GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用

汪莉萍

(江西省德興市國(guó)土資源局，江西德興 334200)

GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用

汪莉萍

(江西省德興市國(guó)土資源局，江西德興 334200)

本文詳細(xì)介紹了GPS－RTK技術(shù)的基本工作原理及工作流程，并通過(guò)實(shí)例分析了GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中應(yīng)用的優(yōu)越性，闡述了RTK技術(shù)的局限性。

GPS－RTK技術(shù);測(cè)量原理;露天礦山測(cè)量;轉(zhuǎn)換參數(shù);應(yīng)用

近年來(lái)隨著GPS技術(shù)的出現(xiàn)以及GPS接收機(jī)空間定位精度的不斷提高，GPS－RTK技術(shù)也已廣泛用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及地形測(cè)量等各個(gè)測(cè)量領(lǐng)域，GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用具有非常廣闊的前景，本文將以德興銅礦露天礦山測(cè)量為例，闡述了GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用。

1 GPS－RTK技術(shù)的基本工作原理

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)［1］它包括三個(gè)組成部分即: GPS衛(wèi)星的空間部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)的地面控制部分和GPS信號(hào)接收機(jī)的用戶部分。

1.2 GPS－RTK的基本思想

差分GPS定位技術(shù)［1］是一種高效的定位技術(shù)，它利用2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，其中的一臺(tái)安置在已知點(diǎn)坐標(biāo)上作為基準(zhǔn)站，另一臺(tái)用來(lái)測(cè)定未知的坐標(biāo)即:流動(dòng)站，基準(zhǔn)站根據(jù)該點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)求出其到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并將這一改正數(shù)發(fā)給流動(dòng)站，流動(dòng)站根據(jù)這一改正數(shù)來(lái)改正其定位結(jié)果，從而大大的提高了定位精度。RTK技術(shù)是載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。

1.3 GPS－RTK的測(cè)量原理

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量［1］(Real－Time Kinematic)簡(jiǎn)稱RTK，又稱載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。需要至少兩臺(tái)GPS接收機(jī)，在已知點(diǎn)上設(shè)置一臺(tái)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，并將一些必要的數(shù)據(jù)，如基準(zhǔn)站坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)等輸入GPS手簿，一至多臺(tái)GPS接收機(jī)設(shè)置為流動(dòng)站，共同跟蹤5顆以上衛(wèi)星。基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)送到流動(dòng)站，流動(dòng)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)與基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖植具M(jìn)行實(shí)時(shí)差分及平差處理，實(shí)時(shí)得到本站的坐標(biāo)和高程及其實(shí)測(cè)精度，并隨時(shí)將實(shí)測(cè)精度和預(yù)設(shè)精度指標(biāo)進(jìn)行比較，一旦實(shí)測(cè)精度達(dá)到預(yù)設(shè)精度指標(biāo)，手簿將提示測(cè)量人員是否接受該成果，接手后手簿將測(cè)得的坐標(biāo)、高程及精度同時(shí)記錄于手簿中。

移動(dòng)站可處于靜態(tài)，也可處于動(dòng)態(tài)，可在一個(gè)固定點(diǎn)上進(jìn)行初始化后進(jìn)入動(dòng)態(tài)工作，也可以在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行初始化(須有動(dòng)態(tài)初始化On－The－Fly簡(jiǎn)稱OTF功能接收機(jī))。移動(dòng)站與基準(zhǔn)站測(cè)量范圍距離一般在15km以內(nèi)，實(shí)時(shí)三維定位精度可達(dá)厘米級(jí)。我們?cè)诘屡d銅礦露天礦山測(cè)量中使用的是南方靈銳S86(1+3)接收機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)為:雙頻主機(jī)、天線，RTK電臺(tái)一體化。

2 工作流程

2.1 收集礦區(qū)控制點(diǎn)資料

作業(yè)前首先收集礦區(qū)控制點(diǎn)資料，包括控制點(diǎn)坐標(biāo)、高程、等級(jí)、中央子午線、坐標(biāo)系、控制網(wǎng)類型、控制點(diǎn)的位置及周?chē)匦问欠襁m合作動(dòng)態(tài)GPS的參考站［2］。如無(wú)可用控制點(diǎn)，還需要布設(shè)及測(cè)求GPS控制網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差與高程轉(zhuǎn)換，還要對(duì)礦區(qū)控制點(diǎn)進(jìn)行合理的布設(shè)和篩選，使其數(shù)量不應(yīng)低于3～4個(gè)，且要求分布均勻。

