GPS-RTK技术在地质勘查工作中的应用

GPS-RTK技术在地质勘查工作中的应用

许雪峰

许雪峰

龙门县国土勘绘队广东龙门516800

摘要：GPS—RTK技术是现代地质勘探中一种常用的技术，该技术能够大幅度提高地质勘探工作的效率和质量，因此，对GPS-RTK测绘技术在地质勘查测绘中的应用进行研究意义重大。文章首先阐述了GPS-RTK技术的工作原理和工作流程，然后介绍了GPS-RTK技术的优缺点并根据其缺点提出了作业中的控制措施，最后对GPS-RTK技术在地质勘查工作中的应用进行了分析，希望对地质勘查工作具有一定的参考意义。

关键词：GPS-RTK；地质勘查；优缺点；控制措施；应用

0引言

我国国土幅员辽阔，国家土地资源极为丰富，在国家的发展建设过程中，国土资源的地质勘查工作的有效进行，有利于我们对当前国家现有地质状况的了解。同时，科学技术快速发展以及地质勘查市场快速崛起，这就对地质勘查工作提出了更高的要求。为了有效提高现代地质勘探工作的效率和质量，地质勘探工作中通常也应用到了大量先进的技术。然而，在目前的地质勘察测绘中，GPS-RTK测量这项技术把RTK的动态测量技术和GPS的数据传输技术有机地结合起来，具有实时、高效、不受通视条件限制等优点，因此通常会被应用到地质勘查工作中中。为了让GPS-RTK测量技术在我国地质勘察测绘工作中发挥更大的作用，文章就从GPS-RTK技术基本原理出发，对GPS--RTK测绘技术进行了深入研究。

1GPS-RTK测量技术

1.1工作原理

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。用户观测站的GPS接收机借助无线电设备接收基准站观测到的数据，然后实时计算整周未知数，并计算用户观测站的三维坐标及精度。基准站将接收到的所有卫星信号通过系统传送给流动站，流动站在接收卫星数据的同时，也接收基准站传来的卫星数据。流动站初始化完成后，把接收到的基准站信息传给控制器，并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标、投影参数和转换参数，即可实时求得未知点坐标。GPS-RTK工作原理如图1所示。

图1GPS-RTK工作原理

1.2工作流程

1）内业准备

在进行GPS-RTK外业测量前应对工作区进行踏勘，根据测量特点进行内业准备。首先设定工程名称，然后收集控制点资料，最后外业踏勘，判断控制点作为基准点是否合适。基准站和流动站的数据采样率分别为1～2s，4～5s，高度截止角一般设为10°。假如坐标转换参数已知，则写入手簿。工程放样实施前，内业需要输入放样点的线路方位角和设计坐标，以便野外作业时实时准确放样。

2）工作区转换参数求解

GPS-RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的，而地质勘查测量是在独立坐标系或北京坐标系中进行的，因此在二者之间就存在坐标转换问题，而GPS-RTK实时测量要求实时给出当地坐标，可见坐标转换的重要性。针对较大的工作区，提前把转换参数测好，基准站坐标和参数就可在作业时直接使用，转换参数也可在作业过程中求解。基准站必须设立在通视环境好的地方，并获取单点定位坐标，然后，流动站通过联测高等级控制点求出转换参数，需要3个以上的已知点。

3）基准点的设置和测定

为保证观测精度和提高工作效率，基准站的设置应满足：基准站应设立在精确坐标的已知点上或条件较好的未知点上；基准站安置首选地势较高且交通便利，通视条件好，电磁波干扰比较少的地方，以保证数据传输的可靠性；为防止多路径效应的影响和数据链丢失，基准站200m范围内应无干扰源，且周围无GPS信号反射源；鉴于南北极附近是卫星的空洞区，基准站的天线最好设在GPS接收机北方。为取得较好的测量成果，按照技术规范，流动站和基准站的外业观测需满足表1的要求。

表1外业观测要求

注：测前测量基准站天线高度3次，精确至1mm，互差小于2mm，测后再次测量天线高度进行校验，高度测量3次取平均值。

2GPS-RTK测量技术在地质勘查中的优缺点和质量控制措施

GPS-RTK技术因其易携带操作、精度高、速度快、功能多等优点，在地质勘查中得到了广泛的应用，具体优点有：

1）传统外业测量易受气候、地形和森林覆盖等因素的影响，而GPS-RTK技术受通视、能见度等因素的影响较小，只要达到GPS-RTK技术的基本要求，就能快速地测量和放样；

