GPS測繪技術及其在地質測繪中的應用

陳 沖

（山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109）

地質測繪是地質勘察工作中的核心，其專業性強，操作復雜。以往需要大量的時間和人力配合工作，而新時代新技術的發展突破了這一局限。將GPS全球衛星定位技術引入地質測繪工作無疑是對原有地質測繪系統的一項技術革新。從現實角度看，GPS技術的應用使地質測繪變得更加精確、高效。本文重點針對GPS技術在地質工程勘察測繪中的應用展開論述[1]。

1 GPS技術分析

GPS測繪技術的基本原理：GPS即全球衛星定位系統，具有抗干擾性強、定位準確性高、可實時追蹤目標位置信息等特點。GPS 測繪技術的原理是利用其精確的定位，測量某一確定位置與衛星信號接收器之間的空間距離。需要設置多個不同的空間點位，再將多個的定位點的測量數據反饋至計算機進行集中自動化數據處理，獲取測繪目標的準確位置信息。

具體而言，GPS技術系統的組成主要包括衛星信號和軟件解算兩個部分。衛星信號系統的作用是接收空間位置信息，其工作方式是首先設定一個固定的基準站，并在勘察目標周圍設置多點流動站。在基準站和流動站點分別配置多臺GPS接收器，如此可快速、高效的接收主控站傳來的數據。 軟件解算系統則是完成后續的數據處理工作，通過對接收到的衛星信息相位與接收機產生的載波信號相位的比對得出具體的空間坐標。借助GPS系統本身抗干擾性強、定位準確的特性優勢，進行軟件解算可以得到精確的測量數據且使數據誤差最小化甚至使測量結果誤差趨于零。

如今，利用GPS的靜態定位技術已在地質勘察測繪中得到廣泛的應用。這種短基線測量技術少受時間、人力的制約，隨時隨地可不間斷的觀測作業，獲取精準的三維空間坐標。高效地完成測量測繪工作。

2 GPS控制網系統的構建

2.1 GPS控制網系統的布網控制原則

利用GPS技術進行地質測繪工作，首先需要在地質勘察測繪工作區域構建控制網絡并設置測繪勘察活動區域。勘察地質測繪帶的結構，可以將網絡分層布局，從不同的勘測點分別構成多個網絡系統，最后整合處理測量數據。

2.2 GPS控制網系統的測量精度要求

在構建GPS控制網系統與實際開展利用GPS技術測繪的過程中，可能會遇到各種不同的地形及其他影響因素。應當要針對不同的地質條件及地質測繪的實際需要，做好前期相關技術結構的參數分析工作，以確保實際運用GPS控制網系統的測量時能夠發揮出GPS全球定位系統絕對優勢，時刻保持其工作狀態的穩定性、精確性。

3 GPS技術對于地質測繪的重要意義

3.1 傳統測繪方法的局限性

傳統測量方式多利用平板儀、手動標尺進行三角測量、幾何測量。基本采用擴大地形圖比例尺的方法，對測量目標地點進行測量后再通過一定比例計算獲取大致位置坐標。而地質測繪的工作地點大多在戶外，不定因素眾多，以上方法測量范圍有限，工作量大且操作程序繁瑣。對于簡單地形的勘察尚有效果，若遇到復雜地形，傳統測量方式便顯得落后許多。

除了以上的基礎測量，后期改進技術使用經緯儀，再通過角度計算獲得坐標。但這些傳統測量的方法始終是將測量數據轉化處理，一旦測繪量增大，數據處理難度隨之增大，工作周期也隨之延長，給后續的繪圖工作帶來了極大影響。

3.2 地質測繪現狀

地質測繪隨新時期生產力的發展，規模不斷擴大，技術不斷創新。地質勘察對地質測繪精確度的要求越來越高，然而實際地質測繪工作中，測量結果往往受多種因素影響，傳統的測繪方式已經無法滿足技術需求。為解決此類問題，地質測繪工作近年來及進了多種智能自動化技術，如GPS技術、無人機技術、3S技術等，都在一定程度上給地質測繪提供了新技術支持。

3.3 GPS技術在地質測繪中的應用重要意義

3.3.1 地質測量工序得到優化

地質勘察工作環境大多為野外，受環境因素影響，不易采用過多的機械設備。GPS設備體積較小方便攜帶，小范圍區域測量時，僅需利用單一固定點便可完成。大范圍區域測量也只需手持GPS測量儀，分別定位各個流動站點采集數據。即使遇到山地類的復雜地形，也能充分發揮GPS技術價值，為勘測人員準確繪制地質結構圖提供技術支持。

GPS測繪技術已逐步成為我國地質勘察工作中的關鍵，在實際操作中，優化了地質測量的工序，縮減了人工勞動量并進一步精確了測量數據[2-4]。

3.3.2 測量結果精確度提升

GPS測繪技術是結合地形勘測數據利用計算機處理，全過程采用自動化的儀器計算數據，無需人工計算轉換。避免了人工計算中可能會出現的失誤，同時也能夠更加精確得到相關數據。GPS測繪廣泛運用的背景下，在技術層面不斷完善，即使對較遠的地形目標進行測量，依然具有較高的精確度。如今測量誤差已縮減至厘米單位。若現實工作條件理想，或將達到零誤差。

