GPS技術在煤概查控制測量中的應用分析

王宏宇 王瑞華2

（1.河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州450052；2.河南省煤田地質局資源環境調查中心，河南 鄭州450052）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，對于能源品質的要求越來越高，而煤炭作為我國的傳統能源，其開發和利用程度對我國的經濟的發展具有深遠意義.地震勘探控制測量是指為配合煤炭地球物理勘探工作所做的控制測量工作，測量的主要任務是依據測量規范和物探設計書，在測區內布設控制點，為物理點的野外施工放樣提供精確的符合規范要求的測量成果。

隨著GPS定位、計算機遠程傳輸和數據分析等技術的高度發展和廣泛普及，GPS技術具有全天候、高精度、無須通視布網靈活、全球性、信息層次豐富、信息采集方便快捷等優點，GPS定位測量在地震勘探測量中得到了廣泛的應用。

在測區內，按測量任務所要求的精度，測定一系列控制點的平面位置和高程，建立起測量控制網，作為各種測量的基礎，這種測量工作稱為控制測量。控制網具有控制全局，限制測量誤差累積的作用，是各項測量工作的依據。對于地形測圖，等級控制是擴展圖根控制的基礎，以保證所測地形圖能互相拼接成為一個整體。對于工程測量，常需布設專用控制網，作為施工放樣和變形觀測的依據。

2 已有測繪成果資料利用

2.1 已有平面控制資料簡述

1.黃河水利委員會勘測設計院1952-1956年施測的陜縣—鄭州Ⅰ等三角鎖中的“鳳凰山”、“楊家墳疙瘩兩點”，分別位于勘探區西北9千米處和勘探區東南5千米。

2.義煤集團地質勘探公司測量隊于2002年在義煤礦區內布設施測D級GPS控制網，該網作為義煤集團所屬礦區的首級控制，把上述提到Ⅰ、Ⅱ等三角點納入該網作為起算點或重合點。其網中 “英豪北”、“后河”、“水泥廠”、“大塊樓”、“嶺頭”位于勘探區內或者周邊。

2.2 已有平面控制資料分析利用

經過分析，因為當時義煤集團在建礦區D級GPS網時，把位于礦區內及周邊保存完好的已有Ⅰ、Ⅱ等三角點幾乎全部納入該網。該網用GPS技術建立，網中點位精度均勻，可靠。故采用D級GPS點成果作為勘探區E級GPS網的平面起算。

以上四點平面均采用1954年北京坐標系，高程采用1956年黃海高程系，其標石完好。

2.3 高程控制的利用資料

設計四等水準聯測由國測1959年布設沿著310國道布設的西安—鄭州一等水準線路或黃委會1954年布設的洛陽—陜縣二等水準線上兩條線路上的水準點或到義煤集團的收集水準點資料，經過檢查可靠后，作為勘探區控制網的水準測量起算數據。

經過在實地進行踏勘尋找，因Ⅰ、Ⅱ等水準線路布設時間長，310國道線路部分改道，又地物地形變化巨大，依據點子記沒有找到點位，無法利用；又到義煤集團收集，經義煤集團測量負責人介紹，因義煤集團地處丘陵、低山地區，因不宜水準測量，沒進行過水準測量，進行礦井建設是利用三角高程進行高程測量起算的。

因此，本次使用義煤集團收集的D級GPS點上的三角高程作為勘探區E級GPS網的高程擬合起算數據。

2.4 圖紙

外業使用的圖紙因已有的1∶50000地形圖施測時間較長，地物地形變化太大。其使用價值不大。故本次測量外業，是依據網上Google地球制作的勘探區范圍影像圖進行選點，埋石。該圖紙雖然比例尺難以控制，但其影像清晰、現實性強、詳盡，使用方便。

