提高近海地質(zhì)鉆探定位精度的技術(shù)關(guān)鍵

孔玉柱，姚加寧，王　方，張雪飛

（1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺264004；2.新疆合潤陽光工程咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830000；3.河南省安陽市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，河南安陽455000）

提高近海地質(zhì)鉆探定位精度的技術(shù)關(guān)鍵

孔玉柱*1，姚加寧2，王方3，張雪飛1

（1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺264004；2.新疆合潤陽光工程咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830000；3.河南省安陽市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，河南安陽455000）

在三山島北部海域開展金礦詳查工作中，地質(zhì)測量人員采用基于SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行海上鉆探孔位定位工作。在此，總結(jié)了影響近海地質(zhì)鉆探孔位定位精度的因素，并探討了提高近海地質(zhì)鉆探孔位定位精度的技術(shù)關(guān)鍵。

CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；海上鉆探孔位定位；技術(shù)關(guān)鍵

山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院受甲方委托在山東省萊州市三山島北部海域開展金礦詳查工作，該項(xiàng)目自2012年啟動到2014年底完成詳查報告，整個勘查工作歷時近3年，勘查探獲金金屬資源量470多噸。為滿足該項(xiàng)目地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)、地質(zhì)勘查施工的需要，地質(zhì)測量人員在借鑒其他海上定位施工經(jīng)驗(yàn)的同時[1-3]，對海上鉆探定位方法進(jìn)行改進(jìn)，采用基于山東SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)鉆探孔位的定位工作。

1　本次海上勘查鉆探孔位定位的方法

（1）海上鉆探孔位布設(shè)方法。本次海上勘查采用的鉆探平臺屬于拼裝式插樁鉆探平臺，它是靠固定在海底10多米深的泥沙里的9個鋼管樁支撐著鉆探工作臺面。鉆探孔位就是中間管樁的中心位置（圖1），也是整個鉆探平臺的中心，布設(shè)鉆探孔位就是將平臺的中心布設(shè)到正確的施工位置。布設(shè)孔位時，施工人員將鉆臺平臺和施工船固定在一起，首先，地質(zhì)測量人員在平臺上指揮施工船行駛到孔位的附近，將4只定位錨拋好，固定住施工船，然后，根據(jù)地質(zhì)測量人員的指揮，利用施工船上的4個定位鉸盤收放4條錨鏈移動施工船，直至鉆探平臺中心到達(dá)理論孔位坐標(biāo)處，迅速使用空氣錘把支撐鉆探平臺的9根鋼管樁釘入海底5～10m深度，再將鉆探平臺通過安裝在固定樁頂部滑輪組升高到設(shè)計(jì)部位，待鉆探平臺調(diào)整平穩(wěn)無沉降后，通過滑輪組調(diào)整平臺至水平，平臺最終搭建完成。地質(zhì)測量人員登上平臺再次對孔位進(jìn)行精確定位，檢查孔位無誤后，才可以把鉆機(jī)吊裝到平臺上進(jìn)行鉆探施工。

圖1　鉆探平臺施工

（2）海上鉆探孔位的定位測量方法。本次海上鉆探孔位的布設(shè)和定測采用基于SDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行測量。SDCORS是山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)（ShanDong Continuously Operating Reference Station System，簡稱SDCORS），SDCORS是建設(shè)在不同應(yīng)用領(lǐng)域之間搭建了一個技術(shù)與服務(wù)平臺，不僅向測繪用戶提供統(tǒng)一的、動態(tài)的、連續(xù)的、高精度的時間和空間基準(zhǔn)，還可以向社會各需求部門提供各種地理空間信息數(shù)據(jù)服務(wù)，是“數(shù)字山東”的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是山東省一項(xiàng)重要的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)工程。CORS-RTK系統(tǒng)是現(xiàn)階段GPS實(shí)時動態(tài)差分中最先進(jìn)，精度最高，應(yīng)用最廣泛的實(shí)時差分系統(tǒng)，它采用了載波相位動態(tài)實(shí)時差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率、充分拓寬了RTK作業(yè)時段、增加了RTK作業(yè)距離。經(jīng)過測試和長時間的應(yīng)用，基于SDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK的測量系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，測量成果能夠達(dá)到平面小于3cm、高程小于5cm的精度水平[4]。CORSRTK技術(shù)海上定位測量成果完全可以滿足本次勘查項(xiàng)目需要及相關(guān)測量規(guī)范要求[5-6]。

2　影響本次海上勘查鉆探孔位定位精度的因素

海上勘查施工相對陸地勘查施工經(jīng)驗(yàn)少、難度高、不確定因素多。海上勘查施工定位也是同樣受到諸多因素的影響，面度諸多影響因素，如何確保海上勘查施工定位精度是本次測量人員探索的主要工作。

