

[3]趙惠德.GPS RTK和全站儀在物化探規則測網布設中的應用.科技與生活，2010.（24）：75-77.

[4]楊光營.GPS RTK測量技術應用分析.中國地名，2010(14)：65-69.

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