3 作業依據和施測要求

3.1 作業依據

（1）《測繪技術設計規定》

CH／T 1004—2005

（2）《全球定位系統（GPS）測量規范》

GB／T 18314—2009

（3）《測繪成果質量檢查與驗收》

GB／T 24356—2009

（4）《測繪技術總結編寫規定》

CH／T 1001—2005

3.2 起算依據

（1）平面采用1954年北京坐標系，高斯正形3度帶投影，中央子午線111°。

（2）高程采用1956黃海高程系。

4 選點、埋石

4.1 選點

本次E級GPS點點位，依據在影像圖上的布點位置，大部分選在小路邊的地界處，能夠利于長久保存、便于尋找、周圍比較開闊、利于GPS接受機觀測和常規觀測的地方；由于該區處于繩池縣城、義馬市邊沿，人口多，村莊稠密加之村莊外圍樹木繁多，給選點工作造成不利，考慮到RTK技術已普及，相鄰點間沒有強求互相通視。

4.2 埋石

新埋設混凝土預制單層標石，其規格為上面邊長為15cm，下底邊長為35cm，高度為50cm；標石的中心標志，利用直徑Φ為16mm鋼筋，長度不小于25cm，標石內部部分打彎曲，露出部分為1cm，中心鉆一半徑為1mm的圓孔，作為點位標志；標石埋設牢固、穩定。

為了便于尋找，埋設的標石面露出地面2-3cm。并在點周圍明顯地物上和標石面用紅色油漆注明該點點號、距離、等級等信息，以便于尋找及與成果對應。

5 GPS觀測實施情況

5.1 外業觀測技術要求

（1）使用儀器及精度：該區使用南方測繪儀器公司生產的5臺靈銳S82雙頻GPS接受機。其標稱精度，符合規范規定要求。

儀器標稱精度 靜態平面精度：±（3mm+1ppm×D），

靜態垂直精度：±（5mm+1ppm×D）

經解放軍測繪學院儀器檢測鑒定中心鑒定，該5臺儀器工作正常，精度達到標稱精度指標，滿足規范規定的E級GPS網所使用儀器要求。

（2）GPS外業觀測技術指標規范規定見下表：

級別項目E衛星截止高度角（°）15同時觀測有效衛星數（顆） ≥4有效觀測衛星總數（顆） ≥4觀測時段數（個） ≥1.6時間段長度（分鐘） ≥40 min數據采樣間隔（秒） 5-15同步觀測接收機數（臺） ≥2接收機 單頻／雙頻 雙頻或單頻

注1：觀測時段長度，應為開始記錄數據到結束記錄數據的時間段。

注2：觀測時段數≥1.6，指每站至少觀測1時段，其中第二次設站點數應不少于GPS網總點數的60%。

注3：采用衛星定位連續運行基準站觀測模式時，可連續觀測，但觀測時間不應低于表中規定的各時段觀測時間的總和。

5.2 外業觀測方法

外業觀測采用邊連接方式觀測。接受機利用三角架腿安置在標志中心垂線上方，用測前已經檢驗、校正合格的光學對點器進行對中，對中誤差不大于3mm，儀器架設高度距離標石面大于0.5米，天線高由不同三個方向量測，測前、后各一次，取平均值下載數據時直接輸入相應文件。