2.2 求解礦區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

由于GPS RTK獲得的是WGS－84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，而工程要求的是地方坐標(biāo)(該礦區(qū)需要的是北京54坐標(biāo))，這就要求必須將WGS－84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)或地方坐標(biāo)。由于該礦區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)和北京54坐標(biāo)(或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo))都已知道，在靜態(tài)測(cè)量中，通過(guò)與坐標(biāo)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，并使用后處理軟件來(lái)求取WGS－84坐標(biāo)與北京54坐標(biāo)或地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而把GPS觀測(cè)的WGS－84坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)或地方坐標(biāo)成果。在RTK測(cè)量中，我們可以直接采用后處理得到轉(zhuǎn)換參數(shù)［3］，從而得到實(shí)時(shí)的三維定位結(jié)果。

2.3 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的設(shè)置

在RTK測(cè)量［4］過(guò)程中，流動(dòng)站的測(cè)量精度是隨著與基準(zhǔn)站距離增大而降低的，同時(shí)與接收信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)。為使在礦區(qū)測(cè)量時(shí)能夠獲得較好的信號(hào)，基準(zhǔn)站盡量安置在高處，且在測(cè)區(qū)的中心位置，保證流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的距離不能太大，一般不超過(guò)15km。且周?chē)鸁o(wú)衛(wèi)星信號(hào)的大面積遮掩和影響RTK數(shù)據(jù)鏈通訊的無(wú)線電干擾，必要時(shí)可提高基準(zhǔn)站天線的架設(shè)高度和采用外置電臺(tái)增加電臺(tái)功率。

2.4 野外數(shù)據(jù)的采集

在已知點(diǎn)上架好GPS主機(jī)和天線，打開(kāi)GPS主機(jī)電源，GPS主機(jī)開(kāi)始搜索衛(wèi)星，當(dāng)接收衛(wèi)星達(dá)到5顆或5顆以上時(shí)，PDOP小于2時(shí)，啟動(dòng)電臺(tái)，電臺(tái)指示燈顯示發(fā)出通訊信號(hào)后啟動(dòng)流動(dòng)站;當(dāng)流動(dòng)站接收衛(wèi)星達(dá)到5顆或5顆以上時(shí)，并接收到主機(jī)發(fā)送的信號(hào)后打開(kāi)工作手簿，建立項(xiàng)目工程名稱、文件名稱、設(shè)置投影參數(shù)，待參數(shù)設(shè)置完成，基準(zhǔn)站設(shè)置好啟用七參數(shù)到固定解后校正，到另外一已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，當(dāng)檢核滿足精度要求［5］后，便開(kāi)始RTK野外數(shù)據(jù)采集，野外采集的數(shù)據(jù)以DAT數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)于手簿中(內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要使用DAT格式)。

3 GPS RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用

由于GPS測(cè)量技術(shù)具有全天候、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，隨著GPS接收機(jī)性能的不斷完善，使GPS－RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中可以完成多項(xiàng)工作，有時(shí)常規(guī)測(cè)量方法和儀器很難滿足工程需要，根據(jù)工程性質(zhì)和特點(diǎn)，為滿足礦山生產(chǎn)和建設(shè)的需要，通過(guò)實(shí)踐證明，GPS－RTK技術(shù)在露天礦山建設(shè)測(cè)量和生產(chǎn)測(cè)量過(guò)程中具有廣泛的發(fā)展空間，在實(shí)際應(yīng)用中，充分證明了GPS－RTK技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的優(yōu)越性。

