GPS-RTK 技术在地质勘查工作中的应用

  GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，它是美国在20 世纪70 年代初开始研制，历经方案论证（1974~1978 年）、系统论证（1979~1987 年）、生产实验（1988~1993 年）三个阶段，总投资超过200 亿美元，于1994 年全面建成，它是具有在海陆空实施全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称，从其诞生开始就给社会许多行业带来了深远的技术革命。

 

  但是常规的GPS 测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得需要的高精度的结果，而且无法对观测数据的质量进行实时地检核，于是GPS-RTK 技术应运而生。RTK（Real TimeKinematic）技术是实时动态定位技术的简称，是GPS测量技术与数据传输技术的结合，是GPS 测量技术中的一个新突破，是GPS 应用的重大里程碑。RTK 系统主要包括3 个部分：基准站、移动站、数据链。RTK定位技术是以载波相位观测量为基础，基准站上的GPS 接收机对所有可见GPS 卫星进行连续不间断观测，并通过数据链将其观测值和测站信息一并传送给移动站，而移动站在接受这些信息的同时也采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，为时甚至不到1 秒。

 

  1 地质勘查工作中GPS 技术的运用情况

 

  地质勘查工作包含许多繁杂的工程，既有宏观的也有微观的，随着测绘技术日新月异的发展，地质勘查工作也随之发生了新的变革，尤其是手持GPS 的广泛应用，给地质勘查工作提供了极大的方便。手持GPS 采用SPP（Single Point Positioning）技术，即单点定位技术，其优点是只需用一台接收机即可独立确定待求点的绝对坐标，且观测方便，速度快，数据处理也较简单。主要缺点是精度较低，一般来说，只能达到米级的定位精度，接收情况稍差的地方误差甚至达到几十米乃至上百米。但是随着RTK 技术的日臻成熟，它给地质勘查中的测量工作带来了质的飞跃。

 

  2 RTK 精度分析

 

  2.1 影响RTK 定位精度的主要因素

 

  2.1.1 基准站坐标误差

 

  从RTK 的工作原理可以看出，基准站的坐标精度直接影响到整个RTK 系统，如果其坐标精度低的话，流动站所得到的所有数据均有一定的系统误差。

 

  2.1.2 坐标系统转换精度

 

  由于GPS 卫星观测的坐标系统为世界大地坐标系（WGS84），而平时的生产过程中所采用坐标系统一般是北京54、国家80 或者是一些地方坐标系统，所以需要和这些坐标系统进行转换，所以RTK 最后的定位精度与为了转换系统所采集的公共点的位置、数量及质量有直接的关系。

 

  2.1.3 整周模糊度解算与动态基线解算误差

 

  整周模糊度与动态基线快速准确解算对RTK 系统精度进一步提高有着密切的关系，其解算方法有许多种，不过解算程序都已经被各厂家编入主机之中，误差不受用户控制，这里就不加详述。

 

  2.1.4 信号传播误差

 

  RTK 系统采用电磁波进行数据信号采集，电离层和对流层折射误差、多路径效应误差是主要影响因素，其实前者已经通过双频技术和引入对流层模型得到了误差控制，多路径效应是我们在运用RTK 定位过程中最重要的误差影响因素之一，这就要求我们作业过程中注重对作业环境的选择。

 

  2.1.5 人为因素

 

  在作业过程中，可能会由于人员操作原因，造成天线相位中心位置偏差，点位对中误差，手簿采集记录误差等人为因素影响到RTK 定位精度。

 

  2.2 作业精度保障

 

  为确保精度，进行RTK 作业时，基准站尽量设在视野开阔的较高位置，适当提高基准站发射天线高度；联测控制点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或已经过统一平差的控制网内的GPS 点，要求数量尽量多且图形强度高；根据卫星星历预报，选择适当时段进行测设；适当延长在每测设点的观测时间，以确保固定解并将移动站天线尽可能保持垂直；作业半径保持在规定范围以内，若要加大范围，可采用中继站电台或定向天线；移动站采集数据时严格按照规范操作，确保限差在规定范围以内。

 

  2.3 精度对比实例

 

  2009 年9 月在对青海省湟中县门旦峡石灰岩矿区实施地质勘查相关测量时，对RTK 施测精度进行了如下验证：（RTK 型号：中海达（9500）-V8 手持GPS 型号：GARMIN GPS72）

 

  （1）先通过静态GPS 引测国家三角点（三等）布设首级控制网，经过严格平差后作为测区起算数据。

 