6 E級GPS網外業數據處理及檢核

為了評估外業觀測成果質量，保證外業成果達到相應精度，外業結束后立即在駐地對觀測數據進行進行了基線解算處理和基線檢核，保證外業數據真實可靠。

E級GPS網主要特征

6.1 本次E級GPS網基線測量中誤差

本測區E級GPS控制網平均邊長為5.6km，根據規范規定基線測量的中誤差根據外業測量儀器的標稱精度進行計算為：

靜態平面精度：±（3mm+1ppm×D）=±（3mm+5.6mm）=8.6mm

靜態垂直精度：±（5mm+1ppm×D）=±（5mm+5.6mm）=10.6mm

基線測量中誤差：

6.2 E級GPS數據質量檢驗

（1）異步環檢驗

報告中剔除不參與平差基線后組成環情況如下：

閉合環最大節點數3

異步閉合環59

網中3節點異步環閉合差坐標分量限差應滿足下式計算：

異步環坐標分量閉合差最大為-36.8mm，從異步環閉合差的坐標分量可以看出，遠小于限差值，證明野外觀測數據質量好、精度高。

（2）重復基線質量情況

本區控制網重復基線較差應滿足：

重復基線較差最大為±18mm，從上數據可以看出復測基線兩次長度較差遠小于限差值，亦證明野外觀測數據可靠。

7 GPS網平差

7.1 三維無約束平差

把經過檢核合格的49條基線向量，以一個點（GE02點）的 WGS—84系三維坐標作為起算依據，進行無約束平差，得到各點在WGS—84系下的三維坐標、各基線向量及其改正數和其精度信息。

在該網的無約束平差中，基線分量的改正數絕對值應為：

VΔX=VΔY=VΔZ=3δ=3×13.6=40.8mm

根據平差資料，無約束平差中，基線分量的改正數絕對值最大的為V△X=22.10mm；V△Y=-2.7mm；V△Z=6.2mm。（基線 YIHB1543—HOUH1543）遠小于限差要求，再次證明野外觀測數據可靠。

7.2 二維約束平差

利用無約束平差后的可靠觀測量，選擇在1954年北京坐標系和80西安坐標系下進行。

進行二維約束平差，首先對4點，“后河”、“英豪北”、“水泥廠”和 “大塊樓”進行成果精度匹配檢查。利用其余4點的成果作為該網的臨時起算數據，計算出進行平面轉換和高程擬合依據。

約束平差后，基線分量的改正數與無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值應滿足下式：

dvΔx=dvΔy≤2δ=2×13.6=27.2mm

約束平差后，基線分量的改正數與無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值最大的基線是（基線YIHB1543—HOUH1543）

dvΔx=22.1-3.9=18.2mm

dvΔy=-2.7-（1.7）=-1.0mm相對誤差最大為1／32萬（LINT-E003）。點位（E08）中誤差最大為0.9cm。

8 GPS高程擬合

高程擬合起算也是“后河”、“英豪北”、“水泥廠”和 “大塊樓”四個點的三角高程進行擬合，網中內符合精度為±51.6mm，高程中誤差最大的為（E07）為1.8cm。

9 精度評價

陜繩煤田杜家-張溝煤概查區E級GPS網布新點12個，加上區內及周邊已有的4點（重新計算成果）共計16個，點位分布基本均勻，數量及其點位置滿足勘探首級控制要求。

GPS網精度情況是：點的重復設站率75%，復測基線9條，異步環檢查數量大，檢核條件嚴謹充分。異步環相對誤差最大為2.8ppm，閉合差分量最大0.046m（限差0.071m）。復測基線較差最大0.027m為限差1／2，外業觀測數據精度高于規范要求。二維約束平差后，基線向量改正數最大為-0.018m，這相對誤差最大為1／320000。點位中誤差最大為0.009m。其精度滿足地質勘探要求。

10 利用控制點完成的地震工作量

測區面積約90平方公里，利用測區控制點完成二維地震測線12條。其中主測線8條，測線長34.9km，物理點882個；聯絡線4條，測線長58.8km，物理點1475個。共計地震測線長93.7km，測線物理點2357個；完成試驗物理點125個，低速帶調查物理點18個，計143個物理點總計物理點2500個。

通過物理點資料分析與處理，得出如下結果：

（1）初步了解區內新生界地層厚度及變化情況；

（2）初步了解概查區構造輪廓；

（3）初步了解含煤地層的分布范圍和埋藏深度；

（4）提供參數孔和找煤孔孔位.

11 結束語

該煤概查區控制網的建立，對于準確布設地震勘探線提供了技術支持，可以利用這些控制點，進行儀器的校正以及測量數據的檢查，提高了地震勘探的施工效率，節約了成本。同時，該控制網的建立，不但為其它測繪工程（包括低級平面控制網和基礎地形圖測繪工程）及城市規劃、土地、交通、公安、房產和市政等部門實現數字化、信息化管理提供了基礎技術保障。