CORS系统与免棱镜全站仪相结合的应用研究

摘 要：利用CORS系统和免棱镜全站仪相结合的测量方法在矿山地质环境恢复治理中发挥了重要作用。现代CORS系统的普及和应用，使得传统的矿山地质测量工作有了革命性的进步，大大提高了野外测量工作的效率和精度。本文介绍和讨论了CORS系统原理和全站仪测量方法及它们的优势，详述了这两种测量技术相结合在生产实践中的经验和技巧。

关键词：CORS系统；全站仪；矿山地质测量；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.073

随着GNSS技术的快速发展进步和广泛应用普及，它在矿山地质测量中发挥着越来越重要的作用。目前的连续运行参考站系统（简称CORS），它是由多基站网络RTK技术建立，也成为GNSS在矿山地质工作中的应用研究热点。CORS系统是卫星定位技术、数字通讯技术、计算机技术等高新科技多方位、多要素、大深度结晶的产物。同时，全站仪测绘技术作为一种成熟的测量方法，在矿山地质测量领域也有着不可替代的作用。本文主要通过生产实践，把这两种重要的测量技术相结合，为促进矿山地质事业的发展发挥了重要作用。

1 CORS技术

1.1 CORS系统工作原理

CORS系统在一定区域内布设若干个长时间连续运行的GNSS固定参考站，GNSS参考站通过数据通信系统实时的将观测数据传输给系统控制中心，系统控制中心首先对各个参考站的数据进行质量分析和预处理，然后对特定时段内所有数据进行统一解算，实时估算出站网内的各种系统误差改正项（对流层、电离层、卫星轨道误差等）获得本区域的误差改正模型。然后向用户实时发送GNSS改正数据，用户可根据需要使用一台或多台GNSS接收机，便可实时或事后获得高精度的可靠的定位结果。

1.2 CORS系统构成

CORS系统由五部分组成：基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据广播系统、用户应用系统。每个基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接，形成一个专用网络。

1.3 CORS系统技术优势

CORS系统的发展和应用使外业测绘工作发生了一项革命性的进步，与以往传统RTK测量作业方式相比较，其主要优势体现在：（1） 使得某一地区有了一个可靠的测量基准框架，继而从很大程度上解决了部分行业部门之间坐标系统的不一致问题；（2）可提供不同精度要求的数据，满足各类用户的不同需求；（3）大大的扩展GNSS的有效服务范围；（4）采用连续运行基准站，用户可全天候野外作业，提高了工作效率；（5）使用成熟完善的数据监控处理系统，在消除或削弱各种系统误差的影响下，可实时获得高精度、高可靠性的数据成果；（6）不考虑架设基站，可单人完成作业，作业成本大幅降低；（7）应用可靠稳定的通讯方式，能有效减少噪声干扰；（8）向各类用户提供网络服务，大家可方便共享数据。

2 全站儀的特点及技术优势

测绘技术随着科学技术的快速发展和集成微机的广泛应用，测绘野外作业方法也得到了质的提高 。作为一种测绘器材，全站仪在二十余年实际应用中，为国民经济建设发挥了独特的不可替代的作用。当然全站仪也在不断的演化升级：野外作业时可在没有反射棱镜的情况下快速进行距离和三维坐标测量，这就是免棱镜全站仪，它是在普通全站仪的基础上新增的一项功能，观测距离一般超过500m，最远已可达到2000m。由于免棱镜全站仪具有无棱镜测距功能，并装配有红外激光瞄准器，可灵敏高效完成任何可视目标定位作业，有棱镜、无棱镜模式可随时切换，都可获得精确可靠的测距结果。

全站仪为矿山地质测量工作做出了许多贡献，它具有操作方便、操作简单、功能齐全、精度高的优点。可完成测角、高差、测距、高程、放样、数据处理等工作。

3 应用案例

3.1 工作区概况

郑-少-洛高速沿线矿山地质环境恢复治理项目区（洛阳段）位于洛阳市龙门东山东部，紧邻郑-少-洛高速和二广高速两条黄金旅游通道，距世界文化遗产—洛阳龙门石窟约2km。项目区的矿山开采活动主要是上世纪八十年代开始的石灰岩矿露天开采，多为无证开采，主要供给周围的石料厂、石灰窑、水泥厂等企业。经过20多年的无序开发和强力开采，致使该区的地形地貌景观遭到严重破坏，严重影响到龙门石窟景区和郑-少-洛高速及二广高速沿途景观，2000年左右绝大部分石灰岩矿被洛阳市政府和洛阳市国土资源局关停。经过改革开放二十多年的高速发展，过去的一些认识和弊端渐渐显露出来，那种边发展边治理或先发展后治理的模式已经越来越不适应新时代的发展形势，既要美好生活，又要碧水蓝天，这是广大人民群众迫切愿望，更国家对地方政府的具体要求。特别是今年新组建的自然资源部，更突显国家对生态环境的重视。通过对采石场的高陡边坡进行整治，清除危岩体、消除崩塌灾害隐患；清理、整治废渣，采坑回填，覆土绿化，恢复植被，美化环境，让久违的绿色重新布满山涧，让飞逝的鸟儿再来这里安家，使这一片区域与龙门石窟周围环境整体相协调，并为洛阳市民一个周末休闲放松的好去处。这其中无论前期勘查工作中的地形测绘、工程地质剖面测绘，以及治理工作中的放样验线，还是监理检查都需要各种测绘仪器提供精确可靠得数据的来支持各项工作的顺利开展。（见图1）

