GPS测绘技术及其在地质测绘中的应用

陈 冲

（山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109）

地质测绘是地质勘察工作中的核心，其专业性强，操作复杂。以往需要大量的时间和人力配合工作，而新时代新技术的发展突破了这一局限。将GPS全球卫星定位技术引入地质测绘工作无疑是对原有地质测绘系统的一项技术革新。从现实角度看，GPS技术的应用使地质测绘变得更加精确、高效。本文重点针对GPS技术在地质工程勘察测绘中的应用展开论述[1]。

1 GPS技术分析

GPS测绘技术的基本原理：GPS即全球卫星定位系统，具有抗干扰性强、定位准确性高、可实时追踪目标位置信息等特点。GPS 测绘技术的原理是利用其精确的定位，测量某一确定位置与卫星信号接收器之间的空间距离。需要设置多个不同的空间点位，再将多个的定位点的测量数据反馈至计算机进行集中自动化数据处理，获取测绘目标的准确位置信息。

具体而言，GPS技术系统的组成主要包括卫星信号和软件解算两个部分。卫星信号系统的作用是接收空间位置信息，其工作方式是首先设定一个固定的基准站，并在勘察目标周围设置多点流动站。在基准站和流动站点分别配置多台GPS接收器，如此可快速、高效的接收主控站传来的数据。 软件解算系统则是完成后续的数据处理工作，通过对接收到的卫星信息相位与接收机产生的载波信号相位的比对得出具体的空间坐标。借助GPS系统本身抗干扰性强、定位准确的特性优势，进行软件解算可以得到精确的测量数据且使数据误差最小化甚至使测量结果误差趋于零。

如今，利用GPS的静态定位技术已在地质勘察测绘中得到广泛的应用。这种短基线测量技术少受时间、人力的制约，随时随地可不间断的观测作业，获取精准的三维空间坐标。高效地完成测量测绘工作。

2 GPS控制网系统的构建

2.1 GPS控制网系统的布网控制原则

利用GPS技术进行地质测绘工作，首先需要在地质勘察测绘工作区域构建控制网络并设置测绘勘察活动区域。勘察地质测绘带的结构，可以将网络分层布局，从不同的勘测点分别构成多个网络系统，最后整合处理测量数据。

2.2 GPS控制网系统的测量精度要求

在构建GPS控制网系统与实际开展利用GPS技术测绘的过程中，可能会遇到各种不同的地形及其他影响因素。应当要针对不同的地质条件及地质测绘的实际需要，做好前期相关技术结构的参数分析工作，以确保实际运用GPS控制网系统的测量时能够发挥出GPS全球定位系统绝对优势，时刻保持其工作状态的稳定性、精确性。

3 GPS技术对于地质测绘的重要意义

3.1 传统测绘方法的局限性

传统测量方式多利用平板仪、手动标尺进行三角测量、几何测量。基本采用扩大地形图比例尺的方法，对测量目标地点进行测量后再通过一定比例计算获取大致位置坐标。而地质测绘的工作地点大多在户外，不定因素众多，以上方法测量范围有限，工作量大且操作程序繁琐。对于简单地形的勘察尚有效果，若遇到复杂地形，传统测量方式便显得落后许多。

除了以上的基础测量，后期改进技术使用经纬仪，再通过角度计算获得坐标。但这些传统测量的方法始终是将测量数据转化处理，一旦测绘量增大，数据处理难度随之增大，工作周期也随之延长，给后续的绘图工作带来了极大影响。

3.2 地质测绘现状

地质测绘随新时期生产力的发展，规模不断扩大，技术不断创新。地质勘察对地质测绘精确度的要求越来越高，然而实际地质测绘工作中，测量结果往往受多种因素影响，传统的测绘方式已经无法满足技术需求。为解决此类问题，地质测绘工作近年来及进了多种智能自动化技术，如GPS技术、无人机技术、3S技术等，都在一定程度上给地质测绘提供了新技术支持。

3.3 GPS技术在地质测绘中的应用重要意义

3.3.1 地质测量工序得到优化

地质勘察工作环境大多为野外，受环境因素影响，不易采用过多的机械设备。GPS设备体积较小方便携带，小范围区域测量时，仅需利用单一固定点便可完成。大范围区域测量也只需手持GPS测量仪，分别定位各个流动站点采集数据。即使遇到山地类的复杂地形，也能充分发挥GPS技术价值，为勘测人员准确绘制地质结构图提供技术支持。

GPS测绘技术已逐步成为我国地质勘察工作中的关键，在实际操作中，优化了地质测量的工序，缩减了人工劳动量并进一步精确了测量数据[2-4]。

3.3.2 测量结果精确度提升

GPS测绘技术是结合地形勘测数据利用计算机处理，全过程采用自动化的仪器计算数据，无需人工计算转换。避免了人工计算中可能会出现的失误，同时也能够更加精确得到相关数据。GPS测绘广泛运用的背景下，在技术层面不断完善，即使对较远的地形目标进行测量，依然具有较高的精确度。如今测量误差已缩减至厘米单位。若现实工作条件理想，或将达到零误差。

