網絡RTK在北京市礦業權實地核查中的應用

楊春宇 ,王志強 ,紀銀曉

(1.北京市一零一地質大隊,北京 101500;2.中國礦業大學(北京),北京 100083)

0 引言

網絡RTK系統的可靠性遠遠優于單機RTK系統.單機RTK系統的可靠性取決于單個參考站,若該參考站出現問題,其覆蓋的區域就會成為服務盲區,甚至是錯誤服務區.而在網絡RTK方式,系統的可靠性不是由單個站而是由整個GPS參考站網絡來維護的,因此單個參考站即使出現問題也很容易被發現,不會導致數據被錯誤地使用;而要提高系統的容錯性,保持網絡的有效覆蓋也只需要在網絡中增加很少的備用參考站,這在單機RTK系統中代價將是十分昂貴的.

截止2009年6月30號北京市共有有效礦權375個,分布在北京市的18個區縣(合并后為16個區縣).要在一年內完成全部核查工作.如果采用靜態GPS控制測量+全站儀碎步測量的傳統測量模式,將難以按期完成實地核查工作.針對時間緊、人員有限、礦權分布廣泛這一特點,我們決定利用北京市已建成的CORS系統,率先在全國范圍內應用網絡RTK技術進行礦業權實地核查的測量工作.

1 網絡RTK原理與技術方法

1.1 CORS系統

連續運行參考站系統(Continuous Operational Reference System,簡稱CORS)是網絡RTK系統的基礎設施,也是網絡RTK技術的具體應用.CORS系統可以定義為一個或若干個固定的、連續運行的GPS參考站,利用現代計算機、數據通信和互聯網(LAN/ WAN)技術組成的網絡,實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經過檢驗的不同類型的GPS觀測值(載波相位、偽距),各種改正數、狀態信息,以及其它有關GPS服務項目的系統.

CORS主要由以下幾個子系統構成:控制中心、固定參考站、數據通訊和用戶部分.

(1)控制中心

控制中心是整個系統的核心,既是通訊控制中心,也是數據處理中心.它通過通訊線(光纜,ISDN,電話線等)與所有的固定參考站通訊;通過無線網絡(GSM、CDMA、GPRS等)與移動用戶通訊.由計算機實時系統控制整個系統的運行,所以控制中心的軟件既是數據處理軟件,也是系統管理軟件.

(2)固定參考站

固定參考站是固定的GPS接收系統,分布在整個網絡中,一個CORS系統可包括無數個站,但最少要3個站,站與站之間的距離可達70km(傳統高精度GPS網絡,站間距離不過10～20km).固定站與控制中心之間有通訊線相連,數據實時地傳送到控制中心.

(3)數據通訊部分

CORS的數據通訊包括固定參考站到控制中心的通訊及控制中心到用戶的通訊.參考站到控制中心的通訊網絡負責將參考站的數據實時地傳輸給控制中心;控制中心和用戶間的通訊網絡是指如何將網絡校正數據送給用戶.一般來說,網絡RTK系統有兩種工作方式:單向方式和雙向方式.在單向方式下,只是用戶從控制中心獲得校正數據,而所有用戶得到的數據應該是一致的,如主輔站技術MAX;在雙向方式下,用戶還需將自己的粗略位置(單點定位方式產生)報告給控制中心,由控制中心有針對性地產生校正數據并傳給特定的用戶,每個用戶得到的數據則可能不同,如虛擬參考站VRS技術.

(4)用戶部分

用戶部分就是用戶的接收機,加上無線通訊的調制解調器及相關的設備.

圖1是CORS系統的工作流程示意圖.

圖1 CORS系統的工作流程

1.2 北京市網絡RTK采用的技術方法

RTK(Real Time Kinematic)技術是GPS實時載波相位差分的簡稱.這是一種將GPS與數傳技術相結合,實時解算進行數據處理,在1～2s的時間里得到高精度位置信息的技術.網絡RTK技術依靠網絡將基準站連接到計算中心,聯合若干參考站數據解算或消除電離層、對流層等影響,以提高RTK定位可靠性和精度.目前網絡RTK的技術方法主要有虛擬參考站技術(VRS)、區域改正參數方法(FKP)、主輔站技術、綜合誤差內插法等.在北京市礦業權實地核查工作中,我們應用的是虛擬參考站技術方法,進行礦區的控制測量和部分碎步測量工作.

VRS(Virtual Reference System)的意思是虛擬參考站,它所代表的是GPS的網絡RTK技術.它通過與流動站相鄰的各個參考站之間的基線計算估計各項誤差,中心控制站根據三角形插值方法建立一個對應于流動站點位的虛擬參考站(VRS),將這個虛擬參考站的改正數信息傳輸給流動站,然后流動站結合自身的觀測值實時解算出流動站的精確點位.服務區內每一個流動站對應著一個不同的VRS參考站;所以,存在許許多多個VRS參考站.由于VRS參考站發送的是正常格式的RTCM信息,因而流動站并不需要知道參考站所用的參數模型.

