CORS系統與免棱鏡全站儀相結合的應用研究

摘 要：利用CORS系統和免棱鏡全站儀相結合的測量方法在礦山地質環境恢復治理中發揮了重要作用。現代CORS系統的普及和應用，使得傳統的礦山地質測量工作有了革命性的進步，大大提高了野外測量工作的效率和精度。本文介紹和討論了CORS系統原理和全站儀測量方法及它們的優勢，詳述了這兩種測量技術相結合在生產實踐中的經驗和技巧。

關鍵詞：CORS系統；全站儀；礦山地質測量；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.073

隨著GNSS技術的快速發展進步和廣泛應用普及，它在礦山地質測量中發揮著越來越重要的作用。目前的連續運行參考站系統（簡稱CORS），它是由多基站網絡RTK技術建立，也成為GNSS在礦山地質工作中的應用研究熱點。CORS系統是衛星定位技術、數字通訊技術、計算機技術等高新科技多方位、多要素、大深度結晶的產物。同時，全站儀測繪技術作為一種成熟的測量方法，在礦山地質測量領域也有著不可替代的作用。本文主要通過生產實踐，把這兩種重要的測量技術相結合，為促進礦山地質事業的發展發揮了重要作用。

1 CORS技術

1.1 CORS系統工作原理

CORS系統在一定區域內布設若干個長時間連續運行的GNSS固定參考站，GNSS參考站通過數據通信系統實時的將觀測數據傳輸給系統控制中心，系統控制中心首先對各個參考站的數據進行質量分析和預處理，然后對特定時段內所有數據進行統一解算，實時估算出站網內的各種系統誤差改正項（對流層、電離層、衛星軌道誤差等）獲得本區域的誤差改正模型。然后向用戶實時發送GNSS改正數據，用戶可根據需要使用一臺或多臺GNSS接收機，便可實時或事后獲得高精度的可靠的定位結果。

1.2 CORS系統構成

CORS系統由五部分組成：基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據廣播系統、用戶應用系統。每個基準站與監控分析中心間通過數據傳輸系統連接，形成一個專用網絡。

1.3 CORS系統技術優勢

CORS系統的發展和應用使外業測繪工作發生了一項革命性的進步，與以往傳統RTK測量作業方式相比較，其主要優勢體現在：（1） 使得某一地區有了一個可靠的測量基準框架，繼而從很大程度上解決了部分行業部門之間坐標系統的不一致問題；（2）可提供不同精度要求的數據，滿足各類用戶的不同需求；（3）大大的擴展GNSS的有效服務范圍；（4）采用連續運行基準站，用戶可全天候野外作業，提高了工作效率；（5）使用成熟完善的數據監控處理系統，在消除或削弱各種系統誤差的影響下，可實時獲得高精度、高可靠性的數據成果；（6）不考慮架設基站，可單人完成作業，作業成本大幅降低；（7）應用可靠穩定的通訊方式，能有效減少噪聲干擾；（8）向各類用戶提供網絡服務，大家可方便共享數據。

2 全站儀的特點及技術優勢

測繪技術隨著科學技術的快速發展和集成微機的廣泛應用，測繪野外作業方法也得到了質的提高 。作為一種測繪器材，全站儀在二十余年實際應用中，為國民經濟建設發揮了獨特的不可替代的作用。當然全站儀也在不斷的演化升級：野外作業時可在沒有反射棱鏡的情況下快速進行距離和三維坐標測量，這就是免棱鏡全站儀，它是在普通全站儀的基礎上新增的一項功能，觀測距離一般超過500m，最遠已可達到2000m。由于免棱鏡全站儀具有無棱鏡測距功能，并裝配有紅外激光瞄準器，可靈敏高效完成任何可視目標定位作業，有棱鏡、無棱鏡模式可隨時切換，都可獲得精確可靠的測距結果。

全站儀為礦山地質測量工作做出了許多貢獻，它具有操作方便、操作簡單、功能齊全、精度高的優點。可完成測角、高差、測距、高程、放樣、數據處理等工作。

3 應用案例

3.1 工作區概況

鄭-少-洛高速沿線礦山地質環境恢復治理項目區（洛陽段）位于洛陽市龍門東山東部，緊鄰鄭-少-洛高速和二廣高速兩條黃金旅游通道，距世界文化遺產—洛陽龍門石窟約2km。項目區的礦山開采活動主要是上世紀八十年代開始的石灰巖礦露天開采，多為無證開采，主要供給周圍的石料廠、石灰窯、水泥廠等企業。經過20多年的無序開發和強力開采，致使該區的地形地貌景觀遭到嚴重破壞，嚴重影響到龍門石窟景區和鄭-少-洛高速及二廣高速沿途景觀，2000年左右絕大部分石灰巖礦被洛陽市政府和洛陽市國土資源局關停。經過改革開放二十多年的高速發展，過去的一些認識和弊端漸漸顯露出來，那種邊發展邊治理或先發展后治理的模式已經越來越不適應新時代的發展形勢，既要美好生活，又要碧水藍天，這是廣大人民群眾迫切愿望，更國家對地方政府的具體要求。特別是今年新組建的自然資源部，更突顯國家對生態環境的重視。通過對采石場的高陡邊坡進行整治，清除危巖體、消除崩塌災害隱患；清理、整治廢渣，采坑回填，覆土綠化，恢復植被，美化環境，讓久違的綠色重新布滿山澗，讓飛逝的鳥兒再來這里安家，使這一片區域與龍門石窟周圍環境整體相協調，并為洛陽市民一個周末休閑放松的好去處。這其中無論前期勘查工作中的地形測繪、工程地質剖面測繪，以及治理工作中的放樣驗線，還是監理檢查都需要各種測繪儀器提供精確可靠得數據的來支持各項工作的順利開展。（見圖1）