3.1 礦區(qū)大比例尺地形圖的測(cè)繪

為滿足礦山生產(chǎn)建設(shè)的需要，需要對(duì)礦區(qū)進(jìn)行大比例尺地形圖的測(cè)繪。用傳統(tǒng)的方法測(cè)圖，需要先建立控制網(wǎng)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。其工作量大、速度慢、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，而且每組至少需要3～4個(gè)人。采用GPS－RTK測(cè)量技術(shù)，基準(zhǔn)站設(shè)置好啟用七參數(shù)到固定解后校正就可以自動(dòng)運(yùn)行，一個(gè)流動(dòng)站只需要一個(gè)人就可以操作，在沿線碎部點(diǎn)上只需停留幾秒鐘就可以獲得每點(diǎn)坐標(biāo)、高程，結(jié)合輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，構(gòu)成碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)專業(yè)測(cè)繪軟件CASS［6］數(shù)據(jù)處理、編輯即可繪成DWG數(shù)據(jù)文件的地形圖。由于只需采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和高程和輸入其屬性信息，而且采集速度快，大大降低了測(cè)圖難度，既省時(shí)又省力。

3.2 露天采場(chǎng)采剝量的驗(yàn)收

德興銅礦是大型的露天礦山:分銅廠采區(qū)和富家塢采區(qū)，礦石日處理量就達(dá)13萬(wàn)t，根據(jù)工程性質(zhì)，每月都要對(duì)兩個(gè)采礦場(chǎng)的礦巖剝離量進(jìn)行驗(yàn)收。采用常規(guī)驗(yàn)收方法，需要先在采場(chǎng)周?chē)O(shè)置導(dǎo)線控制點(diǎn)，并且要保持點(diǎn)間通視，有時(shí)還要引測(cè)到采場(chǎng)內(nèi)部，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，測(cè)量驗(yàn)收的現(xiàn)場(chǎng)工作量大。而且由于爆破及邊坡的影響，常常會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)被破壞，每次工作前都要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，才能保證驗(yàn)收精度。而采用GPS－RTK測(cè)量技術(shù)只需要在一個(gè)已知控制點(diǎn)上架設(shè)好基準(zhǔn)站啟用七參數(shù)到固定解后校正，即可同時(shí)采用多臺(tái)流動(dòng)站進(jìn)行采礦場(chǎng)現(xiàn)狀碎部點(diǎn)采集工作。在采集碎部點(diǎn)過(guò)程中不需要點(diǎn)間通視，而且每個(gè)碎部點(diǎn)的采集都為獨(dú)立觀測(cè)，不存在誤差積累。采用GPS－RTK測(cè)量技術(shù)只需要2天就可完成采場(chǎng)采剝量的驗(yàn)收工作，既保證了精度又提高了作業(yè)效率，同時(shí)又節(jié)省了大量的人力、物力。

3.3 露天采場(chǎng)邊坡境界線的施工放樣

設(shè)計(jì)人員在地形圖上定線后，需將境界線及里程樁在地面上標(biāo)定出來(lái)。采用GPS－RTK測(cè)量技術(shù)，只需要將境界線各拐點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS手簿中，采用線放樣或點(diǎn)放樣功能系統(tǒng)即可同時(shí)完成境界線及里程樁的標(biāo)定工作。由于每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致，同時(shí)在標(biāo)定過(guò)程中進(jìn)行實(shí)測(cè)，標(biāo)定結(jié)束后落到設(shè)計(jì)圖上進(jìn)行檢核，確保標(biāo)定位置正確。

3.4 鉆孔的測(cè)量和放樣

采用GPS－RTK測(cè)量技術(shù)只需要在一個(gè)已知控制點(diǎn)上架設(shè)好基準(zhǔn)站啟用七參數(shù)到固定解后校正，即可同時(shí)采用多臺(tái)流動(dòng)站進(jìn)行鉆孔坐標(biāo)測(cè)量。地質(zhì)技術(shù)員在圖紙上設(shè)計(jì)好鉆孔后，測(cè)量人員只需將各鉆孔坐標(biāo)輸入GPS手簿中，采用GPS－RTK點(diǎn)放樣功能即可將鉆孔點(diǎn)位標(biāo)定到實(shí)地位置。

4 GPS－RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及測(cè)量中注意事項(xiàng)

4.1 GPS－RTK測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1)點(diǎn)位精度高。采用GPS－RTK技術(shù)采集的每一個(gè)點(diǎn)都為獨(dú)立觀測(cè)點(diǎn)，不存在誤差積累，而且數(shù)據(jù)安全可靠。只要滿足RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)，RTK的平面精度就能夠達(dá)到厘米級(jí)。

(2)作業(yè)效率高。在一般的地形地勢(shì)條件下，設(shè)站一次就可測(cè)完大約6km半徑的測(cè)區(qū)，大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量所需的控制點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量?jī)x器搬站的次數(shù)，提高了勞動(dòng)效率。