  （2）在测区内选择合适位置架设RTK 基准站，然后通过移动站对各首级控制点实施观测，作业过程严格按照规范和要求操作。

 

  （3）利用手持GPS 在各首级控制点观测定位（开机定点观测15 分钟）。

 

  （4）对各点观测结果进行对比分析：

 

  由此可以看出，在本测区范围内RTK 定位精度完全达到了相应要求，并且比手持GPS 定位精度高出许多。

 

  3 RTK 技术在地质勘查工作中主要应用

 

  3.1 图根控制测量

 

  从前面所述实例中可以看出，RTK 测量所得坐标数据完全可以满足一般图根点控制精度要求，所以在地质勘查工作中，可以运用RTK 对矿区实施图根控制点布设。这样不仅方便快捷，也能保证相对高的精度。

 

  3.2 地质工程放样

 

  地质勘查过程中往往需要布设勘探线，并且进行必要的槽探、钻探、硐探、物化探等工程，但是矿区往往由于面积较大，地形复杂，山势陡峻等因素严重影响通视情况，运用传统常规测量方法如经纬仪、全站仪测量工作效率较低，而利用RTK 只需要“电磁波通视”的优点，可以让工程放样工作事半功倍。

 

  3.3 地形测量

 

  地质勘查也需要对矿区进行地形图的测量（一般为1：1000/2000/5000），采用RTK 联合全站仪进行数字化测图，可以极大的提高测量工作效率。

 

  3.4 剖面测量

 

  利用RTK 的放、测、算、检一体的特点，可以在勘探线的纵横断面上实施剖面测量，并进行土石方的相关计算。

 

  3.5 其他相关运用

 

  在地质填图以及地质点定位的工作中，RTK 完全可以替代手持GPS，不仅具备手持GPS 的快捷便利的优点，更具备手持GPS 不能达到的高精度要求；由于RTK 手簿程序多样化智能化的特点，RTK 还能进行导航、记录、通讯、计算等工作，给地质勘查工作带来极大的方便。

 

  4 地质勘查常用坐标系统转换

 

  在地质勘查工作中常常需要当地坐标（比如北京54 或者国家80）或者工程坐标，这就需要对采集的大地坐标或者假设坐标进行转换，对于较小面积（一般不大于30km?）的测区采用四参数转换即可，但是对于大面积测区则采用七参数转换效果较好。

 

  在我们采用七参数转换坐标系统时，需要用RTK 采集三个或三个以上已知点的GPS 坐标，而采用四参数转换坐标系统时，只需要采集两个已知点的GPS 坐标就可以了。

 

  如今RTK 手簿上所带测量程序基本上都可以实现野外实时解算七参数或四参数，以中海达RTK（9500）-V8 为例，在对控制点（已知点）进行数据采集时，在“记录”属性页中将“控制点”前方的方框打勾（菁），然后点击右侧【详细】，输入控制点名称，选择类型为“当地XYH”，确认后输入相应的控制点坐标，再确认后就将该点与控制点建立了对应关系。

 

  如此将其他需测控制点建立好对应关系后，就可以开始进行求解七(四)参数，使用菜单【辅助】—【计算】—【七参数】，进入“求解七参数”视图：

 

  【新建】求解参数文件后，通过【加点】添加所参加计算的控制点，然后【解算】七参数，只要残差和比例参数（一般为0.97～1.03） 符合要求则认为七参数可用，然后“ESC”退出，随后弹出“是否更新采集数据”，若数据量小可选“YES”，若数据量大选“NO”，在数据导出前执行菜单【文件】—【更新数据】即可。

 

  另外，对七参数解算也可以事后进行，这里就不加详述。

 

  5 结语

 

  GPS-RTK 技术相对于传统测量方法有着极大的优势，在地质勘查测量工作中让作业效率和精度都得到了很大的提高。但是，RTK 在地质勘查工作中也存在一些局限性：地质勘查往往在地形条件复杂的山区开展工作，这就对基准站及天线的架设要求较高；移动站接收不到卫星信号或数据链信息的地方，要与其他测量手段配合使用以及换用定向天线；如果测区高程变化大且面积较大时，采用GPS-RTK 高程拟合精度也会相对下降，需要与控制网整体平差。伴随着GPSRTK技术的逐步完善，软硬件设施的逐步改良，其在地质勘查以及其他领域将得到更广泛和长远的发展。