GPS-RTK在宁化城南矿区稀土矿中的应用

2019-10-11沈志健

世界有色金属 2019年16期

沈志健

（福建省闽西地质大队，福建三明 365001）

GPS是由美国国防部于1973年开始历经20年研制成功并投入使用的卫星导航定位系统，坐标系采用WGS-84世界大地坐标系，该坐标系原点是地球的质心，基本参数为：长半轴a=6378137m，地球扁率α=0.00335281066474[1]。目前，GPS作为新一代的卫星导航定位系统已在军事、交通运输、测绘、高精度时间比对及资源调查等领域中得到了广泛的应用[2]。RTK，即全球定位系统实时动态测量，是采用电台、GPRS、CDMA等无线通信方式由基准站向流动站用户发播差分改正数，流动站采集卫星观测数据并通过数据链接收来自基准站的数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，通过坐标转换方法将观测得到的地心坐标转换为指定坐标系的平面坐标，其平面测量具有高精度及测点间相互独立等特点。

宁化城南矿区稀土矿经过近二年的地质勘查工作，取得了可喜的找矿成果。期间，矿区测绘人员开展了大量的地表测绘，笔者试图通过介绍该矿区的测绘工作，特别是GPSRTK在该矿区的应用背景，旨在引起地质测绘工作者的注意并探讨应用时可能出现的技术问题，为地质工作的开展提供更可靠的技术保障。

1 概况

城南矿区位于宁化县城东侧，行政区划隶属于宁化县翠江镇、城郊乡、城南乡管辖，东至大源，西至周家排，南至李下窠，北至李北坑，面积约24.21km2。矿区地处宁化盆地边缘，属低山丘陵地貌；山体低矮，连绵不断，山包浑圆，山坡平缓。区内公路四通八达，三明—宁化—建宁公路从详查区北部、南部通过，三明—江西省石城县公路从西部通过，北部正在兴建泉（州）南（宁）高速公路G72永宁段，交通十分便利。

完成的矿区测绘工作量为E级GPS控制测量11座、1537个取样钻孔定位测量。矿区平面坐标采用1980西安坐标系，高程控制采用1985国家高程基准。作业依据《地质矿产勘查测量规范》（GB/18341-2001），以下简称《规范》、《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T2009-2010），以下简称《RTK规范》。国家一等三角点“黄家山”及三等三角点“老虎窠屋背山”，该成果属1980西安坐标系，1985国家高程基准，中央子午线为117°，3°分带高斯正形投影平面直角坐标。上述点位保存完好，作为矿区测量的平面和高程起算依据。

2 E级GPS控制测量

2.1 外业布网

E级GPS控制测量采用GPS静态定位方法，按边连接方式进行联测。点编号为GPS1,GPS2…，共布设11个E级GPS点。矿区E级控制点分布如图1。

外业采用经检定合格并在检定有效期内的3台HD-V8中海达双频接收机（静态平面精度2.5mm+1ppmD，高程精度5mm+2ppmD，D为基线长度）同步观测同组卫星。同组有效观测卫星数均6颗以上，几何强度因子PDOP小于6，卫星地平高度角大于15°，每个观测时段长度为60分钟。每时段观测前后各量取天线高一次，读取至1mm，两次量高之差不大于3mm，取平均值作为最后天线高。量取天线高为斜高，由软件自动改平。

图1 宁化城南矿区E级GPS控制点分布图

2.2 内业处理

内业基线处理及网平差计算均采用随机处理软件HDS2003进行，由软件自动读取外业观测数据并自动组网。控制网总基线数36条，参与平差基线36条，基线剔除率0，小于20%。按观测时段组合有同步环12个，异步环19个，重复基线7条。

经软件基线向量解算，所有基线均为双差固定解并参与控制网平差；控制网重复基线较差最大1.9mm，限差14.0mm；同步环最弱相对误差1.24ppm,限差10.0ppm；环闭合差最大5.7mm，限差38.0mm；异步环最弱相对误差3.43ppm,限差35.0ppm；环闭合差最大24.7mm，限差50.0mm，闭合环各项检核限差及全长相对闭合差均符合《规范》要求。

在控制网基线处理合格基础上进行E级网的无约束平差，无约束平差由软件自动进行，控制网的方差分量因子估值σ2一次性通过检验；以两个国家等级三角点“黄家山”及“老虎窠屋背山”为固定点进行控制网的二维约束平差并进行高程高程拟合。

控制网三维无约束平差精度：最弱点点位中误差7.5mm(GPS5)；最大距离相对中误差1:106484；控制网二维约束平差的精度：最弱点点位中误差4.1mm(GPS5)；最大距离相对中误差1:225850；高程拟合：最大高程拟合改正数为3.28cm。

按《规范》规定，最大距离相对中误差应小于1/20000，ms即最弱点相对于起算点的点位中误差应小于10.0cm，从上述中可知控制网精度符合《规范》限差要求。

3 工程点定位测量

矿区共布设了1537个钻孔，孔深一般在30m内，孔径10cm，钻孔完工后需定测其孔口平面坐标及高程，为后续的地质图件编制及储量计算提供基础数据。由于该矿区钻孔数量较多，工期时间紧，若采用常规测量方法或GPS静态定位方法测量，显然要花费大量时间，效率低下。为此，结合矿区的地形植被，决定钻孔的定测采用RTK进行。根据《规范》要求，钻孔定测的平面位置中误差及高程中误差分别为图上0.15mm及1/8等高距，矿区的实际用图（地形图）比例尺为1:5000，无疑该精度限差对一个孔径只有10cm的钻孔是不适宜的。经过大量试验统计，RTK测量的平面点位中误差优于±3cm[3]。