3.2 地形测绘

地形图测量采用1980西安坐标系，1985国家高程系，中央子午线为112°30′。E级GNSS控制点观测使用4台套南方S86型双频接收机观测，仪器标称精度为（5mm+2ppm）。碎部点测量采用CORS和全站仪相结合的方法，测绘满足《全球定位系统（GPS）测量规范》等相关规范标准。

3.3 工程地质剖面测绘

为了查明项目区采场立体形态，对项目区开展1∶500工程地质剖面测绘，剖面线布置主要依据采场的形态而定，纵向以贯穿多个标高段采场为主，横向基本垂直纵向剖面线。纵横剖面线间距根据勘查区环境地质复杂程度定位50×50m，局部区域加密控制，勘探线网度满足勘查、设计需要。执行《岩土工程勘察技术规范》及《工程测量规范》。（见图2）

3.4 工程放样验线测量

用一定的测量仪器和方法把设计图纸上的各项工程的平面位置和高程进行实地测设称为工程放样（也称施工放样）；而验线测量则是采用一定的测量仪器和方法采集施工中及已完工的各项工程的的平面位置和高程的数据，然后对比设计图纸上相应位置是否一致的工作，验线工作是保证各项工程位置正确，符合精度要求，按图施工，保质保量，如期完成任务的重要措施。

4 结果分析研究

4.1 CORS在矿山环境治理中测量的可行性

工作区面积约3.6Km2，植被较少，结合CORS的技术特点：

（1）作业效率高。一般的地形条件下，只要是移动网络信号（包括移动、电信、联通、）覆盖的区域，都可以使用CORS进行外业测量作业，进而极大的降低布设多个野外控制点和测量仪器频繁的“迁站”的苦恼，只要一人单机，数秒时间即得一组高精度的测量数据，大幅度的降低了劳动强度，加快了作業速度，达到了提高劳动效率，节省作业成本的目的。

（2）定位精度高，因为有效的避免了传统测量仪器的误差积累影响，所测数据安全可靠。在满足CORS的基本工作条件下，CORS系统测量平面精度和高程精度可达到厘米级，能够胜任多项常规外业测量任务。

（3）作业条件要求下降。在有稳定的网络信号环境下了，不需要考虑两点通视，用CORS作业即可精度可靠的测量数据，因此，相比传统测量技术，能见度、通视条件、气候、季节等因素对CORS系统的影响和限制较小，从传统测量技术手段来看，那些受地形、地物障碍影响而无法开展作业的通视困难地区，只要达到了CORS系统的基本作业条件，就可进行快速高效的野外作业。

4.2 CORS在矿山环境治理中测量的局限性

工作区西邻龙门石窟景区，偏西部有二广高速公路穿过，区内渣堆众多，坡坎遍布，陡壁林立，形成的采坑有多达158个。而为了保证CORS外业采集数据信号良好的要求，截止高度角必须大于15°，且多于4颗以上的有效卫星，还要求精度因子PDOP<6。CORS系统的局限性所造成的干扰如树木障碍、高层建筑和高频信号源及城市地区，山地、林地等作业时卫星信号被遮挡比较严重，使其在测量中失去了一定优势。

4.3 免棱镜全站仪在矿山环境治理中测量的可行性和局限性

（1）将免棱镜全站仪应用于开阔区域，达到直观测量、降低劳动强度、节省时间的目的，大大提高了作业效率。

（2）两个人即可组成一个作业组开展野外作业，一人操作仪器，另一人跑尺负责转站点的测设及碎部点的采集。

（3）在一些无法到达或到达困难的区域，比如沟渠、坑塘、陡峭的悬崖等，免棱镜全站仪都能方便地测得目标点的空间位置，从而避免跑尺人员安全问题，在节省时间的同时，提高了作业精度及工作效率。

全站仪作为一种精度高、应用广且高度自动化的野外测量器材，虽然不会像卫星接收机那样受传播信号等因素的影响，但能见度、通视条件、气候、季节等因素对全站仪作业有较大影响，而治理区内地形复杂，坡坎遍布，陡崖交错，这就需要全站仪在碎部测量中频繁设点“迁站”，因而加大了作业劳动强度，增大了工作量，容易导致误差积累，降低测量精度。