2）GPS-RTK技术定位精度高，测站间无须通视，数据安全可靠。只要达到GPS-RTK技术的基本要求，在一定的作业半径范围内，能达到厘米级的测量精度，且误差是独立的，不会积累；

3）GPS-RTK技术具有很强的综合测绘能力，易实现自动化，可满足各种内、外业的要求。基准站可以提供多种信息输出，并自动控制和记录作业精度；

4）设备便于携带，易操作，对作业条件要求不高，数据传输、处理、存储能力强，与全站仪等测量仪器通信容易。整套Trimble5800RTK流动站的重量小于5kg，并可进行拆装，对施测困难的地区有很大帮助；

5）所需作业人员少，定位快，效率高，综合效益高。GPS-RTK技术流动站操作基本只需1人，而且完成一个点的测量工作只需几秒，作业速度快，节约了工作时间，提高了工作效率；

6）现场可以实时求解流动站三维坐标，且能实时掌握定位时的精度。无须各控制点间通视，也不需要每次观测时在每个碎步点都读L，a，S等，大大减少了观测时间。

然而，不可否认的是GPS-RTK在地质勘查中仍存在一些问题，具体问题和解决方案如下：

1）多路径效应。多路径效应为接收机接收到卫星发射信号时还接收到其他物体反射的卫星信号，从而影响了测量效率。在GPS-RTK测量中，测量点一旦无法变动，为降低多路径效应，就必须通过增加卫星截止高度角来屏蔽低高度角处的卫星信号，而且多路径效应不可能消除。

2）初始化问题。单一卫星定位系统的接收机要能锁定6颗卫星，其可靠性才比较好，而格洛纳斯卫星维持3颗以上，就能保证可靠的性能。但如果处于复杂的地区，且在某一观测时间段之内不能接收到更多卫星的信号，会出现间隙，此时容易出现假值。这样一来采用GPS-RTK技术进行地质勘查时就必须重新进行初始化，因而采用GPS-RTK技术时首要问题是如何得到足够的卫星数和缩短初始化时间。

3）基准站问题。GPS-RTK技术是以载波相位观测量为基础的实时差分GPS测量技术，并改正基站的差分，实时发给流动站，待测点与基准站之间的距离对定位精度有很大的影响。在一定作业半径范围内，高程和水平精度都能达到厘米级。

4）天线相位中心误差。天线的电子相位中心是处于变化之中的，因而很难与其机械中心重合，这与接收信号的频率和方位角度有关系。相位中心的变化对点位坐标的误差影响可达3～5cm，因而测量精度要求小于3cm的地质勘查工程就必须掌握精确的相位图形，并加以改正。

5）数据链传输问题。造成流动站信号失锁，或测量结果有误的因素很多，比如信号传输过程中的误码、数据链信号衰减和传输断断续续等。为确保GPS-RTK快速、连续地得到固定解，必须保证GPS-RTK移动站能快速、连续和可靠地接收基准站的数据链信号。

6）坐标系统转换带来的误差。在地质勘查中，通过GPS-RTK技术得到的测量结果通常是WGS-84坐标系下的。但由于流动站位置对测量的时间有要求，通常不采用WGS-84坐标系统，因而必须通过转换得出用户所需的坐标系坐标，比如转换成54北京坐标系等。虽然转换过程中会造成误差，但厘米级的误差对测量结果影响不会太大。

GPS-RTK确定整周模糊度的可靠性最高达到95%，误差比静态GPS还大一些。GPS-RTK测量比GPS静态测量更容易出现差错，因此，必须进行质量控制。质量控制的方法主要有：已知点检核比较法，即在布测控制网时利用静态GPS或全站仪多测一些控制点，然后检核这些控制点的坐标，及时改正发现的问题；重测比较法，每次初始化成功后，对1～2个已测过的GPS-RTK点或高精度控制点重测，确认无误后再进行GPS-RTK测量；电台变频实时检测法，设立两个以上基准站，每个基准站根据不同的频率发送改正数据，流动站通过变频开关选择性地接收每个基准站的改正数据，从而获得两个以上解算结果，通过比较这些结果来判断质量好坏。三种方法中，已知点检核比较法最可靠，但由于控制点的数量是有限的，所以没有控制点的地方可以通过重测比较法来检验测量成果，电台变频实时检测法的实时性最好，但对仪器有一定的要求。