3.2 地形測繪

地形圖測量采用1980西安坐標系，1985國家高程系，中央子午線為112°30′。E級GNSS控制點觀測使用4臺套南方S86型雙頻接收機觀測，儀器標稱精度為（5mm+2ppm）。碎部點測量采用CORS和全站儀相結合的方法，測繪滿足《全球定位系統（GPS）測量規范》等相關規范標準。

3.3 工程地質剖面測繪

為了查明項目區采場立體形態，對項目區開展1∶500工程地質剖面測繪，剖面線布置主要依據采場的形態而定，縱向以貫穿多個標高段采場為主，橫向基本垂直縱向剖面線。縱橫剖面線間距根據勘查區環境地質復雜程度定位50×50m，局部區域加密控制，勘探線網度滿足勘查、設計需要。執行《巖土工程勘察技術規范》及《工程測量規范》。（見圖2）

3.4 工程放樣驗線測量

用一定的測量儀器和方法把設計圖紙上的各項工程的平面位置和高程進行實地測設稱為工程放樣（也稱施工放樣）；而驗線測量則是采用一定的測量儀器和方法采集施工中及已完工的各項工程的的平面位置和高程的數據，然后對比設計圖紙上相應位置是否一致的工作，驗線工作是保證各項工程位置正確，符合精度要求，按圖施工，保質保量，如期完成任務的重要措施。

4 結果分析研究

4.1 CORS在礦山環境治理中測量的可行性

工作區面積約3.6Km2，植被較少，結合CORS的技術特點：

（1）作業效率高。一般的地形條件下，只要是移動網絡信號（包括移動、電信、聯通、）覆蓋的區域，都可以使用CORS進行外業測量作業，進而極大的降低布設多個野外控制點和測量儀器頻繁的“遷站”的苦惱，只要一人單機，數秒時間即得一組高精度的測量數據，大幅度的降低了勞動強度，加快了作業速度，達到了提高勞動效率，節省作業成本的目的。

（2）定位精度高，因為有效的避免了傳統測量儀器的誤差積累影響，所測數據安全可靠。在滿足CORS的基本工作條件下，CORS系統測量平面精度和高程精度可達到厘米級，能夠勝任多項常規外業測量任務。

（3）作業條件要求下降。在有穩定的網絡信號環境下了，不需要考慮兩點通視，用CORS作業即可精度可靠的測量數據，因此，相比傳統測量技術，能見度、通視條件、氣候、季節等因素對CORS系統的影響和限制較小，從傳統測量技術手段來看，那些受地形、地物障礙影響而無法開展作業的通視困難地區，只要達到了CORS系統的基本作業條件，就可進行快速高效的野外作業。

4.2 CORS在礦山環境治理中測量的局限性

工作區西鄰龍門石窟景區，偏西部有二廣高速公路穿過，區內渣堆眾多，坡坎遍布，陡壁林立，形成的采坑有多達158個。而為了保證CORS外業采集數據信號良好的要求，截止高度角必須大于15°，且多于4顆以上的有效衛星，還要求精度因子PDOP<6。CORS系統的局限性所造成的干擾如樹木障礙、高層建筑和高頻信號源及城市地區，山地、林地等作業時衛星信號被遮擋比較嚴重，使其在測量中失去了一定優勢。

4.3 免棱鏡全站儀在礦山環境治理中測量的可行性和局限性

（1）將免棱鏡全站儀應用于開闊區域，達到直觀測量、降低勞動強度、節省時間的目的，大大提高了作業效率。

（2）兩個人即可組成一個作業組開展野外作業，一人操作儀器，另一人跑尺負責轉站點的測設及碎部點的采集。

（3）在一些無法到達或到達困難的區域，比如溝渠、坑塘、陡峭的懸崖等，免棱鏡全站儀都能方便地測得目標點的空間位置，從而避免跑尺人員安全問題，在節省時間的同時，提高了作業精度及工作效率。

全站儀作為一種精度高、應用廣且高度自動化的野外測量器材，雖然不會像衛星接收機那樣受傳播信號等因素的影響，但能見度、通視條件、氣候、季節等因素對全站儀作業有較大影響，而治理區內地形復雜，坡坎遍布，陡崖交錯，這就需要全站儀在碎部測量中頻繁設點“遷站”，因而加大了作業勞動強度，增大了工作量，容易導致誤差積累，降低測量精度。

