華北克拉通重力剖面重力點位GPS測量精度分析

張建軍

摘 要：中國地震局地球物理勘探中心承擔了某項目重力點位GPS測量任務。該文詳細論述了該測量任務的過程，包括踏勘選點、前期準備、測量方法、測量過程和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后進行了精度評價，結果表明測量精度符合要求。

關鍵詞：華北 克拉通 重力點位 GPS測量

中圖分類號：P21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0032-02

1 項目概況

此項目屬于自然科學基金項目《華北克拉通三維速度、密度結構及動力學意義》的組成部分。該項目重力剖面西起陜西，東至山東，即陜西宜川—山西臨汾—山西長治—河南安陽—山東陽谷—山東泰安，全長615 km，跨越華北盆地、太行山重力梯級帶、山西斷陷盆地以及鄂爾多斯地塊東緣等地質(zhì)構造單元。

該項目重力剖面作業(yè)區(qū)屬于中國華北地區(qū)，地形地貌復雜，以山地、平原等為主，地形復雜，植被稠密，居民地較多。作業(yè)區(qū)域內(nèi)大部分道路為省道，伴隨部分國道和鄉(xiāng)間道路。中國地震局地球物理勘探中心承擔了該項目重力點位GPS測量任務。設計線路如圖1所示。

2 作業(yè)依據(jù)

（1）《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)（GPS）測量技術規(guī)范》CH/T 2009-2010。

（2）《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)程》CJJ/T 18314-2001。

（3）《區(qū)域重力調(diào)查規(guī)范》DZ/T 0082-2006。

（4）《華北克拉通三維速度、密度結構及動力學意義》之重力剖面、GPS觀測實施方案。

3 測量內(nèi)容和完成工作量

3.1 測量內(nèi)容

重力剖面西起陜西宜川，經(jīng)山西臨汾、山西長治、河南安陽、山東陽谷，東至山東泰安，全長615 km，測量內(nèi)容為該重力剖面重力點位GPS觀測，觀測點距為2.5 km，在太行山重力梯級帶（長治-安陽）點距為1.0 km。觀測線路如圖2所示。

3.2 完成工作量

2013年11月23開始野外測量工作，到2013年12月28日外業(yè)結束，歷時36 d。共完成350個重力點位測量任務。同時對沿線原有的14個重力點進行了測量。并對每個點位0～10 m、10～20 m、20～50 m范圍8個方向進行了近區(qū)地形改正。

4 坐標系統(tǒng)和使用儀器

4.1 坐標系統(tǒng)

點位成果為北京54坐標系大地坐標和平面直角坐標6°帶，中央子午線為111°和117°，高程為1985國家高程基準。

4.2 使用儀器

此次任務使用一臺Trimble R8-4 GNSS接收機，并經(jīng)過專門的儀器檢定機構檢定合格后使用。網(wǎng)絡RTK測量的標稱精度為：平面8 mm+0.5 ppm，高程15 mm+0.5 ppm。

5 作業(yè)過程

5.1 踏勘和選點

事先根據(jù)工作比例尺，工區(qū)地質(zhì)構造特點、地形和交通等條件在所用地形圖、航空照片上布設，野外工作時根據(jù)實地情況進行調(diào)整點位，現(xiàn)場勘選。沿重力剖面自西向東選取符合要求的重力點，每點水泥或柏油地面直接用紅漆作記號，土質(zhì)地面用木樁作標記，標明編號，編號從101到447，便于以后觀測，同時配備點位選點工作照片，做好每個點的點之記。

5.2 前期準備

準備儀器和車輛，工作人員認真檢查儀器，確保野外正常使用，并熟練操作儀器，熟悉相關規(guī)范要求。駕駛員嚴格檢查車輛，排除各種安全隱患，確保出行安全。提前聯(lián)系陜西、山西、河南、山東等地CORS中心，按照要求準備入網(wǎng)資料。

5.3 測量方法

重力剖面途徑四省，地形地貌復雜。如果用以往的GPS-RTK測量，需架設基準站，剖面距離長有600多公里，點距大2.5 km和1 km，而電臺反射距離為10 km，每隔20多公里就需架設基準站，且山區(qū)地形起伏較大，很難到達山頂，GPS信號不好。架設一站只能觀測七八個點，耗費時間且精度不高。目前各省都建立了覆蓋全省的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS），CORS是利用GNSS建立連續(xù)運行參考站，構建網(wǎng)絡GPS-RTK，共享參考站數(shù)據(jù)，實時向用戶自動發(fā)布衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，不需自己架設基站，精度均勻、快速定位。這樣就解決了長距離、大規(guī)模實時定位問題，提高了定位精度，減少了初始化時間。根據(jù)該項目距離長、地形復雜、山區(qū)落差大、植被稠密、居民地較多等特點，加入各省CORS系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡RTK測量方法進行野外測量工作。

5.4 測量過程

野外測量從西向東開始，西起陜西宜川，經(jīng)山西、河南、山東，最后到達山東泰安結束。觀測時首先找到標志點，等待儀器初始化獲得固定解后，再進行測量。按照編號順序進行，同時觀測剖面附近原有的重力點。對每個重力點進行0～10 m、10～20 m、20～50 m范圍8個方向的近區(qū)地形改正，為保證精度，由有經(jīng)驗的人員采用目估方法確定地改值。拍攝每個點位GPS測量時的照片。

5.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

RTK測量直接得到的是WGS-84坐標經(jīng)、緯度和大地高，需進行坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將WGS-84坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北京54坐標系統(tǒng)和1985國家高程基準成果。

首先將WGS-84坐標經(jīng)、緯度和大地高轉(zhuǎn)換成空間直角坐標（X，Y，Z）。

轉(zhuǎn)換公式為：

式中，為長半軸；為短半軸。

然后將WGS-84空間直角坐標轉(zhuǎn)換成北京54直角坐標。選擇適當?shù)木哂幸欢芏惹曳植季鶆虻闹睾宵c，利用所選重合點的兩種坐標系的坐標，至少選取3個以上重合點，采用Bursa七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，計算兩坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)再將轉(zhuǎn)換參數(shù)帶回坐標轉(zhuǎn)換模型求得非重合點在所求坐標系的坐標。

轉(zhuǎn)換公式為：

轉(zhuǎn)換參數(shù)：3個平移參數(shù)（單位為米）和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（單位為弧度）及1個尺度參數(shù)m（無單位）。

6 測量精度評價

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)是在一個較大的范圍內(nèi)均勻稀松地布設參考站，利用參考站網(wǎng)絡的實時觀測數(shù)據(jù)對覆蓋區(qū)域進行系統(tǒng)誤差建模，然后對區(qū)域內(nèi)流動用戶站觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差進行估計，盡可能消除系統(tǒng)誤差影響，獲得厘米級實時定位結果，網(wǎng)絡RTK技術的精度覆蓋范圍大大增大，且精度分布均勻。

該項目在每個點觀測時初始化均符合下列條件：PDOP值≤6，衛(wèi)星高度截止角≥15°，有效地觀測衛(wèi)星數(shù)≥6顆。所有的觀測均在RTK固定解穩(wěn)定收斂后進行。執(zhí)行“首次固定不記錄，二次固定再記錄”；每點觀測一個測回，每次至少采集數(shù)據(jù)15個歷元。所有點點位誤差、平面誤差<0.2 m，高程誤差<0.3 m，均滿足規(guī)范要求。

參考文獻

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