3GPS-RTK在地质勘查中的应用

地质勘查的主要任务包括地形测量、钻孔点测量、勘探线剖面测量、地质点测量、探槽点测量、坑道测量等，需要对地形图不断地补测和修测，而GPS-RTK技术给地质勘查带来很大的便利，与传统测量手段相比工作效率有了很大的提高。其主要工作步骤如下：

1）GPS-RTK施测和放样

在工作区首级控制测量的基础上，借助点校正求得坐标转换参数；将基准站设置在通视环境好，且周围没有强电磁干扰的位置。当工作区有5颗以上可见GPS卫星且位置精度强弱度值不大于6时，获得固定解只需要5～15s。每个移动站的测量操作一个人就能完成，开始作业前应检查已知控制点，系统确认无误后，就可进行放样作业，包括地形地物点、坑道、工程点和线剖面勘探，采集只需1～10s。GPS-RTK处理过程很简单，通过数据传输系统将外业测量获得的坐标下载至计算机，经过整理、判别和分类后就可打印。在放样方面，GPS-RTK能实时给出导航数据，既可以给出定位精度，也能很快找到点位；如果放点和测点设在勘探线上也可以很快上线。通过GPS-RTK放样，导航数据不需要借助对讲机来传送，导航视图快速上点和上线，使得工作效率大大提高。

2）野外作业

首先，将工作区坐标系间的转换参数输入到基准站GPS接收机的实时动态差分系统中；接着在基准点设立GPS接收机，向接收机输入天线高度和地方坐标，并根据转换参数将地方坐标转化成WGS-84坐标；与此同时，基准站利用电台发送观测值、测站坐标、接收机工作状态和卫星跟踪状态。流动站接收基准站发来的数据，处理得到该点的WGS-84坐标；再通过转换参数将WGS-84坐标转化为地方坐标，实时显示。

3）应用实例

工作区概况：某矿区的地质勘查面积约为1km2，该矿区交通便利，位于某个中低山区的中部。矿区呈“V”形沟谷发育，最高海拔标高450m，地势比高350m，河床标高200m。矿区为构造侵蚀地形，坡度达25°以上，属于高山森林区段，被大片毛竹覆盖。

控制点测量：将工作区的3个GPS点设为已知控制点，放置在矿区周围。基准站被放置在某一已知点，控制点的WGS-84坐标系统的大地高和平面坐标通过流动站测量获得，转换参数通过已知点求解，从而得到工作区加密控制点的成果坐标。测量工作根据地质矿产勘查测量规范进行，精度和方法达到其要求。

地质点、槽探端点和坑道钻孔的测量：按照随指随测的原则测设地质点和槽探端点。钻孔放样严格按照初测、复测和终测的程序。按照设计坐标测定坑道口，图根点设置在坑道口，方便全站仪测量。

作业精度检测，通过三种方式进行作业精度检测，在已知点设立移动站，获取数据，并比较得出坐标和正确值，共对3个点进行检测；在不同时间段对特征点测量，并比较特征点的差值，共检测23个点；借助钢尺量距和全站仪检测相邻地形点的距离和高差，共检测32个点；三种方法总共检测58个点，作业精度统计，平面和高程精度分别为±0.18m，±0.11m，符合地质勘查精度要求。

4结束语

综上所述，GPS-RTK技术在勘查中具有强大的优点和功能，使现代地质勘察测绘工作变得更加简单，为地质勘察测绘工作人员提供了极大的方便，具有广阔的发展空间。虽然其在应用过程中仍然存在着不足之处，但是只要对症下药，通过一些应对措施，就能够充分发挥GPS-RTK技术在地质勘查中的作用，使其作业过程更加高效方便。笔者作此研究，希望能够起到抛砖引玉的效果，使同行相互探讨共同提高，进而为我国地质勘察测绘中应用GPS--RTK测绘技术时起到一定的参考作用。

参考文献：

[1]陈睿.GPS-RTK技术在地质勘查工作中的应用[J].北京测绘.2010（03）

[2]贺云.GPS-RTK技术在地质勘查工作中的应用研究[J].硅谷.2014（24）

[3]张海潮.GPS-RTK测绘技术在地质勘查测绘中的应用[J].黑龙江科技信息.2013（09）