4.4 CORS系統聯合全站儀在礦山環境治理區測量的優越性

在一般的地形條件下，只要是網絡信號覆蓋的區域，都可以使用CORS進行測量作業，進而極大的降低布設多個野外控制點和測量儀器頻繁的“遷站”的要求，只要一人單機就可進行野外作業。因此盡可能使用CORS在一般開闊地形條件下進行數據采集；而由于全站儀具有測量精度高和穩定性好的特點，在高崖陡坎及城市區域開展作業優勢更為明顯，因此在野外作業時采用CORS在遮擋少信號好地方布設圖根級控制點，并同時進行碎部點采集；有些區域CORS信號失鎖較嚴重和采集精度不理想，則用全站儀進行碎部點的測量。這種兩種儀器相結合的綜合測量辦法，使得CORS測量在某些地方精度較低，不能滿足規范要求的弊端得以避免，又使采用常規的全站儀布設大量圖根導線工作繁重測量效率低下的缺憾大大降低；這樣在提高全站儀碎部點的采集精度的同時，又可大幅度減少支導線誤差積累。在野外實際工作中，一個項目組5人（其中3人3個CORS作業組，2人為一臺全站儀組）即可完成常規測量中4個作業小組8人（3臺全站儀組）的實際工作，生產效率提高了，工作強度降低了，很自然經濟效益顯著。

5 實地檢查與精度分析

5.1 控制點的檢核

衛星信號質量的好壞和衛星的空間分布狀況及移動網絡信號強弱都會對CORS測量觀測質量產生較大影響，因此，野外作業時必須進行必要的質量控制，來避免CORS測量時產生的偶然誤差和系統誤差。現在已知點檢核法和重測比較法是進行CORS測量質量控制的主要兩種方法。已知點檢核法，是采用GNSS或全站儀在布測控制網時盡可能多測設高等級控制點，然后和采用CORS測出相同控制點的數據成果進行檢核，發現精度較低或不滿足要求的數據馬上采取措施進行改正；重測比較法，是在開展野外作業前，先用CORS重測2個以上已知的高精度控制點或CORS圖根控制點，和已知數據檢核確認無誤后再進行CORS測量。這兩種方法中，已知點檢法是比較可靠的，但在野外布設高等級控制點單位成本較高，數量也很有限，所以可以采用CORS和全站儀相結合的方法在缺少控制點的地方進行坐標數據進行檢核。對治理區25個圖根級控制點進行了檢核比較，根據公式計算各個點的點位誤差，再根據公式，計算所有控制點點的點位中誤差為1.61cm，高程的中誤差為1.69 cm。根據計算的各個點位誤差和高程的中誤差檢核結果來分析發現，CORS測量成果的高程中誤差平面中誤差均未超過5cm，可以看出，《工程測量規范》中最弱點的點位中誤差不大于±5cm的相關要求，CORS技術可以滿足的。這25個圖根級控制點有5個點的誤差較大，是由于這5個點的衛星和基站的信號傳輸時受到附近坡坎遮擋的影響所致，在對這5個點的重測檢核后，發現重測的坐標數據跟上次測得坐標數據相比，差值很小，都分布在±3cm之內，所以在野外的測量中，應求取兩次坐標數據的平均值來作為最終成果開展作業。

5.2 碎部點檢核

衛星狀態、觀測時段、高程異常、測區地物地形等問題是影響CORS測量精度的主要因素，而定向、天氣、三軸誤差等情況也對全站儀測量結果的影響較大，采取相應措施對兩者采集的數據進行相互檢核，以使數據精度最終完全達到相應規范要求后才能外業測量工作。在對部分碎部點數據檢核后發現全站儀坐標數據和CORS坐標數據在交匯處吻合度很高，并與甲方提供的測區原先局部地形圖吻合度也較好。通過對CORS和全站儀測圖的交接處部分同一特征點進行檢核比較，并把采集數據精度進行分析，具體做法和控制點分析相同。

6 結束語

在礦山環境治理中無論單獨使用CORS或者全站儀都有一定的局限性，實際應用可以看出，把這兩者相結合的作業方法能大大提高勞動效率及成果的可靠性，也極大擴展了GNSS技術的服務范圍。在1︰500該區域地形圖測量及各項工程測量中，正常情況下流動站5～10秒左右就可采集1個碎部點，即使是做一級GNSS圖根控制點，也僅需幾分鐘時間，且作業距離幾乎不受限制，更無需考慮遷站。用傳統的方法測量該測區外業工作需3個月左右工作日，用這種組合模式測量僅需2個月的工作日就完成了，快速高效顯而易見。2020年我國的北斗衛星導航系統將組網完成實現全球覆蓋，伴隨著新一代導航定位技術、抗干擾技術、高保密技術（如量子通訊技術）等跨越式的高速發展，為GNSS的的發展空間和應用領域提供了無限可能！

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作者簡介：狄廣禮（1978-），男，河南封丘人，本科，工程師，主要從事地質測繪、地籍測量等工作。