GPS-RTK在寧化城南礦區稀土礦中的應用

沈志健

（福建省閩西地質大隊，福建 三明 365001）

GPS是由美國國防部于1973年開始歷經20年研制成功并投入使用的衛星導航定位系統，坐標系采用WGS-84世界大地坐標系，該坐標系原點是地球的質心，基本參數為：長半軸a=6378137m，地球扁率α=0.00335281066474[1]。目前，GPS作為新一代的衛星導航定位系統已在軍事、交通運輸、測繪、高精度時間比對及資源調查等領域中得到了廣泛的應用[2]。RTK，即全球定位系統實時動態測量，是采用電臺、GPRS、CDMA等無線通信方式由基準站向流動站用戶發播差分改正數，流動站采集衛星觀測數據并通過數據鏈接收來自基準站的數據，在系統內組成差分觀測值進行實時處理，通過坐標轉換方法將觀測得到的地心坐標轉換為指定坐標系的平面坐標，其平面測量具有高精度及測點間相互獨立等特點。

寧化城南礦區稀土礦經過近二年的地質勘查工作，取得了可喜的找礦成果。期間，礦區測繪人員開展了大量的地表測繪，筆者試圖通過介紹該礦區的測繪工作，特別是GPSRTK在該礦區的應用背景，旨在引起地質測繪工作者的注意并探討應用時可能出現的技術問題，為地質工作的開展提供更可靠的技術保障。

1 概況

城南礦區位于寧化縣城東側，行政區劃隸屬于寧化縣翠江鎮、城郊鄉、城南鄉管轄，東至大源，西至周家排，南至李下窠，北至李北坑，面積約24.21km2。礦區地處寧化盆地邊緣，屬低山丘陵地貌；山體低矮，連綿不斷，山包渾圓，山坡平緩。區內公路四通八達，三明—寧化—建寧公路從詳查區北部、南部通過，三明—江西省石城縣公路從西部通過，北部正在興建泉（州）南（寧）高速公路G72永寧段，交通十分便利。

完成的礦區測繪工作量為E級GPS控制測量11座、1537個取樣鉆孔定位測量。礦區平面坐標采用1980西安坐標系，高程控制采用1985國家高程基準。作業依據《地質礦產勘查測量規范》（GB/18341-2001），以下簡稱《規范》、《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范》（CH/T2009-2010），以下簡稱《RTK規范》。國家一等三角點“黃家山”及三等三角點“老虎窠屋背山”，該成果屬1980西安坐標系，1985國家高程基準，中央子午線為117°，3°分帶高斯正形投影平面直角坐標。上述點位保存完好，作為礦區測量的平面和高程起算依據。

2 E級GPS控制測量

2.1 外業布網

E級GPS控制測量采用GPS靜態定位方法，按邊連接方式進行聯測。點編號為GPS1,GPS2…，共布設11個E級GPS點。礦區E級控制點分布如圖1。

外業采用經檢定合格并在檢定有效期內的3臺HD-V8中海達雙頻接收機（靜態平面精度2.5mm+1ppmD，高程精度5mm+2ppmD，D為基線長度）同步觀測同組衛星。同組有效觀測衛星數均6顆以上，幾何強度因子PDOP小于6，衛星地平高度角大于15°，每個觀測時段長度為60分鐘。每時段觀測前后各量取天線高一次，讀取至1mm，兩次量高之差不大于3mm，取平均值作為最后天線高。量取天線高為斜高，由軟件自動改平。

圖1 寧化城南礦區E級GPS控制點分布圖

2.2 內業處理

內業基線處理及網平差計算均采用隨機處理軟件HDS2003進行，由軟件自動讀取外業觀測數據并自動組網。控制網總基線數36條，參與平差基線36條，基線剔除率0，小于20%。按觀測時段組合有同步環12個，異步環19個，重復基線7條。

經軟件基線向量解算，所有基線均為雙差固定解并參與控制網平差；控制網重復基線較差最大1.9mm，限差14.0mm；同步環最弱相對誤差1.24ppm,限差10.0ppm；環閉合差最大5.7mm，限差38.0mm；異步環最弱相對誤差3.43ppm,限差35.0ppm；環閉合差最大24.7mm，限差50.0mm，閉合環各項檢核限差及全長相對閉合差均符合《規范》要求。

