GPS RTK 在物探测量中的应用

姚海龙,张亚东,霍印峰

(中国冶金地质总局地球物理勘查院,保定 071051)



GPS RTK 在物探测量中的应用

姚海龙,张亚东,霍印峰

(中国冶金地质总局地球物理勘查院,保定 071051)

摘要：在小区域进行大比例尺物探测网的施工测量中,测区及其附近没有高精度控制点的情况下,通过GPS静态测量的方法进行控制测量,经过一定的数据处理,进而建立一种和施工坐标系一致的独立坐标系的方法。使用RTK模式进行测量作业,通过实例说明此方法在物探测量中的实用性。

关键词：GPS静态测量；GPS RTK；WGS-84坐标系；北京54坐标系；独立坐标系

0引言

GPS RTK技术以其高精度、实时性的特点,在物探测网的布设中得到广泛应用。利用RTK进行物探测网施工前,必须先将WGS-84坐标转换为与施工图纸相对应的平面坐标。目前地质勘查施工平面图坐标系多为北京54坐标系,由于当时我国测绘技术力量较为薄弱,以致多数地区控制点密度较低,或已被破坏。这种情况下在测区较为明显的地形点上布设一定数量的地形控制点,利用GPS静态测量的方法准确测定出各控制点间的相对位置关系,通过一定的数据处理方法,将其转换成与施工平面图相对应的施工坐标,用RTK作业方式将图纸上的设计测线按施工精度要求放样到实地,进而完成物探测线的实地施工放样工作。本文就RTK在物探测量中的应用,以当前地质勘查应用较多的北京54坐标系为例作了一些探讨。

1二种坐标系简介

1.1WGS-84坐标系统[1]

WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,是由美国国防部制图局建立,其坐标原点位于地球质心,Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH 1984.0的起始子午面和赤道交点,Y轴与X轴和Z轴成右手系。WGS-84系所采用椭球参数为:

a=6 378 138 m;f=1/298.257223563

1.2北京54坐标系统[2]

1954年的北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。在建国以前,我国没有统一的大地坐标系统。建国初期,在苏联专家的建议下,我国根据当时的具体情况,建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,椭球参数为

a=6378245;f=1/298.3.

1.3二个坐标系的比较

如上所述,WGS-84地心坐标系和北京54参心坐标系,在空间的定位与定向,椭球体的长轴和偏心率不一样,使得地面同一点在这二种坐标系中的坐标值不同。不同区域有不同的参考椭球,所以差别也不尽相同,得到的测量结果经高斯投影,在平面上有几十米到一百多米的差别,如表1所示。因此,在数据使用过程中,必须将WGS-84坐标进行坐标系转换,转换成为北京54坐标系下的坐标后,才能和已有平面图施工坐标系相吻合。

2转换原理和转换模型

2.1转换原理

WGS-84坐标系与北京54坐标系之间的转换,必须参照两个条件,1) 参考椭球体几何中心相对地心的位置;2) 根据两个椭球体的大小形状(几何参数)。转换过程如图1所示。

图1　坐标系转换流程图

从图1可以看出,坐标系转换一般需要三个环节:大地坐标系到地心坐标系→地心坐标系到地心坐标系→地心坐标系到大地坐标系,这是一套标准的坐标系统转换程序。在同一个基准面下的转换是严密的,而在不同的基准面下进行转换是不严密的。在WGS-84坐标和北京54坐标之间是不存在一套转换参数可以全国通用的,在每个地方会不一样,因为它们是两个不同的椭球基准。常用的比较严密的方法是三参数或七参数,但是在比较小的区域内(经验值是工区内最远点之间的距离不大于30 km),可以省略第一个条件。假设北京54椭球中心和坐标轴方向与WGS-84椭球相一致,只考虑椭球参数的不同,需要的环节是大地坐标系到地心坐标系→大地坐标系,表现在图1中就是省去了空间坐标系的转换过程。

2.2转换模型

根据坐标系转换,要考虑的参数不同,大致可以分为两种转换模型。

1) 空间转换模型(三参数法,七参数法)