（1）海風(fēng)和海流導(dǎo)致施工船晃動的影響。施工船在施工時由于晃動會導(dǎo)致平臺定位困難，不利于鉆探平臺的搭建，風(fēng)浪越大對海上定位和平臺搭建影響越大，為了保證平臺定位精度和平臺搭建速度，施工時，要盡可能的選擇風(fēng)平浪靜的天氣出海施工。同時，施工時要迅速，確保在最短的時間內(nèi)拋錨，拉緊錨繩，固定施工船，以減少施工船體和平臺的搖擺晃動。

（2）平臺搭建施工速度的影響。由于海上施工會受到海風(fēng)和海底水流的影響，所以海上施工要快！施工時間越久，受到海風(fēng)和海底水流的影響越大，甚至導(dǎo)致施工船發(fā)生大距離的漂移。在施工船行駛到孔位的附近后，為了防止海風(fēng)和海底水流的導(dǎo)致施工船漂移，施工人員要迅速拋出4只固定錨，在最短時間內(nèi)收緊錨鏈，固定住施工船。同樣，通過收放錨鏈，精確定位確定鉆探孔位后，要迅速使用空氣錘把支撐鉆探平臺的9根鋼管樁釘入海底5～10m深度，以保證鉆探平臺和鉆探孔位不再發(fā)生變化。

（3）海上勘查鉆探孔位定位及平臺組裝同步進(jìn)行，施工過程由測量、鉆探、機(jī)械施工、海船駕駛、吊車作業(yè)等多個工種協(xié)作完成，在施工過程中要求各工種互相配合，服從安排，同心協(xié)力，不做無用功，爭取最短時間內(nèi)完成定位及平臺組裝。所以，海上作業(yè)前要在陸地上多次演練無誤后方可開展海上鉆孔定位和鉆探平臺組裝工作。

（4）在CORS系統(tǒng)中RTK流動站測量成果會受到衛(wèi)星分布情況、電離層是否存在干擾、網(wǎng)絡(luò)通訊鏈?zhǔn)欠穹€(wěn)定、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是否可靠、設(shè)備自身接收衛(wèi)星信號和網(wǎng)絡(luò)通訊信號能力等諸多因素的影響，相比于傳統(tǒng)光電測量方法和GPS靜態(tài)測量，RTK的測量精度和可靠性存在不確定性。尤其在海上定位的CORS-RTK測量，受大面積水面環(huán)境影響，容易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，對測量成果有一定影響。

（5）CORS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。接收機(jī)直接測量得到的是WGS84坐標(biāo)成果，本次勘查項(xiàng)目要求的是1980西安坐標(biāo)系成果，所以本次在進(jìn)行勘查定位前，我們要求取CORS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，以保證測量得到的成果是符合要求的坐標(biāo)系成果。由于本次勘查工程主要在海上開展，而首級控制點(diǎn)只能布設(shè)在陸上，如何求取正確的RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，保證海上定位精度也是本次測量工作的重點(diǎn)工作之一。

3　提高定位海上勘查鉆探孔位定精度的關(guān)鍵技術(shù)

（1）RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。由于本次測量工作的首級控制點(diǎn)全部布設(shè)在海岸上，這種控制點(diǎn)的布設(shè)方法是不符合“控制點(diǎn)應(yīng)布測在工區(qū)的四周和中心[6-8]”的要求。為了消除首級控制點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)RTK在求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)過程中的影響，我們將首級控制點(diǎn)的布測范圍盡可能地靠近海上礦區(qū)，并且布測范圍首級控制點(diǎn)范圍和海上工區(qū)范圍相當(dāng)，甚至更大，以保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)能夠均勻反映整個測區(qū)的橢球情況，減弱RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對測量精度的影響。在求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時，選用的控制點(diǎn)必須不少于4個且分布均勻，點(diǎn)校正后的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的殘差不大于2cm，高程轉(zhuǎn)換的殘差不大于3cm[4]。

（2）多路徑效應(yīng)的影響。海面上大面積的水面所產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)會影響CORS-RTK測量精度，通常情況下可產(chǎn)生3～5cm的測量誤差，當(dāng)衛(wèi)星高度角較低時，這種誤差可能超過10cm。所以多路徑效應(yīng)是CORS-RTK技術(shù)在海上作業(yè)時的主要誤差來源之一，也是難以消除的影響因素之一。通常情況下采用的解決方法是剔除衛(wèi)星高度角較小的衛(wèi)星或采用扼流圈天線進(jìn)行觀測。在海上測量過程中為了檢查是否存在多路徑效應(yīng)的影響，我們也可以在第一次定位測量結(jié)束后，快速重新初始化RTK，重新測量該點(diǎn)，以檢查2次測量成果是否存在粗差；在有條件情況下，也可以使用2套或多套RTK分別先后測量同一定位點(diǎn)互相檢查測量成果，成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才可以繼續(xù)進(jìn)行CORS-RTK測量，以排除多路徑效應(yīng)的影響[8]。

