GPS—RTK技術在礦山地質測繪中的應用研究

摘 要：GPS-RTK技術以其高精確性、易操作性等優點被廣泛應用于礦山的地質測繪上。文章從GPS-RTK技術的工作原理出發，詳細論述了使用該技術進行礦山地質測繪的步驟和方法，并進行實例驗證。

關鍵詞：GPS-RTK；礦山；測繪；研究

中圖分類號：P623.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）8-0037-02

礦山一般處于丘陵交錯或深山峽谷地帶，其地形可謂復雜。若使用傳統的測繪方法對礦山進行測繪，那將是一件難度極大的事情。但若運用GPS-RTK，將變得非常簡單。

1 GPS-RTK技術介紹

1.1 技術原理

GPS-RTK技術又稱載波相位差分技術，它以WGS-84坐標系為基礎。運用該種技術的測量系統主要由GPS接收設備、數據鏈和處理軟件三部分構成。其中，GPS接收設備分布在流動站和基準站上面，數據鏈（是無線形式）存在于基準站和流動站之間，處理軟件用來執行各種模式（動態、靜態、實時動態等）下計算結果的一致性檢驗。

整合起來就是：基準站（擁有固定坐標的點）中的GPS接收設備不間斷地采集所有能觀測到的衛星數據（載波相位形式），并將這些數據連同自身的坐標信息通過無線傳輸通道發送給流動站的GPS接收設備；而流動站除了接收基準站衛星數據之外，也在跟蹤著GPS衛星信號，這樣，它就能將這兩路信號送入處理軟件進行差分處理，并得到（它和基準站間）空間三個方向的坐標增量，進而確定流動站坐標。

1.2 技術優缺點

1.2.1 優點

①定位精度高，一般能達厘米級水平。

②杜絕了傳統方法中因不斷“搬站”而產生的累積誤差，數據可信程度高。

③受外界環境因素（如地形、溫度、能見度等）的影響小，適合全天候作業。

④較傳統方法而言，GPS-RTK測量能顯著減少控點數量，即減少設備的“搬站”次數，因此在工作量上很有優勢。

⑤定位迅速（一般在1～2 s之內），且單人能完成操作，因此效率驚人。

⑥操作簡單，可向自動化方向發展。

1.2.2 缺點

①因該系統運作的前提條件是至少有5顆衛星被同時觀測到，而衛星是否被“發現”，是受到高度截止角等因素影響的；另外，由于基準站和流動站之間的數據鏈是無線方式，容易受電磁干擾的影響。綜合起來，GPS-RTK系統在穩定性上略遜全站儀。

②GPS-RTK技術涉及到高程轉換，而某些地區的高程異常圖存在誤差甚至空白，這就影響了GPS-RTK測量的精度。

1.3 使用注意事項

①流動站和基準站距離不應超過10 km，以保證測繪精度。

②盡量保證測繪處的空間開闊，避免將點選擇在礦洞、橋涵易遮擋衛星的場所。

③避免作業附近有電磁波反射物，若無法躲避，則適當延長觀測時間。

④進深山作業，應配備有大容量電池，以防流動站設備的電力中斷。

2 GPS-RTK在礦山測繪的應用方法

2.1 GPS-RTK操作流程

2.1.1 內業準備

進行礦山地質測繪，首先要對測繪區進行細致勘探，并在此基礎上完成內業準備工作。主要包括：①標定工程名稱。②對測繪過程中需要用到的各類設備進行校驗（因各觀測行為獨立進行）。③對基準站和流動站的GPS接收設備設定合理的數據采樣頻率和高度截止角。根據經驗，基準站的頻率可設為4～5 s，流動站的頻率可設為1～2 s，兩者的高度截止角統一設置為10 ？觷。④若坐標轉換參數已知，則將其輸入電子手簿。⑤輸入計劃放樣點的線路方位角和設計坐標，以確保放樣準確、實時。

2.1.2 基準站布置

在整個野外測繪過程中，保證數據鏈通暢無疑是非常重要的，而要使數據鏈暢通，基準站的設置是關鍵。

就理論來講，基準站設置需遵循以下原則：①基準站須為已知點，其坐標明確；②為了對流動站造成“輻射”效應，基準站的地勢要高，周圍要開闊無遮擋；③為了節省不必要的測繪往返，基準站設在待測區中央最為合適；④為了防止在測繪過程中產生多路徑效應或數據鏈丟失等現象，應避免基準站附近存在GPS反射源，避免周遭200 m之內有高壓線、無線電臺等干擾源；⑤因南北極是衛星空洞區，為了保證測繪精度，應將基準站天線架在GPS接收機北面。

2.1.3 流動站點選擇

流動站是接收基準站數據并展開工作的的，因此其和基準站之間的距離、通視方向數等決定了整個測繪精度的高低。流動站選擇要點：①與基準站的直線距離不能過遠，一般應控制在5～10 km，極限不能超過15 km；②對通視條件困難區，最少保證流動站和基準站之間有一個通視方向，在空曠處則應保證2～3個以上的通視方向。