4.4 CORS系统联合全站仪在矿山环境治理区测量的优越性

在一般的地形条件下，只要是网络信号覆盖的区域，都可以使用CORS进行测量作业，进而极大的降低布设多个野外控制点和测量仪器频繁的“迁站”的要求，只要一人单机就可进行野外作业。因此尽可能使用CORS在一般开阔地形条件下进行数据采集；而由于全站仪具有测量精度高和稳定性好的特点，在高崖陡坎及城市区域开展作业优势更为明显，因此在野外作业时采用CORS在遮挡少信号好地方布设图根级控制点，并同时进行碎部点采集；有些区域CORS信号失锁较严重和采集精度不理想，则用全站仪进行碎部点的测量。这种两种仪器相结合的综合测量办法，使得CORS测量在某些地方精度较低，不能满足规范要求的弊端得以避免，又使采用常规的全站仪布设大量图根导线工作繁重测量效率低下的缺憾大大降低；这样在提高全站仪碎部点的采集精度的同时，又可大幅度减少支导线误差积累。在野外实际工作中，一个项目组5人（其中3人3个CORS作业组，2人为一台全站仪组）即可完成常规测量中4个作业小组8人（3台全站仪组）的实际工作，生产效率提高了，工作强度降低了，很自然经济效益显著。

5 实地检查与精度分析

5.1 控制点的检核

卫星信号质量的好坏和卫星的空间分布状况及移动网络信号强弱都会对CORS测量观测质量产生较大影响，因此，野外作业时必须进行必要的质量控制，来避免CORS测量时产生的偶然误差和系统误差。现在已知点检核法和重测比较法是进行CORS测量质量控制的主要两种方法。已知点检核法，是采用GNSS或全站仪在布测控制网时尽可能多测设高等级控制点，然后和采用CORS测出相同控制点的数据成果进行检核，发现精度较低或不满足要求的数据马上采取措施进行改正；重测比较法，是在开展野外作业前，先用CORS重测2个以上已知的高精度控制点或CORS图根控制点，和已知数据检核确认无误后再进行CORS测量。这两种方法中，已知点检法是比较可靠的，但在野外布设高等级控制点单位成本较高，数量也很有限，所以可以采用CORS和全站仪相结合的方法在缺少控制点的地方进行坐标数据进行检核。对治理区25个图根级控制点进行了检核比较，根据公式计算各个点的点位误差，再根据公式，计算所有控制点点的点位中误差为1.61cm，高程的中误差为1.69 cm。根据计算的各个点位误差和高程的中误差检核结果来分析发现，CORS测量成果的高程中误差平面中误差均未超过5cm，可以看出，《工程测量规范》中最弱点的点位中误差不大于±5cm的相关要求，CORS技术可以满足的。这25个图根级控制点有5个点的误差较大，是由于这5个点的卫星和基站的信号传输时受到附近坡坎遮挡的影响所致，在对这5个点的重测检核后，发现重测的坐标数据跟上次测得坐标数据相比，差值很小，都分布在±3cm之内，所以在野外的测量中，应求取两次坐标数据的平均值来作为最终成果开展作业。

5.2 碎部点检核

卫星状态、观测时段、高程异常、测区地物地形等问题是影响CORS测量精度的主要因素，而定向、天气、三轴误差等情况也对全站仪测量结果的影响较大，采取相应措施对两者采集的数据进行相互检核，以使数据精度最终完全达到相应规范要求后才能外业测量工作。在对部分碎部点数据检核后发现全站仪坐标数据和CORS坐标数据在交汇处吻合度很高，并与甲方提供的测区原先局部地形图吻合度也较好。通过对CORS和全站仪测图的交接处部分同一特征点进行检核比较，并把采集数据精度进行分析，具体做法和控制点分析相同。

6 结束语

在矿山环境治理中无论单独使用CORS或者全站仪都有一定的局限性，实际应用可以看出，把这两者相结合的作业方法能大大提高劳动效率及成果的可靠性，也极大扩展了GNSS技术的服务范围。在1︰500该区域地形图测量及各项工程测量中，正常情况下流动站5～10秒左右就可采集1个碎部点，即使是做一级GNSS图根控制点，也仅需几分钟时间，且作业距离几乎不受限制，更无需考虑迁站。用传统的方法测量该测区外业工作需3个月左右工作日，用这种组合模式测量仅需2个月的工作日就完成了，快速高效显而易见。2020年我国的北斗卫星导航系统将组网完成实现全球覆盖，伴随着新一代导航定位技术、抗干扰技术、高保密技术（如量子通讯技术）等跨越式的高速发展，为GNSS的的发展空间和应用领域提供了无限可能！

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作者简介：狄广礼（1978-），男，河南封丘人，本科，工程师，主要从事地质测绘、地籍测量等工作。