目前世界各國的網絡RTK系統多采用應用比較廣泛的VRS技術,該技術經過十年的提高完善已形成實用化、商品化的技術和軟件系統.與常規RTK定位技術相比,VRS技術對電離層、對流層等改正考慮較好、定位可靠性和精度較高、作用范圍較大,同時最大程度地保護了用戶的設備投入.由于該技術的顯著優點,現已成為世界上應用最普遍、最成功的網絡RTK技術之一.見網絡RTK(VRS)技術示意圖(圖2)

圖2 網絡RTK(VRS)技術示意圖

2 網絡RTK技術應用實例分析

2.1 北京市礦業權核查工作簡介

礦業權實地核查工作主要包括核查準備、野外實測、問題分析與處理、成果編制與驗收、成果匯總、全國礦業權管理信息系統建設、全國礦業權核查成果綜合分析等內容.其中野外實測指的是以室內整理更新后的探礦權、采礦權登記數據庫為依據,以單個礦業權為基本單元,通過實測探礦權勘查工程空間分布和采礦權開拓工程空間分布,獲取礦業權人勘察開采活動的二維或三維坐標,與勘察許可證、采礦許可證上的坐標進行對比,并將實測的分布范圍投影到平面圖上,繪制形成探礦權勘查工程、采礦權開拓工程平面圖,確定礦業權的實際范圍是否在法定許可范圍內,同時對礦業權其他相關數據一并核查,獲得全面、真實、可靠的礦業權基本數據.

2.2 東城區花市棗苑小區地熱開采實例分析

(1 )北京市CORS系統基站分布

根據北京市的實際情況和相關規定,我單位利用北京市已建成的CORS系統,應用網絡RTK技術進行北京市礦業權實地核查的測量工作.北京市CORS系統分布如圖3所示.

圖3 北京市CORS系統基站分布

(2)花市棗苑小區地熱開采原始數據及其精度

在北京市東城區花市棗苑小區地熱開采實際測量中,我們首先在視野開闊、無高大建筑物遮擋、無電線電纜等無法造成信號干擾的地方選取點位進行標識埋點,通過對基座對中整平之后,裝上GPS接收機,連結網絡,進行觀測.每個控制點采取兩次以上不同時段觀測,最后選取最優數據作為控制點成果.上述一系列操作的目的是盡可能使各種外界因素引起的誤差減小到最小.該礦區在引入了GPS1、GPS2兩個控制點之后,仍然采用網絡RTK技術通過單臺移動站對一些碎步點進行測量,部分測量數據如表1所示,控制點平面坐標中誤差小于3mm,高程中誤差小于5mm,精度完全符合要求.碎步點觀測時由于外界因素干擾造成測量精度有一定下降,但是通過下表可以看出碎步點的平面坐標中誤差不超過3cm,高程中誤差不超過5cm,也完全符合本次核查的精度要求.

表1 花市棗苑小區地熱開采部分原始數據表

(3) 花市棗苑小區地熱開采平面圖繪制

野外實測完成之后,首先將兩個GPS控制點原始數據發送至北京市測繪院進行解算,將WGS-84坐標轉換為1980西安坐標,之后利用兩個已知控制點和相鄰礦區已有的控制成果,形成足夠的坐標點對,進行坐標轉換參數解算,根據求出的參數可對其余碎步點的坐標進行轉換,轉換后的坐標經過校驗最大差值不超過1cm,符合精度要求.原始數據處理完畢之后,我們利用全國項目辦提供的礦業權核查繪圖軟件繪制了該采礦權開拓工程平面圖(圖4),紅色邊框區域表示根據許可證核發的拐點坐標繪制的井位許可范圍,由圖可知,該地熱井的位置在法定許可范圍之內.

圖4 花市棗苑小區地熱開采平面圖

3 結語

網絡RTK技術在北京市礦業權實地核查工作中發揮了重要的作用,不僅節省了人力、物力,而且提高了精度、可靠性和工作效率,滿足了項目工作需要.通過應用,我們認為:

(1)應用網絡RTK技術可以大幅度提高工作效率.在本次核查中,使用網絡RTK只需1～2人一組即可,與以往使用全站儀測量4～5人一組相比減少了大量人力投入.

另外,在一定的精度范圍內,網絡RTK對于靜態GPS控制測量的替代性及其快速定位的特點,使核查的工作效率大大提高.

(2)利用北京市建成的CORS系統,在外業測量過程中單臺GPS接收機即可完成全部外業測量任務,與傳統RTK架設基站和移動站的模式相比大大減少了設備的投入,節約了核查經費.但是使用網絡RTK時,要產生一定的網絡費和流量費,在碎步測量上,如果測區較大,長時間使用會使費用較高,此時不宜采用該方法.

(3)目前網絡RTK仍然是應用在局域的網絡系統,而各區域的RTK網絡能否組合起來構成一個分級的、覆蓋全國的網絡系統還有待發展.另外,像大氣誤差改正模型預測算法和基站與測站相關誤差的消除方法等網絡RTK改正信息的質量標準還值得多加關注.

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