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GPS-RTK 技術(shù)在地質(zhì)勘查工作中的應(yīng)用

  GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)
，它是美國(guó)在20 世紀(jì)70 年代初開始研制，歷經(jīng)方案論證（1974~1978 年）
、系統(tǒng)論證（1979~1987 年）、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)（1988~1993 年）三個(gè)階段
，總投資超過(guò)200 億美元
，于1994 年全面建成，它是具有在海陸空實(shí)施全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)
。它以其高精度
、全天候、高效率
、多功能、操作簡(jiǎn)便
、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)著稱
，從其誕生開始就給社會(huì)許多行業(yè)帶來(lái)了深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。
 
  但是常規(guī)的GPS 測(cè)量方法
，如靜態(tài)
、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得需要的高精度的結(jié)果
，而且無(wú)法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)地檢核
，于是GPS-RTK 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。RTK（Real TimeKinematic）技術(shù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的簡(jiǎn)稱
，是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合
，是GPS 測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)新突破，是GPS 應(yīng)用的重大里程碑
。RTK 系統(tǒng)主要包括3 個(gè)部分：基準(zhǔn)站
、移動(dòng)站、數(shù)據(jù)鏈
。RTK定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為基礎(chǔ)
，基準(zhǔn)站上的GPS 接收機(jī)對(duì)所有可見GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不間斷觀測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站信息一并傳送給移動(dòng)站
，而移動(dòng)站在接受這些信息的同時(shí)也采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)
，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果
，為時(shí)甚至不到1 秒
。
 
  1 地質(zhì)勘查工作中GPS 技術(shù)的運(yùn)用情況
 
  地質(zhì)勘查工作包含許多繁雜的工程，既有宏觀的也有微觀的
，隨著測(cè)繪技術(shù)日新月異的發(fā)展
，地質(zhì)勘查工作也隨之發(fā)生了新的變革，尤其是手持GPS 的廣泛應(yīng)用
，給地質(zhì)勘查工作提供了極大的方便
。手持GPS 采用SPP（Single Point Positioning）技術(shù)，即單點(diǎn)定位技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是只需用一臺(tái)接收機(jī)即可獨(dú)立確定待求點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)
，且觀測(cè)方便
，速度快，數(shù)據(jù)處理也較簡(jiǎn)單
。主要缺點(diǎn)是精度較低
，一般來(lái)說(shuō)，只能達(dá)到米級(jí)的定位精度
，接收情況稍差的地方誤差甚至達(dá)到幾十米乃至上百米
。但是隨著RTK 技術(shù)的日臻成熟，它給地質(zhì)勘查中的測(cè)量工作帶來(lái)了質(zhì)的飛躍
。
 
  2 RTK 精度分析
 
  2.1 影響RTK 定位精度的主要因素
 
  2.1.1 基準(zhǔn)站坐標(biāo)誤差
 
  從RTK 的工作原理可以看出
，基準(zhǔn)站的坐標(biāo)精度直接影響到整個(gè)RTK 系統(tǒng)，如果其坐標(biāo)精度低的話
，流動(dòng)站所得到的所有數(shù)據(jù)均有一定的系統(tǒng)誤差
。
 
  2.1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度
 
  由于GPS 衛(wèi)星觀測(cè)的坐標(biāo)系統(tǒng)為世界大地坐標(biāo)系（WGS84），而平時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程中所采用坐標(biāo)系統(tǒng)一般是北京54
、國(guó)家80 或者是一些地方坐標(biāo)系統(tǒng)
，所以需要和這些坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以RTK 最后的定位精度與為了轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所采集的公共點(diǎn)的位置
、數(shù)量及質(zhì)量有直接的關(guān)系
。
 
  2.1.3 整周模糊度解算與動(dòng)態(tài)基線解算誤差
 
  整周模糊度與動(dòng)態(tài)基線快速準(zhǔn)確解算對(duì)RTK 系統(tǒng)精度進(jìn)一步提高有著密切的關(guān)系，其解算方法有許多種
，不過(guò)解算程序都已經(jīng)被各廠家編入主機(jī)之中
，誤差不受用戶控制，這里就不加詳述
。
 
  2.1.4 信號(hào)傳播誤差
 
  RTK 系統(tǒng)采用電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集
，電離層和對(duì)流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差是主要影響因素
，其實(shí)前者已經(jīng)通過(guò)雙頻技術(shù)和引入對(duì)流層模型得到了誤差控制
，多路徑效應(yīng)是我們?cè)谶\(yùn)用RTK 定位過(guò)程中最重要的誤差影響因素之一，這就要求我們作業(yè)過(guò)程中注重對(duì)作業(yè)環(huán)境的選擇
。
 
