GPS技术在煤概查控制测量中的应用分析

王宏宇 王瑞华2

（1.河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州450052；2.河南省煤田地质局资源环境调查中心，河南 郑州450052）

1 引言

随着我国经济的快速发展，对于能源品质的要求越来越高，而煤炭作为我国的传统能源，其开发和利用程度对我国的经济的发展具有深远意义.地震勘探控制测量是指为配合煤炭地球物理勘探工作所做的控制测量工作，测量的主要任务是依据测量规范和物探设计书，在测区内布设控制点，为物理点的野外施工放样提供精确的符合规范要求的测量成果。

随着GPS定位、计算机远程传输和数据分析等技术的高度发展和广泛普及，GPS技术具有全天候、高精度、无须通视布网灵活、全球性、信息层次丰富、信息采集方便快捷等优点，GPS定位测量在地震勘探测量中得到了广泛的应用。

在测区内，按测量任务所要求的精度，测定一系列控制点的平面位置和高程，建立起测量控制网，作为各种测量的基础，这种测量工作称为控制测量。控制网具有控制全局，限制测量误差累积的作用，是各项测量工作的依据。对于地形测图，等级控制是扩展图根控制的基础，以保证所测地形图能互相拼接成为一个整体。对于工程测量，常需布设专用控制网，作为施工放样和变形观测的依据。

2 已有测绘成果资料利用

2.1 已有平面控制资料简述

1.黄河水利委员会勘测设计院1952-1956年施测的陕县—郑州Ⅰ等三角锁中的“凤凰山”、“杨家坟疙瘩两点”，分别位于勘探区西北9千米处和勘探区东南5千米。

2.义煤集团地质勘探公司测量队于2002年在义煤矿区内布设施测D级GPS控制网，该网作为义煤集团所属矿区的首级控制，把上述提到Ⅰ、Ⅱ等三角点纳入该网作为起算点或重合点。其网中 “英豪北”、“后河”、“水泥厂”、“大块楼”、“岭头”位于勘探区内或者周边。

2.2 已有平面控制资料分析利用

经过分析，因为当时义煤集团在建矿区D级GPS网时，把位于矿区内及周边保存完好的已有Ⅰ、Ⅱ等三角点几乎全部纳入该网。该网用GPS技术建立，网中点位精度均匀，可靠。故采用D级GPS点成果作为勘探区E级GPS网的平面起算。

以上四点平面均采用1954年北京坐标系，高程采用1956年黄海高程系，其标石完好。

2.3 高程控制的利用资料

设计四等水准联测由国测1959年布设沿着310国道布设的西安—郑州一等水准线路或黄委会1954年布设的洛阳—陕县二等水准线上两条线路上的水准点或到义煤集团的收集水准点资料，经过检查可靠后，作为勘探区控制网的水准测量起算数据。

经过在实地进行踏勘寻找，因Ⅰ、Ⅱ等水准线路布设时间长，310国道线路部分改道，又地物地形变化巨大，依据点子记没有找到点位，无法利用；又到义煤集团收集，经义煤集团测量负责人介绍，因义煤集团地处丘陵、低山地区，因不宜水准测量，没进行过水准测量，进行矿井建设是利用三角高程进行高程测量起算的。

因此，本次使用义煤集团收集的D级GPS点上的三角高程作为勘探区E级GPS网的高程拟合起算数据。

2.4 图纸

外业使用的图纸因已有的1∶50000地形图施测时间较长，地物地形变化太大。其使用价值不大。故本次测量外业，是依据网上Google地球制作的勘探区范围影像图进行选点，埋石。该图纸虽然比例尺难以控制，但其影像清晰、现实性强、详尽，使用方便。

3 作业依据和施测要求

3.1 作业依据

（1）《测绘技术设计规定》

CH／T 1004—2005

（2）《全球定位系统（GPS）测量规范》

GB／T 18314—2009

（3）《测绘成果质量检查与验收》

GB／T 24356—2009

（4）《测绘技术总结编写规定》

CH／T 1001—2005

3.2 起算依据

（1）平面采用1954年北京坐标系，高斯正形3度带投影，中央子午线111°。

（2）高程采用1956黄海高程系。

4 选点、埋石

4.1 选点

本次E级GPS点点位，依据在影像图上的布点位置，大部分选在小路边的地界处，能够利于长久保存、便于寻找、周围比较开阔、利于GPS接受机观测和常规观测的地方；由于该区处于绳池县城、义马市边沿，人口多，村庄稠密加之村庄外围树木繁多，给选点工作造成不利，考虑到RTK技术已普及，相邻点间没有强求互相通视。

4.2 埋石

新埋设混凝土预制单层标石，其规格为上面边长为15cm，下底边长为35cm，高度为50cm；标石的中心标志，利用直径Φ为16mm钢筋，长度不小于25cm，标石内部部分打弯曲，露出部分为1cm，中心钻一半径为1mm的圆孔，作为点位标志；标石埋设牢固、稳定。

为了便于寻找，埋设的标石面露出地面2-3cm。并在点周围明显地物上和标石面用红色油漆注明该点点号、距离、等级等信息，以便于寻找及与成果对应。

5 GPS观测实施情况

5.1 外业观测技术要求

（1）使用仪器及精度：该区使用南方测绘仪器公司生产的5台灵锐S82双频GPS接受机。其标称精度，符合规范规定要求。

仪器标称精度 静态平面精度：±（3mm+1ppm×D），

静态垂直精度：±（5mm+1ppm×D）

经解放军测绘学院仪器检测鉴定中心鉴定，该5台仪器工作正常，精度达到标称精度指标，满足规范规定的E级GPS网所使用仪器要求。

（2）GPS外业观测技术指标规范规定见下表：

级别项目E卫星截止高度角（°）15同时观测有效卫星数（颗） ≥4有效观测卫星总数（颗） ≥4观测时段数（个） ≥1.6时间段长度（分钟） ≥40 min数据采样间隔（秒） 5-15同步观测接收机数（台） ≥2接收机 单频／双频 双频或单频