2.1.4 計算待測區坐標轉換參數

GPS-RTK技術是建立在WGS-84坐標系之上的，而當前的工程施工多采用地方坐標系（如北京坐標系），因此兩者存在一定矛盾。為了讓GPS接收機中的原始經緯坐標數據轉換為當地坐標數據，必須計算出WGS-84坐標系與地方坐標系之間的轉換關系，以方便測繪識別。

通常情況下，有兩種轉換方式可以使用：①在進行測繪前將轉換參數測定出來，在測繪作業時，同時輸入轉換參數和基準站坐標；②一邊測繪，一邊（臨時）求取轉換參數。

“②”方式適用于工程規模較小的場合，“①”方式主要用于小規模測繪，“①”的要點是：在對空視野良好的地方設置基準站并采集這個站點的WGS-84坐標，然后利用流動站聯測（3個以上）高等級控制點，以此來聯合求解待測區的坐標轉換參數。

2.1.5 GPS-RTK試測

在正式測繪之前，應對一定的控制點進行試測，以檢驗系統是否正常。具體來說：先將基準點的接收機打開，輸入點高和WGS-84坐標，對電臺通道和電臺靈敏度進行調節，并認真觀察電臺（發射）指示燈是否正常工作；然后隨機選擇一個流動點并開啟接收機，進行參數設置（電臺頻率調至與基準站一致）和初始調試后，輸入坐標轉換參數，核查接收指示燈正確亮起；最后清點可觀測衛星個數。

當衛星顆數在5顆以上并且PDOP值小于6，就可利用GPS電子手簿開展各類放樣工作。

2.1.6 放樣工作

在完成上面的五個程序的工作后，即可進行放樣工作。一般來說，運用GPS-RTK技術進行礦山測繪，其放樣形式有兩種：①點放樣；②線放樣。但不管采用何種方式，放樣過程均是先控制后碎步，即：根據待測區域控制點計劃（控制點坐標已事先輸入至電子手簿），制定科學的流動方案，然后在待測區域內走動并關注接收器的狀況，若有提示，即顯示放樣點的位置被確定。

放樣工作的注意點：①輸入電子手簿的控制點坐標必須準確；②控制點數目應滿足測量工作的最少要求，③控制點的分布要合理、科學，使各放樣點之間具有某種程度的聯系。

2.2 不同測繪作業中GPS-RTK的應用

2.2.1 地形圖測繪

礦區要安全生產、有效運作，必須有大尺度的地形圖。進行礦區地形測繪，首先也是在待測區中央設置基準站；然后通過挪動流動點的GPS接收器，對各流動點的坐標進行校核；在達到預定精度后，需對流動點沿線的特征點作碎步式采集；在獲得各特征點的高程和坐標后，根據特征點的屬性及編碼信息，形成碎步點數據庫；最后，通過相關軟件繪制出高分辨率的完整地形圖。

2.2.2 地面形變測量

礦區地面形變關系到礦區群眾的切身利益，該項測量工作的傳統做法為：①在待測礦區建立監測網絡，內含一基準點和多個形變觀測點；②定期采用全站儀測量監測網的角度和邊長、用水準儀測量各觀測點之間的高差，以此確定某個時間段里各觀測點的高程和水平位置；③對多次測量數據進行分析，并判斷觀測點的地面有無水平位移趨勢或下沉趨勢。

以上方法在原理上清晰，在操作上可行，但耗時較長。而采用GPS-RTK技術后，不但測量精確性得到保證，而且工作量大大縮減，使得實時監測成為可能。

2.2.3 礦區工程測量

礦區的特點是地形復雜、通視條件差，采用傳統測量手段對礦區工程（如采剝現狀、土方工程量驗收等）進行測量，要么保證不了測量精度，要么工作效率低下，有時還會出現無法作業的現象，而采用GPS-RTK能全部克服以上不足。另外，GPS-RTK還能在“采煤地面沉陷部分的積水面積的動態測量”、“縱、橫斷面圖測量”、“鉆孔放樣”等復雜項目上取得不錯的成績。

3 應用實例

①地點選擇：我國中部某地勢起伏小、GPS信號可覆蓋的煤礦。

②試驗內容：①組建放樣工作網，采用GPS-RTK技術對同一控制點進行重復測量，觀察數據的重復性是否良好；②分別用全站儀和GPS-RTK對幾組相鄰觀測點的間距進行測量，觀察GPS-RTK的精度是否滿足要求。相關結果見表1和表2。

通過分析表1、表2可知：GPS-RTK技術應用到礦山地質測繪是完全可行的。

4 結 語

在礦山地質測繪中，傳統方法多有弊端，而GPS-RTK技術則能彌補傳統方法的不足，有良好的應用前景。

參考文獻：

[1] 崔燕波.GPS-RTK技術在礦山測繪中的應用[J].城市建設理論研究，2012，（24）.