  2.1.5 人為因素
 
  在作業(yè)過(guò)程中
，可能會(huì)由于人員操作原因，造成天線相位中心位置偏差
，點(diǎn)位對(duì)中誤差
，手簿采集記錄誤差等人為因素影響到RTK 定位精度。
 
  2.2 作業(yè)精度保障
 
  為確保精度
，進(jìn)行RTK 作業(yè)時(shí)
，基準(zhǔn)站盡量設(shè)在視野開闊的較高位置
，適當(dāng)提高基準(zhǔn)站發(fā)射天線高度；聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)盡量采用已建成的國(guó)家高等級(jí)GPS點(diǎn)
、三角點(diǎn)或已經(jīng)過(guò)統(tǒng)一平差的控制網(wǎng)內(nèi)的GPS 點(diǎn)
，要求數(shù)量盡量多且圖形強(qiáng)度高；根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)
，選擇適當(dāng)時(shí)段進(jìn)行測(cè)設(shè)
；適當(dāng)延長(zhǎng)在每測(cè)設(shè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間，以確保固定解并將移動(dòng)站天線盡可能保持垂直
；作業(yè)半徑保持在規(guī)定范圍以內(nèi)
，若要加大范圍，可采用中繼站電臺(tái)或定向天線
；移動(dòng)站采集數(shù)據(jù)時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范操作
，確保限差在規(guī)定范圍以內(nèi)。
 
  2.3 精度對(duì)比實(shí)例
 
  2009 年9 月在對(duì)青海省湟中縣門旦峽石灰?guī)r礦區(qū)實(shí)施地質(zhì)勘查相關(guān)測(cè)量時(shí)
，對(duì)RTK 施測(cè)精度進(jìn)行了如下驗(yàn)證：（RTK 型號(hào)：中海達(dá)（9500）-V8 手持GPS 型號(hào)：GARMIN GPS72）
 
  （1）先通過(guò)靜態(tài)GPS 引測(cè)國(guó)家三角點(diǎn)（三等）布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格平差后作為測(cè)區(qū)起算數(shù)據(jù)
。
 
  （2）在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇合適位置架設(shè)RTK 基準(zhǔn)站
，然后通過(guò)移動(dòng)站對(duì)各首級(jí)控制點(diǎn)實(shí)施觀測(cè)，作業(yè)過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)范和要求操作
。
 
  （3）利用手持GPS 在各首級(jí)控制點(diǎn)觀測(cè)定位（開機(jī)定點(diǎn)觀測(cè)15 分鐘）
。
 
  （4）對(duì)各點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析：
 
  由此可以看出，在本測(cè)區(qū)范圍內(nèi)RTK 定位精度完全達(dá)到了相應(yīng)要求
，并且比手持GPS 定位精度高出許多
。
 
  3 RTK 技術(shù)在地質(zhì)勘查工作中主要應(yīng)用
 
  3.1 圖根控制測(cè)量
 
  從前面所述實(shí)例中可以看出，RTK 測(cè)量所得坐標(biāo)數(shù)據(jù)完全可以滿足一般圖根點(diǎn)控制精度要求
，所以在地質(zhì)勘查工作中
，可以運(yùn)用RTK 對(duì)礦區(qū)實(shí)施圖根控制點(diǎn)布設(shè)。這樣不僅方便快捷
，也能保證相對(duì)高的精度
。
 
  3.2 地質(zhì)工程放樣
 
  地質(zhì)勘查過(guò)程中往往需要布設(shè)勘探線，并且進(jìn)行必要的槽探
、鉆探
、硐探、物化探等工程
，但是礦區(qū)往往由于面積較大
，地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峻等因素嚴(yán)重影響通視情況
，運(yùn)用傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量方法如經(jīng)緯儀
、全站儀測(cè)量工作效率較低
，而利用RTK 只需要“電磁波通視”的優(yōu)點(diǎn)，可以讓工程放樣工作事半功倍
。
 
  3.3 地形測(cè)量
 
  地質(zhì)勘查也需要對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地形圖的測(cè)量（一般為1：1000/2000/5000）
，采用RTK 聯(lián)合全站儀進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖，可以極大的提高測(cè)量工作效率
。
 