考虑两个坐标系统空间直角坐标系间的坐标原点不一致,既存在坐标轴的偏移又存在坐标轴的旋转,还有两个坐标系的尺度不一致,这就需要对空间直角坐标进行矫正。这时采用的数据模型为空间转换模型。常用的空间转换模型比较严密的是七参数布尔莎模型,其数学公式为[3]

加州鲈鱼种苗培育一般放养密度控制在8～10万尾之间。根据标粗规格要求不同放养密度也会做相应的调整。3～5cm种苗每亩投放8～10万尾，在20～25℃水温环境培育，投喂率控制在5%～8%，经过45～55天标粗可达50～60尾/kg规格。一般苗种培育塘不再搭配鲢鳙鱼类以及其它鱼类，防止影响苗种的摄食。

(1)

式中: dX、dY、dZ为两坐标系原点的平移参数,即原坐标系的原点在新坐标系中的坐标值; Rx、Ry、Rz为坐标系参考框架的旋转角(旋转参数); M为缩放尺度参数。当已知的平面点有三个以上时,就可以通过式(1)求出七个转换参数。

如果区域范围不大(经验值是区域内最远点间距离不大于30km),可以假设两个坐标系只存在平移,即只有X平移、Y平移、Z平移,而将X旋转、Y旋转、Z旋转,尺度变化面DM视为0,模型为[4]

(2)

由式(2)可见,三参数是在七参数之上的简化,可以用一个已知点利用式(2)求解。

2) 平面转换模型

平面转换是建立在北京54椭球的中心和坐标轴方向与WGS-84椭球相一致的假设基础上,即两个坐标系空间坐标系相一致,而只考虑椭球参数不同。经验表明，在小于30 ～40 km的区域内,可利用平面转换模型。转换过程就是把从GPS中获得的经纬度坐标,以WGS-84椭球参数为基准进行高斯投影变换,直接获得平面直角坐标,然后通过平面坐标强制转换,即坐标平移和旋转统一到北京54坐标下来。其数学模型有相似变换、仿射变换、完整二次多项式变化等。

3一种实用的独立坐标系建立方法

从以上讨论的几种坐标转换模型可以看出,利用RTK进行作业前必须先将WGS-84坐标转换到当地平面坐标上来,这就需要测区及其附近要有三个以上高等级平面控制点。在当前地质勘查中,多数施工平面图为北京54坐标系,当测区及其附近有控制点时,可以通过RTK作业方式实时采集2～3个控制点的WGS-84坐标,这个过程称之为控制点联测。通过测量仪器自带的软件求出转换参数,就可将施工平面图设计的剖面线用RTK的作业方法放样到实地。那么在小区域施工范围内,测区及其附近无控制点时,怎样将施工图上设计的测线准确而快速的放样到实地呢?下面给出一种实用的方法。

从以上讨论可知:在测区最远点间距离小于30 km时,可以认为北京54坐标是WGS-84坐标系下的一个平移。因此给出下面一个建立独立坐标系的方法,实际的工作过程为:1) 在测区内选定一定数量具有明显地形特征的地貌或地物点的地方布设测量控制点,在这些点上以GPS静态测量方法进行控制测量,利用GPS静态后处理软件进行WGS-84坐标系下的无约束平差。将平差成果(坐标为B,L,H形式)在WGS-84椭球下进行高斯投影,变换成平面坐标(坐标为x,y,h形式)。2) 参考地形图,从控制点中选取其中一明显地形地貌点,从图上读出该点平面坐标和高程,将GPS静态测得的控制点的坐标(WGS-84平面坐标)成果和从地形图上读取的特征点坐标(北京54平面坐标)展在AutoCAD下,利用CAD下的move命令选取全部控制点(WGS-84平面坐标),以选取的特征点为基点将其平移到特征点(北京54平面坐标)上。3) 将平移后的控制点坐标从CAD中读取,作为测区平面控制点,在实地利用RTK作业方法对控制点进行联测求参后,就可以进行剖面线的实地放样与采集了。

表1　各控制点坐标(单位 m)

