GPS-RTK 在礦山測量中的應用

張 林 王家吉 龍澤偉 鐘銀富

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北 黃石 435100）

1 礦山開發簡況

湖北三鑫金銅股份有限公司現有資產總額12 億元，員工近1600人，其中專業技術人員近400人。年采選規模100 萬噸，年產金1.4 噸,產銅1.2 萬噸，采礦方式為地下開采，主副豎井開拓，采礦方法是分段中深孔嗣后階段膠結充填法和上向水平分層膠結充填法，選礦工藝為混合浮選銅硫分離，尾礦回收硫和鐵，尾砂主要用于井下充填，余下部分壓濾干堆。

2 GPS原理

2.1 GPS-RTK 定位技術簡介

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，它是GPS測量技術發展中的一個新突破，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK 作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態。

2.2 GPS-RTK 技術優點

與常規的測量方法比較，GPS-RTK 測量具有以下幾個方面的優點：

(1)工作效率高:對一般的地形進行碎步測量，傳統測量儀器（如全站儀）要在通視的情況下布設比較多的控制點，而且要不停的"搬站"，做控制點和搬站作業至少需要3人，也比較浪費作業時間。而RTK 作業范圍比較大，一般的RTK 可以覆蓋3-4km 半徑的測區，質量好的RTK 可以覆蓋5-10km 半徑的測區，一般只要1-2人，在一般的電磁波環境下5秒鐘就可獲得限差內的固定坐標，作業速度快，勞動強度低，提高了勞動效率，節省了外業費用。

(2)定位精度高，數據安全可靠，沒有誤差積累:只要滿足RTK的基本工作條件，在一定的作業半徑范圍內，RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級。RTK 技術當前的測量精度：RTK 動態精度水平：10mm+1ppm(rms)，垂直：20mm+1ppm(rms)；靜態后處理精度水平：5mm+0.5ppm(rms)，垂直：10mm+0.5ppm(rms)。

(3)降低了作業條件要求:RTK 技術不要求兩點間滿足光學通視，只要求滿足"電磁波通視"。因此，和傳統測量相比，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。

(4)RTK 操作簡便，測繪功能強大:目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而且RTK 手簿提供了非常多的應用軟件，且功能強大，使測量工作遠離以前復雜的計算作業，減少了測量內業工作量。

3 GPS-RTK的應用

3.1 尾礦庫征地、大壩增高、壩體沉降觀測

GPS-RTK 在信號強度比較好的地方，精度可達到mm 級，完全可以適用于尾礦庫大壩的沉降觀測。以前做一次沉降觀測是一件很費時費力的事情，通常耗費3-5人，要兩三天才能完成，一季度才計劃做一次觀測。現在用GPS進行沉降觀測就比較方便。通常一個上午，兩個人就可以完成，而且內業也比較省力，所有數據通過南方Cass 直接展圖，與原來的數據對比就知道變化情況，現在的觀測頻率達到一月一次。

2010年尾礦庫大壩加高擴容，涉及到征地范圍。按照設計的標高，用GPS-RTK 將涉及的區域圈定下來。壩體坡度比設計1:2，中間有兩個緩沖平臺，GPS手簿擁有強大的計算功能，利用坡度比計算程序，可以非常快的檢核大壩的坡度是否符合設計。應用GPSRTK 非常優質高效的完成了此次任務。

3.2 地表地形圖測量

公司經過了三期的擴建發展，地表變化比較大，地域面積大，要經常更新地形圖.過去一般用全站儀測地形圖，先要在測區范圍建立控制點，如果附近沒有控制點，就必須花費大量人力和時間做控制點。在測站上測四周的地物地貌等碎部點時，要求碎部點都必須與測站通視，如果不通視就需要"搬站"，比較浪費時間，而且至少要求3-4人操作。現在采用RTK，在一般的地形地勢下，設站一次就可測完以5公里（中海達GPS）為半徑的測區，將基站放置在公司高樓頂部，外出作業僅需1-2人拿著移動站和手簿操作，在地形地貌碎部點上待5s 左右，獲得限差內的固定解后，就得到該點的三維坐標值，同時輸入地物編碼，在測量過程中實時知道點位精度，這樣使作業速度加快，節省了人力，也提高了勞動效率。RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，并且誤差沒有累加，數據安全可靠。當一個測區測完后獲得的數據通過Cass 成圖軟件就可以繪制輸出所需求的地形圖。

3.3 土方量計算

三鑫公司的不斷發展，地表基建工作比較多，涉及填挖土方量的計算。在工程施工前，用GPS-RTK 測繪工程區域內的地形圖，在工程完成后再測繪一次施工區域的地形圖，將兩次的數據導入到南方Cass 軟件中，利用軟件中的DTM 法、斷面法、方格網法等功能來計算體積，既節省大量人力，也比較準確。

