提高近海地质钻探定位精度的技术关键

孔玉柱，姚加宁，王　方，张雪飞

（1.山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台264004；2.新疆合润阳光工程咨询有限公司，新疆乌鲁木齐830000；3.河南省安阳市地理信息与规划编制研究中心，河南安阳455000）

提高近海地质钻探定位精度的技术关键

孔玉柱*1，姚加宁2，王方3，张雪飞1

（1.山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台264004；2.新疆合润阳光工程咨询有限公司，新疆乌鲁木齐830000；3.河南省安阳市地理信息与规划编制研究中心，河南安阳455000）

在三山岛北部海域开展金矿详查工作中，地质测量人员采用基于SDCORS的网络RTK技术进行海上钻探孔位定位工作。在此，总结了影响近海地质钻探孔位定位精度的因素，并探讨了提高近海地质钻探孔位定位精度的技术关键。

CORS；网络RTK；海上钻探孔位定位；技术关键

山东省第三地质矿产勘查院受甲方委托在山东省莱州市三山岛北部海域开展金矿详查工作，该项目自2012年启动到2014年底完成详查报告，整个勘查工作历时近3年，勘查探获金金属资源量470多吨。为满足该项目地质勘查设计、地质勘查施工的需要，地质测量人员在借鉴其他海上定位施工经验的同时[1-3]，对海上钻探定位方法进行改进，采用基于山东SDCORS的网络RTK技术进行地质钻探孔位的定位工作。

1　本次海上勘查钻探孔位定位的方法

（1）海上钻探孔位布设方法。本次海上勘查采用的钻探平台属于拼装式插桩钻探平台，它是靠固定在海底10多米深的泥沙里的9个钢管桩支撑着钻探工作台面。钻探孔位就是中间管桩的中心位置（图1），也是整个钻探平台的中心，布设钻探孔位就是将平台的中心布设到正确的施工位置。布设孔位时，施工人员将钻台平台和施工船固定在一起，首先，地质测量人员在平台上指挥施工船行驶到孔位的附近，将4只定位锚抛好，固定住施工船，然后，根据地质测量人员的指挥，利用施工船上的4个定位铰盘收放4条锚链移动施工船，直至钻探平台中心到达理论孔位坐标处，迅速使用空气锤把支撑钻探平台的9根钢管桩钉入海底5～10m深度，再将钻探平台通过安装在固定桩顶部滑轮组升高到设计部位，待钻探平台调整平稳无沉降后，通过滑轮组调整平台至水平，平台最终搭建完成。地质测量人员登上平台再次对孔位进行精确定位，检查孔位无误后，才可以把钻机吊装到平台上进行钻探施工。

图1　钻探平台施工

（2）海上钻探孔位的定位测量方法。本次海上钻探孔位的布设和定测采用基于SDCORS的网络RTK技术进行测量。SDCORS是山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统（ShanDong Continuously Operating Reference Station System，简称SDCORS），SDCORS是建设在不同应用领域之间搭建了一个技术与服务平台，不仅向测绘用户提供统一的、动态的、连续的、高精度的时间和空间基准，还可以向社会各需求部门提供各种地理空间信息数据服务，是“数字山东”的基础设施之一，也是山东省一项重要的空间数据基础建设工程。CORS-RTK系统是现阶段GPS实时动态差分中最先进，精度最高，应用最广泛的实时差分系统，它采用了载波相位动态实时差分方法，极大地提高了外业作业效率、充分拓宽了RTK作业时段、增加了RTK作业距离。经过测试和长时间的应用，基于SDCORS网络RTK的测量系统稳定性良好，测量成果能够达到平面小于3cm、高程小于5cm的精度水平[4]。CORSRTK技术海上定位测量成果完全可以满足本次勘查项目需要及相关测量规范要求[5-6]。

2　影响本次海上勘查钻探孔位定位精度的因素

海上勘查施工相对陆地勘查施工经验少、难度高、不确定因素多。海上勘查施工定位也是同样受到诸多因素的影响，面度诸多影响因素，如何确保海上勘查施工定位精度是本次测量人员探索的主要工作。