（3）觀測衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度的影響。在進(jìn)行RTK坐標(biāo)測量時，所接收的衛(wèi)星的多少，分布均勻情況，都會影響PDOP值的大小、RTK的測量精度和RTK初始化的時間。一般情況下，在接收衛(wèi)星數(shù)保持不少于6顆，且衛(wèi)星高度截止角不少于15°，PDOP值不大于6時才能進(jìn)行RTK測量。

（4）測量人員的責(zé)任心要強(qiáng)。測量人員的責(zé)任心、專業(yè)水平和測量經(jīng)驗(yàn)對RTK成果的精確性和可靠性有著重要的影響。測量作業(yè)時，接收機(jī)的對中、整平、天線高的量取；輸入控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及天線高等數(shù)據(jù)的任何差錯，都將影響RTK測量的全部坐標(biāo)成果。因此，要求測量人員測量時必須具有強(qiáng)烈的責(zé)任心，耐心、謹(jǐn)慎地按照規(guī)范操作。另外，對儀器觀測基座和測量對中桿上的水準(zhǔn)氣泡等必須定期嚴(yán)格校核，以避免設(shè)備系統(tǒng)誤差的影響。

（5）觀測成果必須要復(fù)核。CORS-RTK測量在快速、便捷、實(shí)時、長距離作業(yè)等多方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但其初始化的置信度通常為95%～99%，也就是說RTK的測量精度和可靠性存在不確定性。如果測量作業(yè)中缺乏必要的檢核條件，個別點(diǎn)成果可能會出現(xiàn)粗差。因此，為了保證CORS-RTK的測量精度和可靠性，測量時必須注重測量成果的復(fù)核。成果的復(fù)核分為測量前復(fù)核和測量中復(fù)核。測量前復(fù)核是指在RTK測量前，先在控制點(diǎn)上檢測，檢測坐標(biāo)與控制點(diǎn)成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才能繼續(xù)進(jìn)行CORSRTK測量；測量中復(fù)核一般是指在測量時采用不同起算點(diǎn)測定部分重合點(diǎn)，或在同一點(diǎn)上采用2次觀測法（失鎖或重啟）觀測，在有條件情況下，可以使用2套或多套RTK分別先后測量同一共同點(diǎn)互相檢查測量成果，成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求后，才可以繼續(xù)進(jìn)行CORS-RTK測量。

（6）成果檢查。為了檢查定位精度，我們對所有的定位孔位進(jìn)行了抽查。抽查時，我們在陸地首級控制點(diǎn)上架設(shè)2臺全站儀，利用方向交會測量法測定已經(jīng)通過CORS-RTK布設(shè)好的鉆孔位置坐標(biāo)和高程，并將方向交會測量法測定成果和CORS-RTK測定成果對比。抽查過程中，共隨機(jī)抽取48個孔位中的8個孔位用來測量檢查，最終比對結(jié)果見表1。

從2種測量方法得到結(jié)果來看，2種測量結(jié)果存在一些的差值，但差值不大，完全符合該項(xiàng)目勘查施工的精度要求。

表1　定位結(jié)果對比表

4　結(jié)束語

CORS-RTK定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，CORSRTK定位技術(shù)在海上鉆探孔位定位方面有很好的應(yīng)用前景，通過本次海上勘探工程驗(yàn)證了CORS-RTK定位技術(shù)在近海海上實(shí)時定位精度高、數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠、海上作業(yè)距離長等優(yōu)點(diǎn)。但同時也發(fā)現(xiàn)了CORSRTK定位技術(shù)在近海鉆探孔位定位時的一些不足之處，如：CORS-RTK作業(yè)距離受網(wǎng)絡(luò)信號的影響檢核條件少、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)對定位精度的影響、大面積海水面多路徑效應(yīng)對定位精度的影響、海風(fēng)及海流導(dǎo)致施工船體晃動對定位精度的影響等。面對這些問題，我們采取了一些辦法以求提高定位精度，但在將來的海上勘探工程中還需要進(jìn)一步的研究。

[1] 姚連璧,劉春.打樁定位系統(tǒng)中設(shè)備船固坐標(biāo)的測定和計(jì)算方法[J].工程勘察,2004（5）:53-54.

[2] 周瑞祥.GPS-RTK技術(shù)在東海大橋樁基施T中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2004（1）：59-62.

[3]姚志國,常明月.淺析海上定位鉆探方法[J].中國房地產(chǎn)業(yè), 2011（10）:298-299.

[4]張海平.SDCORS系統(tǒng)測試與技術(shù)性能分析[J].全球定位系統(tǒng),2013（3）:61-64.

[5]GBT18341-2001地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范[S].

[6]CJJT 73-2010衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范[S].

[7]CH/T2009—2010全球定位系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范[S].

[8]潘寶玉,李宏偉.RTK技術(shù)的特點(diǎn)及提高成果精度的技術(shù)關(guān)鍵[J].測繪工程,2003,12（4）:46-49.

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A

1004-5716（2016）11-0083-04

2016-01-10

孔玉柱（1980-），男（漢族），山東梁山人，高級工程師，現(xiàn)從事地理信息和地質(zhì)測繪工作。