GPS手持機(jī)在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

[摘要]隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國家對礦山資源的監(jiān)測與監(jiān)管也越來越重視。過去傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測手段落后、精度不高以及工作效率低已不能滿足現(xiàn)在的監(jiān)測與監(jiān)管要求，本文探討了手持GPS接收機(jī)的特點(diǎn)、參數(shù)校正后定位精度、礦山監(jiān)測中標(biāo)定采區(qū)點(diǎn)、計(jì)算多邊形面積以及補(bǔ)點(diǎn)等方面的應(yīng)用及其注意事項(xiàng)，提出了將GPS手持機(jī)絕對定位結(jié)果標(biāo)定在地形圖上的一個簡單而新穎的方法，大大增強(qiáng)了GPS手持機(jī)在礦山監(jiān)測與監(jiān)管中的實(shí)用性。

[關(guān)鍵詞]GPS手持機(jī)定位精度 標(biāo)定采區(qū)點(diǎn)

中圖分類號： P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

全球定位系統(tǒng)(GPS：Global Positioning System)是美國國防部從20世紀(jì)70年代開始研制的，主要用于軍事導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。GPS基于運(yùn)行在6個軌道上的24顆人造地球衛(wèi)星，可以迅速而精確地獲取空間任意點(diǎn)的二維或三維坐標(biāo)和實(shí)時導(dǎo)航。目前，空間軌道上的24顆衛(wèi)星已經(jīng)基本覆蓋了全球范圍，這種GPS全球定位網(wǎng)已完全投入運(yùn)行。在地球上任何地方、任何時間同時接收到4顆以上衛(wèi)星的信號就可以進(jìn)行定位工作?，F(xiàn)今，GPS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航、地殼運(yùn)動變形、資源勘察、地球動力學(xué)等諸多學(xué)科。

1 手持GPS接收機(jī)的特點(diǎn)

相對于傳統(tǒng)的GPS，手持式GPS體積小、功耗低、攜帶方便、存點(diǎn)快捷、捕捉衛(wèi)星信號的靈敏度高、定位速度快、單點(diǎn)實(shí)時定位精度高。同時，手持GPS不受天氣、行政界限的約束，可以計(jì)算出當(dāng)?shù)氐膰H標(biāo)準(zhǔn)時間，指出正北方向。手持GPS還可以將曾經(jīng)歷過的點(diǎn)和路線記錄在機(jī)器內(nèi)部，為使用者起到提示作用，同時當(dāng)觀測時間達(dá)到5分鐘時，手持GPS接收機(jī)的定位精度可以穩(wěn)定在5 m左右，因此被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘測、國土監(jiān)測等方面的野外工作中。

2 手持GPS接收機(jī)參數(shù)校正及參數(shù)驗(yàn)證

2.1 手持GPS接收機(jī)參數(shù)校正

參數(shù)解算其實(shí)就是求得不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。對于既有旋轉(zhuǎn)、縮放，又有平移的2個空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，存在著3平移參數(shù)和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)以及1個尺度變化參數(shù)，共計(jì)有7個參數(shù)，要求得這7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少需要3個公共點(diǎn)[2]，且需知道3個公共點(diǎn)的3套不同坐標(biāo)值，這在現(xiàn)實(shí)中很難做到，亦無需做到，因?yàn)槭殖諫PS即便有精確的7參數(shù)設(shè)置也無法達(dá)到高精度(厘米級)的定位。

實(shí)際應(yīng)用中，一般需求得5個轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別為：DA、DF、DX、DY、DZ，其中DA為WGS－84坐標(biāo)系與不同坐標(biāo)系的橢球長半軸的差值，即與54坐標(biāo)系差值為 -108，與80坐標(biāo)系差值為 -3；DF為WGS－84坐標(biāo)系與不同坐標(biāo)系的橢球扁率的差值，即與54坐標(biāo)系差值為 -0.000000480795, 與80坐標(biāo)系差值為 -0.0000000025。從上述可知DA、DF為固定值，真正需解算的只有3參數(shù)DX、DY、DZ，這樣即可利用一個控制點(diǎn)的3套坐標(biāo)求得。

2.2 參數(shù)驗(yàn)證

以下以陜西省耀州區(qū)為例，介紹手持GPS的3參數(shù)解算。該區(qū)平面坐標(biāo)采用80坐標(biāo)系，高程控制采用1985國家高程基準(zhǔn)。在該區(qū)進(jìn)行3參數(shù)解算時所采用的控制點(diǎn)為陜西省地理信息中心提供的C級GPS點(diǎn)，成果屬3°投影帶，中央子午線108°，高斯平面直角坐標(biāo)。經(jīng)參數(shù)校正后用手持GPS實(shí)地檢測其余控制點(diǎn)坐標(biāo)，X差值最大1.3米，Y差值最大1.8米，H差值最大3米，定位精度完全滿足作業(yè)要求。

3 礦山監(jiān)測中標(biāo)定采區(qū)點(diǎn)

3.1標(biāo)定采區(qū)點(diǎn)

國土部門對于礦山主要監(jiān)測的主要目的是看其是否存在越界超層開采，為了提高單點(diǎn)定位的精度和可靠性，避免粗差的出現(xiàn)，當(dāng)周圍的環(huán)境對觀測不利時，可以在一個測點(diǎn)上進(jìn)行多次觀測并求其平均值(一些手持GPS接收機(jī)已經(jīng)內(nèi)置了此功能)。