4应用实例

贵州某工区物探异常新方法查证普查工区,范围为 3 km×4 km,施工时间紧迫,工区及其附近没有高等级测量控制点。在工区及其附近选定4个具有明显地形地貌特征的点作为GPS静态观测控制网,分别为G1、G2、G3、JD,其网图如图2所示。仪器使用两台南方测绘仪器公司生产的灵锐S82型高精度GPS接收机,严格按照《GPS测量规范》的要求进行静态外业数据采集,随后用其自带的静态后处理软件-南方测绘数据处理系统,进行WGS-84坐标系下的无约束平差,并将平差成果在WGS-84椭球下进行高斯投影,成果如表1所示。

图2　控制点网图

从施工平面图上读出其中一个地形特征点(一般选取测区中较为明显的山包)或地貌的平面直角坐标和高程,在本工区选取G1(坐标为北京54直角坐标)。并将其连同G1、G2、G3、JD(坐标为WGS-84直角坐标)一同展到CAD下,在CAD中以G1(坐标为WGS-84直角坐标)为基点将G1、G2、G3、JD一起平移到G1(坐标为北京54直角坐标),平移后的坐标如表1所示。将从施工平面图上读出的G1的高程与静态测量的高程的差值作为测区的高程异常值η,将G2、G3、JD的高程分别加上高程异常值η作为测区控制点高程,其结果如表1所示。

从G1、G2、G3、JD中选取其中三个点进行控制点联测,求出转换参数后就可以进行剖面线放样了,其中JD为剖面线上一基点,作为设计测网的基准点,设计时按实测的坐标进行线路设计。

实地测设剖面线与施工平面图设计剖面线地形吻合很好。

5结束语

目前地质勘查施工平面图坐标系多为北京54坐标系,大部分地方控制点遭到破坏或没有,所以这一方法比较实用。建立独立坐标系时是以北京54椭球为基准,坐标系统起算点采用北京54坐标系坐标,所以其测绘成果和北京54坐标系一致。GPS静态测量做控制测量具有定位精度高,作业方便的特点,GPS RTK进行剖面线放样定位精度好,效率高,可以完全满足地质勘查中物探测量的要求。平面误差主要为读取地形点时的读图的误差,在实际埋设控制点桩时对地形认识的误差,这些误差是影响实际剖面线与地形图平面位置吻合的主要误差;从图上读取地形点高程时的读图误差,采用一个点拟合的高程异常值作为高程拟合模型的结果,这是影响测区高程绝对误差的主要误差。在测区控制点和国家高精度控制点联测后,通过坐标转换可以将原有测绘成果转换成标准的坐标成果。

参考文献

[1] 高艳芳,戚树军,李晓昌.将WGS-84坐标转为北京54坐标的一种实用方法[J].物探化探计算技术,2008,30(6):519-521.

[2] 蒋维恒,章书寿,陆国胜,等.测量学[M].北京:测绘出版社,2000.

[3] 刘基余,李征航,王跃虎，等.全球定位系统原理及其应用[M].北京:测绘出版社,1993.

[4] 黄声享,郭英起,易庆林.GPS在测量工程中的应用[M].北京:测绘出版社,2007.

姚海龙(1981-),男,陕西华县人,工程师,主要从事GPS测量应用与研究,变形监测。

张亚东(1981-),男,甘肃定西人,工程师,从事GPS测量应用与研究。

霍印峰(1972-),男,贵州贵阳人,工程师,从事GPS测量应用与研究,大比例尺地形图测绘。

GPS RTK Application in Geophysical Survey YAO Hailong,ZHANG Yadong，HUO Yinfeng

(GeophysicalExplorationAcademyofChinaMatallurgical

GeologyBureau,Baoding071051,China)

Abstract:In the construction undergoing middle and small scale geophysical web measurement at the small zone,provided that nearby and targeted zone having no high-accuracy controlling point,we could control the supervising by gps static measurement,after dealing with some data,in order to establish a separate reference frame,and survey-ing use of RTK, now we give actural sample to verify this point.

Keywords:GPS static survey; GPS Real Time Kinematic; WGS-84 reference frame; Beijing54 reference frame; independence reference frame

作者简介

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0096-04

收稿日期：2015-09-30

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.020

联系人： 姚海龙 E-mail: 3292294344@qq.com