（1）海风和海流导致施工船晃动的影响。施工船在施工时由于晃动会导致平台定位困难，不利于钻探平台的搭建，风浪越大对海上定位和平台搭建影响越大，为了保证平台定位精度和平台搭建速度，施工时，要尽可能的选择风平浪静的天气出海施工。同时，施工时要迅速，确保在最短的时间内抛锚，拉紧锚绳，固定施工船，以减少施工船体和平台的摇摆晃动。

（2）平台搭建施工速度的影响。由于海上施工会受到海风和海底水流的影响，所以海上施工要快！施工时间越久，受到海风和海底水流的影响越大，甚至导致施工船发生大距离的漂移。在施工船行驶到孔位的附近后，为了防止海风和海底水流的导致施工船漂移，施工人员要迅速抛出4只固定锚，在最短时间内收紧锚链，固定住施工船。同样，通过收放锚链，精确定位确定钻探孔位后，要迅速使用空气锤把支撑钻探平台的9根钢管桩钉入海底5～10m深度，以保证钻探平台和钻探孔位不再发生变化。

（3）海上勘查钻探孔位定位及平台组装同步进行，施工过程由测量、钻探、机械施工、海船驾驶、吊车作业等多个工种协作完成，在施工过程中要求各工种互相配合，服从安排，同心协力，不做无用功，争取最短时间内完成定位及平台组装。所以，海上作业前要在陆地上多次演练无误后方可开展海上钻孔定位和钻探平台组装工作。

（4）在CORS系统中RTK流动站测量成果会受到卫星分布情况、电离层是否存在干扰、网络通讯链是否稳定、基准站数据是否可靠、设备自身接收卫星信号和网络通讯信号能力等诸多因素的影响，相比于传统光电测量方法和GPS静态测量，RTK的测量精度和可靠性存在不确定性。尤其在海上定位的CORS-RTK测量，受大面积水面环境影响，容易产生多路径效应，对测量成果有一定影响。

（5）CORS-RTK坐标转换参数的影响。接收机直接测量得到的是WGS84坐标成果，本次勘查项目要求的是1980西安坐标系成果，所以本次在进行勘查定位前，我们要求取CORS-RTK坐标转换参数，以保证测量得到的成果是符合要求的坐标系成果。由于本次勘查工程主要在海上开展，而首级控制点只能布设在陆上，如何求取正确的RTK坐标转换参数，保证海上定位精度也是本次测量工作的重点工作之一。

3　提高定位海上勘查钻探孔位定精度的关键技术

（1）RTK坐标转换参数的求取。由于本次测量工作的首级控制点全部布设在海岸上，这种控制点的布设方法是不符合“控制点应布测在工区的四周和中心[6-8]”的要求。为了消除首级控制点对网络RTK在求取坐标转换参数过程中的影响，我们将首级控制点的布测范围尽可能地靠近海上矿区，并且布测范围首级控制点范围和海上工区范围相当，甚至更大，以保证坐标转换参数能够均匀反映整个测区的椭球情况，减弱RTK坐标转换对测量精度的影响。在求取坐标转换参数时，选用的控制点必须不少于4个且分布均匀，点校正后的平面坐标转换的残差不大于2cm，高程转换的残差不大于3cm[4]。

（2）多路径效应的影响。海面上大面积的水面所产生的多路径效应会影响CORS-RTK测量精度，通常情况下可产生3～5cm的测量误差，当卫星高度角较低时，这种误差可能超过10cm。所以多路径效应是CORS-RTK技术在海上作业时的主要误差来源之一，也是难以消除的影响因素之一。通常情况下采用的解决方法是剔除卫星高度角较小的卫星或采用扼流圈天线进行观测。在海上测量过程中为了检查是否存在多路径效应的影响，我们也可以在第一次定位测量结束后，快速重新初始化RTK，重新测量该点，以检查2次测量成果是否存在粗差；在有条件情况下，也可以使用2套或多套RTK分别先后测量同一定位点互相检查测量成果，成果较差符合相关规范要求后，才可以继续进行CORS-RTK测量，以排除多路径效应的影响[8]。