3.3.3 有效的預測地質自然災害

隨著我國工業化現代化的不斷發展，對自然環境的影響也逐漸加深，突如其來自然災害如地震、泥石流等也不斷增多，人類的生命安全變成未知數而地質測繪工作在其中便起到了防患于未然的作用。應用GPS對城市和礦區地表移動進行動態三維監測，對地表移動進行精細過程研究，根據觀測數據反演地層移動參數和應力狀態，并及時將信息反饋至數據處理系統繪制建立地層變形模型，解決地質災害的預測預報問題。

4 GPS測繪技術在地質測繪中的實踐應用

4.1 野外地質測繪

4.1.1 測繪選點

野外測繪是地質測繪的主要工作內容和工作場所，利用GPS技術可以快速、準確的找到觀測點。而結合地質測繪工作的實際情況所選擇的測繪點應遵循以下原則。第一，熟悉勘測區域的周邊環境，觀測是否有高壓線、核電站等影響因素可能會對GPS信號產生干擾。第二，勘測區域內有湖泊、河流等水域，需要盡量與水面保持一定水平距離，注意水面對觀測結果的影響。第三，選擇站點時應避免在觀測地質目標路徑有其他實物遮擋，并保持高度角大于15°，減小障礙物對于觀測目標的影響。

4.1.2 測繪操作

受人為因素影響，即使GPS信息接收器保持固定位置不變，各個獨立接收機也無法保證能在絕對統一的時間內開啟。因此實際在野外勘測工作中，還應用GPS儀器對勘測區域內的實時經緯度及天氣變化實時記錄，以便后期數據處理時統籌考慮。

同時，GPS技術能夠有效利用靜態和動態觀測，對周邊環境實時監控，防止突發情況，使野外測繪工作更加安全、穩定的進行。

4.2 測繪數據處理

4.2.1 GPS技術數據預處理

在開展GPS地質勘測完成后，應當優先完善測量所取得的原始技術數據，進行簡單的邏輯編輯計算。需要以此為依據，計算平均差，通過獨立的基線組成一個閉合圖形。根據三維基線以及相應的方差協作作為觀測信息，不考慮外界影響因素情況下，建立二維坐標，選取測區子午線為坐標系的中心。采集、傳輸數據后去除無效信息，為精密數據處理環節奠定基礎，確保觀測數據的有效性。

4.2.2 數據處理

對GPS技術精密數據的過程分為基線向量計算和基線向量網平差計算。一般來說，以上計算過程均以預處理數據結果為基礎，遵循數據處理工作的操作規范，科學準確的得出最終測繪結果。

4.3 GPS水下地質測繪

地質形態多變，勘測工作也包括水域下的地質測繪。以往常用經緯儀加計算機輔助經常測量，對設備要求高，操作復雜。但GPS技術支持在水中接收信號，通過基站設置自動校正。測量時只需將正確的坐標參數輸入計算機，通過接收周期性的信號，轉換坐標，同樣可控制誤差，保證精確度。

4.4 實時動態測繪

多臺GPS接收器同時運轉，基準站點和流動站點結合自身觀測數據，能夠及時將實時監測到的信息傳輸進數據庫，自動計算出兩點之間的相對位置，獲得各個流動站點的準確空間坐標并進行現場的實時同步測繪。

4.5 GPS技術的具體應用

以下對某一生態環境的綜合改善工程為例進行分析，工程全長為140km。工程前期需要做一系列的原始數據分析。由于其工程規模巨大，對測繪質量要求高，布置三角網的傳統測繪方式在短期內難以達到這樣的水平。且三角網的導線布置受地形影響較大，測量范圍小，實際測繪工作中無法有效的實施。出于地質測繪工作高效準確的需求，選用GPS技術靜態測量方法為最佳。

如圖一所示為GPS平面控制網圖布局圖。通過GPS接收機定點測量，將GPS接收機的信號源看做不受時間變化影響的定量，接收來自衛星的數據變量，對測量區域布置平面控制網，對比多組數據獲取特定位置。GPS信號接收機直接在各自的定點獨立接收衛星信號，測站點直接不用相互通視。只需選取關鍵點設置覘標，提高了工作效率。

圖1 GPS平面控制網圖

5 結束語

綜上所述，科技在不同領域的發展使得地質測繪在技術層面有了質的飛躍。GPS技術的應用對地質勘察測繪有著舉足輕重的意義。GPS技術的引入，不僅大幅度的解放了勞動力，省去了大量繁瑣的測量工作，提高了測繪結果的精確度和測繪工作的高效性。而且能夠實時監測地質運動，在地質災害來臨之際為人們敲響警鐘。以上都是符合地質測繪發展需要的，未來還應繼續發揮GPS的數字自動化優勢，優化GPS控制網設計，實現地質測繪的現代化長遠發展。