因此，把矿区的钻孔定测精度要求提高到1:2000比例尺地形图的要求是适宜的，即平面位置中误差及高程中误差分别为30cm、25cm。

选用单基准站架设天线，并用电台无线通信方式由基准站向流动站发播差分改正数。电台采用UHF频段，UHF具有可靠、稳定和抗干扰能力强的优点，但它的直达波很难穿透高山、楼房[4]。

3.1 外业观测

（1）由于矿区已经布设E级GPS网，根据E级网平差后的各GPS点的地心坐标及对应的参心坐标即80坐标即可求出矿区的坐标系统转换参数。选择分布均匀并能控制矿区全域的6个E级点参与坐标转换4参数（即X、Y平移、旋转、比例缩放）及高程曲面拟合计算，转换参数由RTK数据采集存储手簿的内置软件计算，平面坐标转换残差小于2cm，高程转换残差小于5cm，符合《RTK规范》要求。为了验证转换参数的正确性，流动站选择在未参与参数计算7个E级点进行观测，测得平面坐标及高程与原数据进行比较，平面坐标较差均小于3cm，高程较差均小于5cm，符合《RTK规范》要求，证明矿区坐标转换参数是正确的。

（2）依然采用中海达HD-V8双频接收机（动态平面精度10mm+1ppmD，高程精度20mm+1ppmD）进行RTK测量，其中一台做基准站，另外2台做流动站。每次作业前都均检查一个以上的已知控制点，检查结果平面坐标较差≤3cm，高程较差≤4cm。在基准站上的仪器架设严格对中、整平，精确量取GPS接收机天线高，量取两次，互差小于3mm后，记录均值，待基准站开始正常发射信息号，流动站在各钻孔上接收卫星数据及来自基准站的差分数据。流动站在开阔地采用带圆气泡的2米对中杆作业，接收机天线姿态保持垂直（对中杆放稳、放直，圆气泡居中）；遮挡物较多时采用带圆气泡的5米对中杆作业。流动站定测钻孔的地表中心位置。数据采集手簿设置平面收敛精度为2cm，高程收敛精度为3cm。RTK测量时观测次数为2次，每次观测历元数为10个；在固定解下2次观测值较差平面及高程均分别小于2cm、5cm，取2次观测结果中数作为最后结果。

3.2 数据整理

每天外业观测结束及时把RTK存储手簿中的原始观测数据导入电脑，数据格式为xls，数据记录项目有流动站（钻孔）的点号、天线高、观测时间、解的类型、PDOP值、数据采集时的卫星数、平面及高程收敛精度、地心坐标、平面坐标和高程成果。该数据作为原始观测记录存档保存，不得进行人工剔除、修改，以待检查及验收。由于RTK作业时高度自动化，遇到的技术问题在外业阶段就已解决，内业基本上不需要人工数据处理。矿区测量外业全部结束后把所有观测数据汇总，编排后提交给地质项目。

经过对外业观测数据统计分析，钻孔定测平面点位中误差均小于10cm，高程中误差均小于15cm，符合《规范》要求。

4 存在问题及解决

利用GPS静态定位方法进行矿区首级控制网布设时，只要严格按照规范进行，点位选择合理，观测时段长度足够，内业基线处理及控制网平差均较容易通过。

该矿区RTK测量时，流动站初始化后，一般很快就能得到固定解，但是仍然遇到多个流动站长时间无法得到固定解，即便得到固定解2次观测值较差多在数十厘米，坐标及高程成果相互间跳动大、不稳定，观测结果显然是不可靠的，也是不符合规范要求的。通过实地观察和分析，基本可以找出原因：在开阔地带测量无法得到固定解的，往往是周围有强干扰，导致流动站频繁失锁甚至掉线；再有就是点位附近植被茂密遮挡，影响了信号传播与接收。遇到此类问题，解决办法是重新启动3次接收机，观察是否固定解，若固定且测量较差合乎要求则成果可靠；反之，则表明此处不适合RTK测量，可在其他位置用RTK测量布设一对图根控制点，再用全站仪极坐标法测量孔位。当全站仪一站无法测量孔位时，可布设不超过3条边的支导线，导线测量时水平角及距离应观测2测回，支导线的起算点间距离宜不小于1 0 0 m。

此外，考虑到R T K测量时每个测点是独立的，点之间没有直接关系，无法发现因意外产生的粗差，因此，各项仪器设置正确、准确量取接收机天线高、跟踪杆在测点上立准立稳、测量过程中时时检核已知点坐标及高程尤为重要。需要特别指出的是，采用单基准站进行R T K测量时，其测量精度是受基准站与流动站（待测点）间距离制约的，距离越长，可靠性会越差，特别是高程精度。因此，需严格按规范要求的距离作业。当然，测绘人员的实践经验及工作责任心也是获得可靠数据的必要条件。