注1：观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录数据的时间段。

注2：观测时段数≥1.6，指每站至少观测1时段，其中第二次设站点数应不少于GPS网总点数的60%。

注3：采用卫星定位连续运行基准站观测模式时，可连续观测，但观测时间不应低于表中规定的各时段观测时间的总和。

5.2 外业观测方法

外业观测采用边连接方式观测。接受机利用三角架腿安置在标志中心垂线上方，用测前已经检验、校正合格的光学对点器进行对中，对中误差不大于3mm，仪器架设高度距离标石面大于0.5米，天线高由不同三个方向量测，测前、后各一次，取平均值下载数据时直接输入相应文件。

6 E级GPS网外业数据处理及检核

为了评估外业观测成果质量，保证外业成果达到相应精度，外业结束后立即在驻地对观测数据进行进行了基线解算处理和基线检核，保证外业数据真实可靠。

E级GPS网主要特征

6.1 本次E级GPS网基线测量中误差

本测区E级GPS控制网平均边长为5.6km，根据规范规定基线测量的中误差根据外业测量仪器的标称精度进行计算为：

静态平面精度：±（3mm+1ppm×D）=±（3mm+5.6mm）=8.6mm

静态垂直精度：±（5mm+1ppm×D）=±（5mm+5.6mm）=10.6mm

基线测量中误差：

6.2 E级GPS数据质量检验

（1）异步环检验

报告中剔除不参与平差基线后组成环情况如下：

闭合环最大节点数3

异步闭合环59

网中3节点异步环闭合差坐标分量限差应满足下式计算：

异步环坐标分量闭合差最大为-36.8mm，从异步环闭合差的坐标分量可以看出，远小于限差值，证明野外观测数据质量好、精度高。

（2）重复基线质量情况

本区控制网重复基线较差应满足：

重复基线较差最大为±18mm，从上数据可以看出复测基线两次长度较差远小于限差值，亦证明野外观测数据可靠。

7 GPS网平差

7.1 三维无约束平差

把经过检核合格的49条基线向量，以一个点（GE02点）的 WGS—84系三维坐标作为起算依据，进行无约束平差，得到各点在WGS—84系下的三维坐标、各基线向量及其改正数和其精度信息。

在该网的无约束平差中，基线分量的改正数绝对值应为：

VΔX=VΔY=VΔZ=3δ=3×13.6=40.8mm

根据平差资料，无约束平差中，基线分量的改正数绝对值最大的为V△X=22.10mm；V△Y=-2.7mm；V△Z=6.2mm。（基线 YIHB1543—HOUH1543）远小于限差要求，再次证明野外观测数据可靠。

7.2 二维约束平差

利用无约束平差后的可靠观测量，选择在1954年北京坐标系和80西安坐标系下进行。

进行二维约束平差，首先对4点，“后河”、“英豪北”、“水泥厂”和 “大块楼”进行成果精度匹配检查。利用其余4点的成果作为该网的临时起算数据，计算出进行平面转换和高程拟合依据。

约束平差后，基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值应满足下式：

dvΔx=dvΔy≤2δ=2×13.6=27.2mm

约束平差后，基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值最大的基线是（基线YIHB1543—HOUH1543）

dvΔx=22.1-3.9=18.2mm

dvΔy=-2.7-（1.7）=-1.0mm相对误差最大为1／32万（LINT-E003）。点位（E08）中误差最大为0.9cm。

8 GPS高程拟合

高程拟合起算也是“后河”、“英豪北”、“水泥厂”和 “大块楼”四个点的三角高程进行拟合，网中内符合精度为±51.6mm，高程中误差最大的为（E07）为1.8cm。

9 精度评价

陕绳煤田杜家-张沟煤概查区E级GPS网布新点12个，加上区内及周边已有的4点（重新计算成果）共计16个，点位分布基本均匀，数量及其点位置满足勘探首级控制要求。

GPS网精度情况是：点的重复设站率75%，复测基线9条，异步环检查数量大，检核条件严谨充分。异步环相对误差最大为2.8ppm，闭合差分量最大0.046m（限差0.071m）。复测基线较差最大0.027m为限差1／2，外业观测数据精度高于规范要求。二维约束平差后，基线向量改正数最大为-0.018m，这相对误差最大为1／320000。点位中误差最大为0.009m。其精度满足地质勘探要求。

10 利用控制点完成的地震工作量

测区面积约90平方公里，利用测区控制点完成二维地震测线12条。其中主测线8条，测线长34.9km，物理点882个；联络线4条，测线长58.8km，物理点1475个。共计地震测线长93.7km，测线物理点2357个；完成试验物理点125个，低速带调查物理点18个，计143个物理点总计物理点2500个。

通过物理点资料分析与处理，得出如下结果：

（1）初步了解区内新生界地层厚度及变化情况；

（2）初步了解概查区构造轮廓；

（3）初步了解含煤地层的分布范围和埋藏深度；

（4）提供参数孔和找煤孔孔位.

11 结束语

该煤概查区控制网的建立，对于准确布设地震勘探线提供了技术支持，可以利用这些控制点，进行仪器的校正以及测量数据的检查，提高了地震勘探的施工效率，节约了成本。同时，该控制网的建立，不但为其它测绘工程（包括低级平面控制网和基础地形图测绘工程）及城市规划、土地、交通、公安、房产和市政等部门实现数字化、信息化管理提供了基础技术保障。