（3）观测卫星的图形强度的影响。在进行RTK坐标测量时，所接收的卫星的多少，分布均匀情况，都会影响PDOP值的大小、RTK的测量精度和RTK初始化的时间。一般情况下，在接收卫星数保持不少于6颗，且卫星高度截止角不少于15°，PDOP值不大于6时才能进行RTK测量。

（4）测量人员的责任心要强。测量人员的责任心、专业水平和测量经验对RTK成果的精确性和可靠性有着重要的影响。测量作业时，接收机的对中、整平、天线高的量取；输入控制点成果、坐标转换参数及天线高等数据的任何差错，都将影响RTK测量的全部坐标成果。因此，要求测量人员测量时必须具有强烈的责任心，耐心、谨慎地按照规范操作。另外，对仪器观测基座和测量对中杆上的水准气泡等必须定期严格校核，以避免设备系统误差的影响。

（5）观测成果必须要复核。CORS-RTK测量在快速、便捷、实时、长距离作业等多方面具有显著的优点，但其初始化的置信度通常为95%～99%，也就是说RTK的测量精度和可靠性存在不确定性。如果测量作业中缺乏必要的检核条件，个别点成果可能会出现粗差。因此，为了保证CORS-RTK的测量精度和可靠性，测量时必须注重测量成果的复核。成果的复核分为测量前复核和测量中复核。测量前复核是指在RTK测量前，先在控制点上检测，检测坐标与控制点成果较差符合相关规范要求后，才能继续进行CORSRTK测量；测量中复核一般是指在测量时采用不同起算点测定部分重合点，或在同一点上采用2次观测法（失锁或重启）观测，在有条件情况下，可以使用2套或多套RTK分别先后测量同一共同点互相检查测量成果，成果较差符合相关规范要求后，才可以继续进行CORS-RTK测量。

（6）成果检查。为了检查定位精度，我们对所有的定位孔位进行了抽查。抽查时，我们在陆地首级控制点上架设2台全站仪，利用方向交会测量法测定已经通过CORS-RTK布设好的钻孔位置坐标和高程，并将方向交会测量法测定成果和CORS-RTK测定成果对比。抽查过程中，共随机抽取48个孔位中的8个孔位用来测量检查，最终比对结果见表1。

从2种测量方法得到结果来看，2种测量结果存在一些的差值，但差值不大，完全符合该项目勘查施工的精度要求。

表1　定位结果对比表

4　结束语

CORS-RTK定位技术已经非常成熟，CORSRTK定位技术在海上钻探孔位定位方面有很好的应用前景，通过本次海上勘探工程验证了CORS-RTK定位技术在近海海上实时定位精度高、数据质量可靠、海上作业距离长等优点。但同时也发现了CORSRTK定位技术在近海钻探孔位定位时的一些不足之处，如：CORS-RTK作业距离受网络信号的影响检核条件少、坐标转换参数对定位精度的影响、大面积海水面多路径效应对定位精度的影响、海风及海流导致施工船体晃动对定位精度的影响等。面对这些问题，我们采取了一些办法以求提高定位精度，但在将来的海上勘探工程中还需要进一步的研究。

[1] 姚连璧,刘春.打桩定位系统中设备船固坐标的测定和计算方法[J].工程勘察,2004（5）:53-54.

[2] 周瑞祥.GPS-RTK技术在东海大桥桩基施T中的应用[J].铁道勘察，2004（1）：59-62.

[3]姚志国,常明月.浅析海上定位钻探方法[J].中国房地产业, 2011（10）:298-299.

[4]张海平.SDCORS系统测试与技术性能分析[J].全球定位系统,2013（3）:61-64.

[5]GBT18341-2001地质矿产勘查测量规范[S].

[6]CJJT 73-2010卫星定位城市测量技术规范[S].

[7]CH/T2009—2010全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范[S].

[8]潘宝玉,李宏伟.RTK技术的特点及提高成果精度的技术关键[J].测绘工程,2003,12（4）:46-49.

P634

A

1004-5716（2016）11-0083-04

2016-01-10

孔玉柱（1980-），男（汉族），山东梁山人，高级工程师，现从事地理信息和地质测绘工作。