RTK技术在矿山开采区地形测量中的应用研究

蒋 晶，杨 波

（湖北省地质局水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434000）

RTK技术以载波相位差分作为支持，在测量站区间内，利用载波相位的观测量构建相位变换的数值关系，并构建求差解算坐标转换过程，实现厘米等级精度的控制。随着高精GPS技术的不断发展，现代化测量技术发展为多个专业方向，矿山开采区地形测量工作成为了重要研究方向。矿山开采地区存在多种复杂的生态环境，对实际地形测量产生了阻碍[1]。在多种现代化测量技术的支持下，矿山开采区地形测量工作形成了多种形式。研究RTK技术在矿山开采区地形测量工作中的应用过程也成为了当下的研究重点。

RTK技术最初由国外研究人员提出，在多方位卫星接收结构支持下，结合卫星调制码的特性，将信号转换为可供直接分析的测量值。我国研究RTK技术起步较晚，研究人员利用接收到的卫星信号优化了测量分析过程中求解模糊度所需的时间，并设计了数值转换关系，拓宽了原有位置数值参数的可用性。经过阶段性的应用研究可知，应用了其他技术的地形测量过程产生的斜坡误差较大，针对该种应用问题，研究RTK技术在矿山开采区地形测量中的应用。

1 RTK测量技术概述

RTK测量技术作为一种实时动态测量定位技术手段，是基于载波相位观测值具有的实时差分GPS定位技术。GPS测量模式主要包括四种，分别为静态测量模式以及快速静态测量模式，准动态模式与实时动态测量模式[1]。然而运用这些模式进行测量过程当中，倘若不能有效结合传输数据系统，在定位结果方面，都应当对数据观测之后进行处理才能有效获得，因为GPS观测数据需要在完成测量之后进行处理，因此以上这些测量模式不但难以实时的将观测站定位结果及时提供出来。而且也不能对基准站以及用户站获得的观测数据进行动态实时的检核，所以数据处理之后有不合格的测量成果出现，需要进行返工重测。RTK此项技术具有的思路为，将一台GPS接收机设置于基准站上，对可观测的GPS卫星进行连续观测，利用无线电完成获取的相关数据的传输，并及时、快速地发送给用户观测站。用户观测站通过GPS接收机接收GPS信号时，可借助无线接收设备接收参考站发送的观测数据，然后结合相对定位原理，实时计算用户站的三维坐标。

2 矿山地形测量过程当中RTK技术应用

2.1 测量前的资料和仪器准备

具体实施测量工作之前，对于矿区之前1：10000土地利用情况分布图已经全面收集，并在实施野外测量之前，开展对应的参考工作。而且矿区测量工作实施之前周围已经存在GPS c级控制点，其精度方面已经符合当前测量工作需要，所以在测量工作实施过程当中，选择三个以上C级点当做起算点，构建首级控制，然后对整个控制网点合理的进行布设，测量过程当中应用的测量仪器主要包括GPS接收机，用于收集前期碎步数据和布设首级控制点。南方GPS三套，主要收集碎布数据应用，结合控制点的布设，来对次级控制点进行设置，测量工作实施之前，有效检验以及校正相关设备，精度必须要达到有关要求标准，使此次测量精度要求得到最大程度的满足。

2.2 野外测量

①控制测量。首级控制网的布设，是运用GPS静态定位形式于整个矿区开展相应的布设工作，如此一来便能够针对整个控制网实施加密以及数字化操作。目前，由于存在较大的测量区域，为确保后期工程施工还有精度处理方面的需要，将六个GPS点布设在整个测量区域，当做首级控制点，之后运用RTK技术来测绘图根点，并运用全站仪部分导线开展测量，这样能够有效检查和测量碎部点，控制点设置过程当中，不仅要使撤图使用需要得到最大程度的满足，还应当保证更加便利的进行操作。同时应用过程当中，还应当确保RTK测量过程当中有着特殊要求的测量条件，基准站设计过程中，需要将一些大面积的水域和建筑物以及强磁波发射源给避开。②碎部的测量。由于测量区域当中存在很多树林以及农田玉米，而且村庄当中有很多温室，大棚以及养殖场，这些对测量区域的通视性造成很大影响，导致通视条件不佳，同时因项目时间相对较紧，存在繁重的工作内容，倘若运用常规的全站仪方式开展测量工作，很难有效保证测量工作效率及其质量，还会延误工期。运用RTK技术手段开展相应的测量工作，并利用此项技术手段进行碎步数据采集，虽然能够大幅提高测量的效率，减少时间投入，然而因为环境条件方面的要求，在测量过程当中会引发一些盲区存在。而且在相同区域利用此项技术手段，同时运用全站仪进行联合测量，便能够结合测量区域具体情况，采集分析碎步点的信号数据，保证测量效率及其质量，降低劳动力投入。如测量道路、河流以及高程点过程当中通过RTK技术便可以高效的完成测量任务，其技术优势十分明显。而测量过程当中，运用全站仪开展测量，可以将首级控制点以及RTK技术加密图根点，来对那些影响此项技术测量较大的区域开展测量工作，如一些茂密的森林，面积较大的水域、地类界线，信号盲区等相关区域测量均可以通过这一手段来完成。而且每天进行夜外测量作业之后，应当全面备份，全站仪和RTK技术获得的数据资料，并进行数据格式转换，为以后应用奠定理想的基础。③精度分析。为了更好的检测RTK技术应用过程当中测量精度高低，可以联合静态GPS测量结果，开展相应的对比分析和研究，同时把首级GPS控制网平面点位和GPSC级点联合测量的作为真值进行对比分析。在对数据精度的进行分析之后，应该保证所测图根控制点能够用来参考作为全站仪的碎部测量资料，且其精度要完全满足测量绘图精度的需要，且测量误差分布要均匀、不存在累积误差。