在監(jiān)測一些大型礦山時，需要沿著開采面的線路進(jìn)行特征點(diǎn)（主要是拐點(diǎn)）的標(biāo)定。利用手持GPS接收機(jī)，可以在完成第一個特征點(diǎn)的定位后，將改點(diǎn)儲存到航點(diǎn)表中。這樣，在標(biāo)定下一個特征點(diǎn)時，就可以獲得現(xiàn)在所處位置相對于第一點(diǎn)的距離和方位。完成第二個點(diǎn)后每次重復(fù)這個過程，就可以方便準(zhǔn)確地確定每個特征點(diǎn)的位置了。

3.2 計(jì)算多邊形面積

在實(shí)際的工程工作中，有時需要知道圖上某個采區(qū)的實(shí)際面積。利用已經(jīng)存儲的邊界航點(diǎn)，手持GPS可以非常容易地計(jì)算出這些航點(diǎn)組成的多邊形的面積。計(jì)算方法為：

S-)

式中：S為多邊形面積，x 、y為第i個航點(diǎn)的平面坐標(biāo)。計(jì)算的精度取決于多邊形的航點(diǎn)數(shù)量，航點(diǎn)越多則多邊形面積越精確。

3.3補(bǔ)點(diǎn)

在標(biāo)定采區(qū)點(diǎn)工作完成以后，對于點(diǎn)位密度沒有滿足要求的區(qū)域要進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)工作。利用手持GPS接收機(jī)的“最近航點(diǎn)” 的功能，就可以在航點(diǎn)稀疏的區(qū)域隨時檢查當(dāng)前位置是否是最佳的補(bǔ)點(diǎn)位置。相對于傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)的補(bǔ)點(diǎn)方法，這種方法省時省力，可以避免多次返工或者補(bǔ)點(diǎn)過多造成的浪費(fèi)。

4 使用手持GPS接收機(jī)進(jìn)行采區(qū)標(biāo)定時的注意事項(xiàng)

(1)觀測成果要注意復(fù)核。GPS測量具有顯著的實(shí)時、快捷等優(yōu)點(diǎn)，但其初始化(整周模糊值)的置信度通常為95％ 一99％ ，且作業(yè)中缺乏檢核條件，個別點(diǎn)可能會出現(xiàn)粗差。為了保證實(shí)測精度和可靠性，作業(yè)中必須注重成果的復(fù)核。成果的復(fù)核分為作業(yè)前復(fù)核和作業(yè)中復(fù)核。作業(yè)前復(fù)核是先在已知點(diǎn)上檢測，新測坐標(biāo)與已知坐標(biāo)較差符合要求后，再進(jìn)行測量；作業(yè)中復(fù)核一般是采用不同起算點(diǎn)測定部分重合點(diǎn)，或在同一點(diǎn)上采用兩次或多次觀測法觀測。

(2) 手持型GPS從野外應(yīng)用來看，具有方便攜帶、定位速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是精度不高，且誤差易受外界條件干擾。同時衛(wèi)星在運(yùn)動過程中不停地發(fā)送信號，接收機(jī)接到信號后也在不停地運(yùn)算，所以將手持機(jī)放在空曠的地方不動，定點(diǎn)后，其坐標(biāo)數(shù)據(jù)仍會波動，并且高程的波動值要比經(jīng)緯度波動值大。實(shí)際定位操作中，GPS開機(jī)后不宜立即讀數(shù)，應(yīng)按GPS手持姿態(tài)要求運(yùn)行幾分鐘后再讀數(shù)。

5 結(jié)束語

國土部門對礦山的監(jiān)測主要內(nèi)容看其是否存在越界超層情況，對開采區(qū)的標(biāo)定及其與礦區(qū)邊界、高程的關(guān)系十分重視。因此，本文著重論述了手持GPS接收機(jī)參數(shù)校正及參數(shù)驗(yàn)證和使用手持GPS接收機(jī)進(jìn)行開采區(qū)標(biāo)定時的注意事項(xiàng)，使手持GPS接收機(jī)能更好的為礦山監(jiān)測提供較高精度的數(shù)據(jù)成果，便于國土部門對礦山進(jìn)行更好的監(jiān)管。

[1] 黃丁發(fā)，熊永良 全球定位系統(tǒng)(GPS)—— 理論與實(shí)踐[M]．成

都：西南交通大學(xué)出版社，2006

[2]何壽福，舒樹蘭，何書躍.手持GPS在礦區(qū)地質(zhì)勘查工作中的應(yīng)用及誤差分析[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，27（5）.

[3] 程新文，陳性義．手持式GPS定位精度研究[J]．測繪通報(bào)，

2004(9)：20—22．

[4]李征航 黃勁松 ，GPS測量與數(shù)據(jù)處理， 武漢 ，武漢大學(xué)出版社，2005

作者簡介：宋繼光（1968-07-03），男，陜西銅川市，1988畢業(yè)于陜西煤炭工業(yè)學(xué)校，煤田地質(zhì)與勘探專業(yè)，助理工程師 ，從事工程測量工作。