3.4 雞籠山控制測量

兄弟單位雞籠山礦業公司井下保有儲量面臨枯竭，開始國家危機礦山接替項目，進行周邊外圍探礦。而外圍的探礦區域都是山高林密，荊棘密布，用全鉆儀將礦區內的控制點導到探礦區域，幾乎是不可能的事情。我公司測量技術人員利用GPS-RTK的靜態模式進行控制測量，花費三天時間，在探礦區域共施放了8個控制測量點，數據采集時PDOP 值小于等于6，并且持續顯示為固定解.為保證采集數據的可靠性，每點獨立初始化二次，采集數據點位較差小于2 厘米，其相對誤差均小于1/4000 規范要求。

3.5 尋找老鉆孔、井下采空區注漿封堵

2010年3月的雨季，井下-160m 出現重大突水事故，并且攜帶大量泥沙，表明地表水與井下間隙水聯通。為保證安全生產，杜絕井下突水隱患，首先尋找塌陷區附近的鉆孔封閉情況，對封閉不良的鉆孔要重新封堵，然后對井下老采空區進行注漿封堵。

將設計好的點位標定出來，常規的放樣方法如經緯儀交會放樣、全站儀的邊角放樣等，放樣時要來回移動目標，反復測設水平角和距離，而且要2-3人操作，存在一定人為誤差，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，有時放樣過程遇到困難的情況要借助于很多方法才能放樣，如距離較遠時還必須支測點，從而使誤差累加影響放樣點的精度。而利用GPS-RTK的點放樣功能很容易實現，在手簿中輸入設計坐標，根據手簿指示就可找到封閉不良鉆孔位置和找到井下采空區對應地表的范圍，放樣精度比較高，僅需1-2人操作。整個工程分為副斜井注漿止水工程、桃源民采區注漿帷幕堵水工程、淺部老空區和井巷充填及注漿工程。工程歷時13個月，完成鉆孔46個，累計完成鉆孔深度4230米，充填量（水泥配比尾砂）28000 立方米，注漿量（水泥）4172 立方米注漿量。

3.6 地表物探

2009年與北京科技大學合作研究探測礦區-300m以上溶洞和民采空區的分布情況。歷時約40天的時間，協助北京科技大學物探研究隊進行物探工作，利用GPS-RTK的點放樣、線放樣和碎步測量功能，施放23、22b、22……16b、16線等15條勘探線和5條臨時線，共計20條線，累計采集測點坐標近500個，極大的推動了工作進度。

4 GPS-RTK的不足與改進

4.1 受衛星狀況限制

當衛星系統位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛星所覆蓋，容易產生假值。另外，在林區、居民區、山地等復雜地區，衛星信號被遮擋時間較長，使一天中可作業時間受限制。為解決此問題可以選用GPS+GLONASS的雙星雙頻系統，在不久的將來還可以選用我們的北斗定位系統。

4.2 數據鏈傳輸受干擾和限制

RTK 數據鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業精度和作業半徑。另外，當RTK 作業半徑超過一定距離 (電臺一般為幾公里，GPRS作業半徑可達10公里)時，測量結果誤差超限，所以RTK的實際作業有效半徑比其標稱半徑要小。解決這類問題的有效辦法是把基準站布設在測區中央的最高點上，或者結合全站儀，用RTK將控制點施放在附近信號比較好的地方，再用全站儀測設受信號干擾嚴重的區域。

4.3 初始化能力和所需時間問題

在山區、一般林區、城鎮密樓區等地作業時，GPS衛星信號被阻擋機會較多，容易造成失鎖，采用RTK 作業時有時需要經常重新初始化。這樣測量的精度和效率都受影響。解決這類問題的辦法主要是選用初始化能力強、所需時間短的RTK 機型。

4.4 電量不足問題

使用內置GPRS傳遞數據鏈，電池可以工作十小時左右，但如果使用電臺傳遞數據鏈，RTK 耗電量較大，需要大容量電池才能保證連續作業，一般選用汽車用電瓶。

4.5 精度和穩定性問題

RTK 測量的精度較容易受衛星狀況、天氣狀況、數據鏈傳輸狀況影響。不同質量的RTK 機型，其精度和穩定性差別較大。要解決此類問題，首先要選用精度和穩定性都較好的高質量機種，然后要在布設控制點時多布置一些“多余”控制點作為RTK 測量成果質量控制的檢核點。我公司就布設了"多余"控制點，每次外出作業都要檢核精度。

結語

2月25日凌晨0時12分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號丙”運載火箭，將第十一顆北斗導航衛星成功送入太空預定轉移軌道。按照北斗衛星，北斗導航系統"三步走"的發展戰略，2012年中國還將會陸續發射多顆北斗導航組網衛星，不斷地擴大覆蓋區域，提升系統服務性能。2020年左右，將會建成由30 多顆衛星組成的北斗衛星導航系統，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務。在不久的將來，可以用上我們自己的GPS導航系統。屆時，筆者認為GPS會有更加廣闊的使用前景。

[1] 郭達志.礦山測量的昨天、今天和明天[A]，第七屆全國礦山測量學術會議論文集[C].2007.

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