RTK技术是GPS定位技术的一个新的里程碑，它不仅具有GPS技术的所有优点，而且可以实时获得观测结果及精度，大大提高了作业效率并开拓了GPS新的应用领域。由于载波相位测量、差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合，使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合，并使得RTK定位技术大大扩展了其应用范围。相信，随着科技的不断发展RTK技术在矿山测量中的应用将会越来越广泛。RTK在矿山测量中有着极大的应用前景，极大地提高了测量工作效率和成果的可靠性。随着其技术的不断成熟和完善，必将推动矿山测量事业更快向前发展。

3 RTK技术在矿山开采区地形测量中的应用研究

3.1 利用RTK技术确定地形测量指标

根据RTK的技术要求，整理接收机中的测量数据，并采用仿真解算的方法模拟地形空间产生的基线数值，将该基线数值构建模糊度矩阵，参照输出的模糊度数值解，建立地形测量空间，产生的指标形成过程如图1所示。

图1 构建的指标处理过程

根据上图构建的指标处理过程，按照RTK技术的处理过程，将测量指标划分为生成阶段以及处理阶段，在生成阶段内，模拟伪距噪声参数并将其输出为观测值，按照载波相位数值处理整周模糊度[2]，输出为基准站可直接处理的数据格式，按照RTK技术将内部生成数据处理为观测形式。根据随机误差的概念，在数值化的观测系数关系上，增加周跳差异特性差异参数，整理上述确定得到的测量指标，利用单频周跳探测原理，实现RTK技术在测量过程中的应用。

3.2 完成测量应用

整理上述确定得到的地形测量指标，采用载波相位变化确定周跳过程产生的周期，并根据RTK技术输出的频点，利用卫星导航探测得到地形测量中存在的约束条件。按照RTK技术输出的伪距测量精度以及载波相位的数值，确定地形参数产生的测距均值。为了适应矿山开采区地形的差异性，将技术输出的指标划分为两类属性指标。每个属性范围内设置两种应用倾向[3]，一类属性指标内整理载波相位上存在的周跳系数，并根据实际的周跳频率参数，评估RTK技术输出的指标精度。当该指标精度较小时，调用二类属性指标，并将构建伪距测量参数与载波相位之间的数值关系，当表示周跳特性参数趋向于平稳时，则表示RTK技术成功完成地形各项参数的测量。综合上述研究设计，最终完成对RTK技术在矿山开采区地形测量中的应用。

4 应用测试

4.1 设置RTK技术参数

根据矿山的测量规模，选定某区域中的信号基准站，连接配置智能手簿的移动台，控制信号传输至电台组成，连接其固件并配置参数与H32 GNSS-RTK系统相似，将该基准台作为技术运行的支持平台，在该平台支持下，配置RTK技术参数，配置的技术参数如下表所示。

表1 配置的RTK技术参数

按照上表所示的各项技术参数，调节配置运行平台中的通用接收器，当接收器的液晶显示屏产生下划线快闪后，点击FN选择数字，并按照矿山开采外业操作需求，控制参与定位的卫星数量为5，控制模糊度输出值为原始状态，并调试RTK的工作频率为单频，结合与测站产生的路径效应，在电离层内配置两组高性能的接收天线，用于接收测量信号。

4.2 设定矿山开采区测量点

成功调试RTK技术参数后，选定高地势且远离高压线路安置三脚架上，准备的外置电台放置在基准站5m之外，消除外部信号对接收信号的干扰。根据外置电台的测站位置，按照坐标系的转换标准，标定矿山开采区地形的测量点，标定的测量点位置如下图所示。

图2 标定的测量点位置分布

按照上图标定的测量点位置分布，采用GPS处理技术转换测量点的二维坐标，当选定的基准点在标定的位置分布范围内，按照上图测区内的高程数值，采用“一步法”校正测点的转换参数。在已有的测量点范围内，将选定的基准点上架设用于测量的仪器，调试测量位置对中整平，并使用激光测距整理测点的高程参数，并绘制为地物编码。在上述搭建的测试环境内，准备基于三维激光扫描技术的地形测量方法、基于高分辨率遥感的地形测量方法与应用RTK技术的地形测量过程参与测试，对比三种测量过程的性能。

4.3 边坡测量偏差结果

基于上述测量准备，选定标定的测量点位置作为基准，调用上述准备的测量方法计算标定测量点的边坡数值，以实际校正转换后参数产生的临界值最值作为理想的地形测量数值，并将该数值作为标准的边坡偏差参数，整理三种地形测量方法输出的矿山开采区域边坡数值，取该数值与理想参数间的数值差作为最终的测量偏差结果，边坡测量偏差结果如下表所示。

表2 边坡测量偏差结果

根据输出的标准边坡数值，整理三种测量过程得到的边坡数值，对应整理得到上表所示的边坡测量偏差结果，由上表所示的边坡测量误差可知，基于三维激光扫描技术的地形测量方法得到的测量误差为0.05m，实际测量得到的边坡误差数值较大。基于高分辨率遥感的地形测量方法得到的测量误差在0.03m左右，该种测量方法得到的测量误差较小。而设计的地形测量方法得到的误差数值为0.01m，与两种参与测试的测量方法相比，该种测量方法产生的测量误差最小。

5 结语

随着RTK技术不断地应用推广，矿山开采区地形测量工作的精度等级发展迅速。按照技术要求，搭建模拟开采区地形测量环境，随机选定两种现存的地形测量方法参与对比，根据输出得到的数值结果可知，应用了RTK技术的地形测量过程能够有效改善边坡偏差较小的问题。在未来地形测量工作中，希望所研究的应用过程能够为其提供理论支持。