(3)降低了作業(yè)條件要求。RTK技術(shù)不要求點(diǎn)間通視，因此和傳統(tǒng)測(cè)量相比，RTK技術(shù)受通視條件、能見(jiàn)度、氣候、季節(jié)等因數(shù)的影響和限制較小。在傳統(tǒng)測(cè)量看來(lái)由于地形復(fù)雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)的測(cè)量工作，只要滿足RTK的基本工作條件，就能夠快速的完成高精度的定位作業(yè)。

(4)操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。只要在設(shè)站時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，就可以邊走邊獲得測(cè)量結(jié)果坐標(biāo)。數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強(qiáng)，便于存儲(chǔ)、管理和共享，達(dá)到一測(cè)多用的目的。

(5)測(cè)量組織更為靈活。因基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間依靠數(shù)據(jù)鏈聯(lián)系，只要電臺(tái)功率足夠，電波發(fā)射范圍就是實(shí)際作業(yè)范圍。各流動(dòng)站獨(dú)立作業(yè)，可采用一個(gè)基準(zhǔn)站配一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)站的作業(yè)組織形式。

4.2 GPS－RTK技術(shù)測(cè)量中注意事項(xiàng)

(1)RTK測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在開(kāi)闊處，避免高壓線及大功率發(fā)射臺(tái)、樹(shù)林、民房等衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的地方。

(2)基準(zhǔn)站應(yīng)設(shè)置在測(cè)區(qū)中央較高位置，遠(yuǎn)離高壓線和大功率發(fā)射臺(tái)等干擾信號(hào)源，且保證基準(zhǔn)站衛(wèi)星截止高度角在15度以上。

(3)在采集作業(yè)前，每次移動(dòng)站要到已知控制點(diǎn)上進(jìn)行檢測(cè)，一是為了確認(rèn)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的輸入項(xiàng)和設(shè)置都正確無(wú)誤;二是為了檢驗(yàn)已知控制點(diǎn)間的兼容性;三是為了方便圖根點(diǎn)控制的精度評(píng)定。

(4)嚴(yán)格規(guī)范操作，減少人為因素對(duì)測(cè)量精度的影響。觀測(cè)者必須垂直握住測(cè)桿，對(duì)于精度要求較高的測(cè)量工作，必須保證水準(zhǔn)氣泡居中，必要時(shí)可采用三腳架基座對(duì)中整平。

5 結(jié)束語(yǔ)

GPS－RTK測(cè)量技術(shù)通過(guò)在德興銅礦大型露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息處理的自動(dòng)化、智能化，能進(jìn)一步提高測(cè)量作業(yè)效率，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使礦山測(cè)量工作變得更加容易。隨著GPS－RTK測(cè)量技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)必將在大型露天礦山測(cè)量中得到普及和應(yīng)用，我們將充分利用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為礦山測(cè)量服務(wù)好。確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，為礦山的生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

［1］劉大杰、施一民、過(guò)靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理.同濟(jì)大學(xué)出版社.1999，2－7:97－143.

［2］孔祥元、梅是義.控制測(cè)量學(xué)(上冊(cè)).武漢科技大學(xué)出版社.1998:250－281.

［3］南方測(cè)繪儀器有限公司.GPS定位原理及應(yīng)用.2005.

［4］南方測(cè)繪儀器有限公司.工程之星2.0用戶手冊(cè).2007.

［5］全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范(CH2001－921992)［S］.

［6］南方測(cè)繪儀器有限公司.CASS2008參考手冊(cè).2008.

The Application of GPS－RTK Technology at Open Pit

WANG Li－ping

(Dexing Land and Resources Bureau of Jiangxi province，Dexing，Jiangxi，China 334200)

The article introduces the basic working principle and process of GPS－RTK technology in detail，and illustrates the limitation of RTK technology by analyzing the superiority of the GPS－RTK technology applied in open pit measurement.

GPS－RTK technology;measuring principle;measuring at open pit;convert parameters;application

TD17

B

1009－3842(2011)04－0028－03

2011－05－03

汪莉萍(1973－)，女，漢族，江西德興人，主要從事國(guó)土測(cè)繪方面工作，E－mail:wanglp6618@126.com