  3.4 剖面測(cè)量
 
  利用RTK 的放
、測(cè)、算
、檢一體的特點(diǎn)
，可以在勘探線的縱橫斷面上實(shí)施剖面測(cè)量，并進(jìn)行土石方的相關(guān)計(jì)算
。
 
  3.5 其他相關(guān)運(yùn)用
 
  在地質(zhì)填圖以及地質(zhì)點(diǎn)定位的工作中
，RTK 完全可以替代手持GPS，不僅具備手持GPS 的快捷便利的優(yōu)點(diǎn)
，更具備手持GPS 不能達(dá)到的高精度要求
；由于RTK 手簿程序多樣化智能化的特點(diǎn)，RTK 還能進(jìn)行導(dǎo)航
、記錄
、通訊、計(jì)算等工作
，給地質(zhì)勘查工作帶來(lái)極大的方便
。
 
  4 地質(zhì)勘查常用坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換
 
  在地質(zhì)勘查工作中常常需要當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)（比如北京54 或者國(guó)家80）或者工程坐標(biāo)，這就需要對(duì)采集的大地坐標(biāo)或者假設(shè)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換
，對(duì)于較小面積（一般不大于30km?）的測(cè)區(qū)采用四參數(shù)轉(zhuǎn)換即可
，但是對(duì)于大面積測(cè)區(qū)則采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換效果較好。
 
  在我們采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)
，需要用RTK 采集三個(gè)或三個(gè)以上已知點(diǎn)的GPS 坐標(biāo)
，而采用四參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，只需要采集兩個(gè)已知點(diǎn)的GPS 坐標(biāo)就可以了
。
 
  如今RTK 手簿上所帶測(cè)量程序基本上都可以實(shí)現(xiàn)野外實(shí)時(shí)解算七參數(shù)或四參數(shù)
，以中海達(dá)RTK（9500）-V8 為例，在對(duì)控制點(diǎn)（已知點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)
，在“記錄”屬性頁(yè)中將“控制點(diǎn)”前方的方框打勾（菁）
，然后點(diǎn)擊右側(cè)【詳細(xì)】，輸入控制點(diǎn)名稱
，選擇類型為“當(dāng)?shù)豖YH”
，確認(rèn)后輸入相應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，再確認(rèn)后就將該點(diǎn)與控制點(diǎn)建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系
。
 
  如此將其他需測(cè)控制點(diǎn)建立好對(duì)應(yīng)關(guān)系后
，就可以開始進(jìn)行求解七(四)參數(shù)
，使用菜單【輔助】—【計(jì)算】—【七參數(shù)】，進(jìn)入“求解七參數(shù)”視圖：
 
  【新建】求解參數(shù)文件后
，通過(guò)【加點(diǎn)】添加所參加計(jì)算的控制點(diǎn)
，然后【解算】七參數(shù)，只要?dú)埐詈捅壤齾?shù)（一般為0.97～1.03） 符合要求則認(rèn)為七參數(shù)可用
，然后“ESC”退出
，隨后彈出“是否更新采集數(shù)據(jù)”，若數(shù)據(jù)量小可選“YES”
，若數(shù)據(jù)量大選“NO”
，在數(shù)據(jù)導(dǎo)出前執(zhí)行菜單【文件】—【更新數(shù)據(jù)】即可。
 
  另外
，對(duì)七參數(shù)解算也可以事后進(jìn)行
，這里就不加詳述。
 
  5 結(jié)語(yǔ)
 
  GPS-RTK 技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法有著極大的優(yōu)勢(shì)
，在地質(zhì)勘查測(cè)量工作中讓作業(yè)效率和精度都得到了很大的提高
。但是，RTK 在地質(zhì)勘查工作中也存在一些局限性：地質(zhì)勘查往往在地形條件復(fù)雜的山區(qū)開展工作
，這就對(duì)基準(zhǔn)站及天線的架設(shè)要求較高
；移動(dòng)站接收不到衛(wèi)星信號(hào)或數(shù)據(jù)鏈信息的地方，要與其他測(cè)量手段配合使用以及換用定向天線
；如果測(cè)區(qū)高程變化大且面積較大時(shí)，采用GPS-RTK 高程擬合精度也會(huì)相對(duì)下降
，需要與控制網(wǎng)整體平差
。伴隨著GPSRTK技術(shù)的逐步完善，軟硬件設(shè)施的逐步改良
，其在地質(zhì)勘查以及其他領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛和長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展
。