3.3.3 有效的预测地质自然灾害

随着我国工业化现代化的不断发展，对自然环境的影响也逐渐加深，突如其来自然灾害如地震、泥石流等也不断增多，人类的生命安全变成未知数而地质测绘工作在其中便起到了防患于未然的作用。应用GPS对城市和矿区地表移动进行动态三维监测，对地表移动进行精细过程研究，根据观测数据反演地层移动参数和应力状态，并及时将信息反馈至数据处理系统绘制建立地层变形模型，解决地质灾害的预测预报问题。

4 GPS测绘技术在地质测绘中的实践应用

4.1 野外地质测绘

4.1.1 测绘选点

野外测绘是地质测绘的主要工作内容和工作场所，利用GPS技术可以快速、准确的找到观测点。而结合地质测绘工作的实际情况所选择的测绘点应遵循以下原则。第一，熟悉勘测区域的周边环境，观测是否有高压线、核电站等影响因素可能会对GPS信号产生干扰。第二，勘测区域内有湖泊、河流等水域，需要尽量与水面保持一定水平距离，注意水面对观测结果的影响。第三，选择站点时应避免在观测地质目标路径有其他实物遮挡，并保持高度角大于15°，减小障碍物对于观测目标的影响。

4.1.2 测绘操作

受人为因素影响，即使GPS信息接收器保持固定位置不变，各个独立接收机也无法保证能在绝对统一的时间内开启。因此实际在野外勘测工作中，还应用GPS仪器对勘测区域内的实时经纬度及天气变化实时记录，以便后期数据处理时统筹考虑。

同时，GPS技术能够有效利用静态和动态观测，对周边环境实时监控，防止突发情况，使野外测绘工作更加安全、稳定的进行。

4.2 测绘数据处理

4.2.1 GPS技术数据预处理

在开展GPS地质勘测完成后，应当优先完善测量所取得的原始技术数据，进行简单的逻辑编辑计算。需要以此为依据，计算平均差，通过独立的基线组成一个闭合图形。根据三维基线以及相应的方差协作作为观测信息，不考虑外界影响因素情况下，建立二维坐标，选取测区子午线为坐标系的中心。采集、传输数据后去除无效信息，为精密数据处理环节奠定基础，确保观测数据的有效性。

4.2.2 数据处理

对GPS技术精密数据的过程分为基线向量计算和基线向量网平差计算。一般来说，以上计算过程均以预处理数据结果为基础，遵循数据处理工作的操作规范，科学准确的得出最终测绘结果。

4.3 GPS水下地质测绘

地质形态多变，勘测工作也包括水域下的地质测绘。以往常用经纬仪加计算机辅助经常测量，对设备要求高，操作复杂。但GPS技术支持在水中接收信号，通过基站设置自动校正。测量时只需将正确的坐标参数输入计算机，通过接收周期性的信号，转换坐标，同样可控制误差，保证精确度。

4.4 实时动态测绘

多台GPS接收器同时运转，基准站点和流动站点结合自身观测数据，能够及时将实时监测到的信息传输进数据库，自动计算出两点之间的相对位置，获得各个流动站点的准确空间坐标并进行现场的实时同步测绘。

4.5 GPS技术的具体应用

以下对某一生态环境的综合改善工程为例进行分析，工程全长为140km。工程前期需要做一系列的原始数据分析。由于其工程规模巨大，对测绘质量要求高，布置三角网的传统测绘方式在短期内难以达到这样的水平。且三角网的导线布置受地形影响较大，测量范围小，实际测绘工作中无法有效的实施。出于地质测绘工作高效准确的需求，选用GPS技术静态测量方法为最佳。

如图一所示为GPS平面控制网图布局图。通过GPS接收机定点测量，将GPS接收机的信号源看做不受时间变化影响的定量，接收来自卫星的数据变量，对测量区域布置平面控制网，对比多组数据获取特定位置。GPS信号接收机直接在各自的定点独立接收卫星信号，测站点直接不用相互通视。只需选取关键点设置觇标，提高了工作效率。

图1 GPS平面控制网图

5 结束语

综上所述，科技在不同领域的发展使得地质测绘在技术层面有了质的飞跃。GPS技术的应用对地质勘察测绘有着举足轻重的意义。GPS技术的引入，不仅大幅度的解放了劳动力，省去了大量繁琐的测量工作，提高了测绘结果的精确度和测绘工作的高效性。而且能够实时监测地质运动，在地质灾害来临之际为人们敲响警钟。以上都是符合地质测绘发展需要的，未来还应继续发挥GPS的数字自动化优势，优化GPS控制网设计，实现地质测绘的现代化长远发展。