在控制網基線處理合格基礎上進行E級網的無約束平差，無約束平差由軟件自動進行，控制網的方差分量因子估值σ2一次性通過檢驗；以兩個國家等級三角點“黃家山”及“老虎窠屋背山”為固定點進行控制網的二維約束平差并進行高程高程擬合。

控制網三維無約束平差精度：最弱點點位中誤差7.5mm(GPS5)；最大距離相對中誤差1:106484；控制網二維約束平差的精度：最弱點點位中誤差4.1mm(GPS5)；最大距離相對中誤差1:225850；高程擬合：最大高程擬合改正數為3.28cm。

按《規范》規定，最大距離相對中誤差應小于1/20000，ms即最弱點相對于起算點的點位中誤差應小于10.0cm，從上述中可知控制網精度符合《規范》限差要求。

3 工程點定位測量

礦區共布設了1537個鉆孔，孔深一般在30m內，孔徑10cm，鉆孔完工后需定測其孔口平面坐標及高程，為后續的地質圖件編制及儲量計算提供基礎數據。由于該礦區鉆孔數量較多，工期時間緊，若采用常規測量方法或GPS靜態定位方法測量，顯然要花費大量時間，效率低下。為此，結合礦區的地形植被，決定鉆孔的定測采用RTK進行。根據《規范》要求，鉆孔定測的平面位置中誤差及高程中誤差分別為圖上0.15mm及1/8等高距，礦區的實際用圖（地形圖）比例尺為1:5000，無疑該精度限差對一個孔徑只有10cm的鉆孔是不適宜的。經過大量試驗統計，RTK測量的平面點位中誤差優于±3cm[3]。

因此，把礦區的鉆孔定測精度要求提高到1:2000比例尺地形圖的要求是適宜的，即平面位置中誤差及高程中誤差分別為30cm、25cm。

選用單基準站架設天線，并用電臺無線通信方式由基準站向流動站發播差分改正數。電臺采用UHF頻段，UHF具有可靠、穩定和抗干擾能力強的優點，但它的直達波很難穿透高山、樓房[4]。

3.1 外業觀測

（1）由于礦區已經布設E級GPS網，根據E級網平差后的各GPS點的地心坐標及對應的參心坐標即80坐標即可求出礦區的坐標系統轉換參數。選擇分布均勻并能控制礦區全域的6個E級點參與坐標轉換4參數（即X、Y平移、旋轉、比例縮放）及高程曲面擬合計算，轉換參數由RTK數據采集存儲手簿的內置軟件計算，平面坐標轉換殘差小于2cm，高程轉換殘差小于5cm，符合《RTK規范》要求。為了驗證轉換參數的正確性，流動站選擇在未參與參數計算7個E級點進行觀測，測得平面坐標及高程與原數據進行比較，平面坐標較差均小于3cm，高程較差均小于5cm，符合《RTK規范》要求，證明礦區坐標轉換參數是正確的。

（2）依然采用中海達HD-V8雙頻接收機（動態平面精度10mm+1ppmD，高程精度20mm+1ppmD）進行RTK測量，其中一臺做基準站，另外2臺做流動站。每次作業前都均檢查一個以上的已知控制點，檢查結果平面坐標較差≤3cm，高程較差≤4cm。在基準站上的儀器架設嚴格對中、整平，精確量取GPS接收機天線高，量取兩次，互差小于3mm后，記錄均值，待基準站開始正常發射信息號，流動站在各鉆孔上接收衛星數據及來自基準站的差分數據。流動站在開闊地采用帶圓氣泡的2米對中桿作業，接收機天線姿態保持垂直（對中桿放穩、放直，圓氣泡居中）；遮擋物較多時采用帶圓氣泡的5米對中桿作業。流動站定測鉆孔的地表中心位置。數據采集手簿設置平面收斂精度為2cm，高程收斂精度為3cm。RTK測量時觀測次數為2次，每次觀測歷元數為10個；在固定解下2次觀測值較差平面及高程均分別小于2cm、5cm，取2次觀測結果中數作為最后結果。

3.2 數據整理

每天外業觀測結束及時把RTK存儲手簿中的原始觀測數據導入電腦，數據格式為xls，數據記錄項目有流動站（鉆孔）的點號、天線高、觀測時間、解的類型、PDOP值、數據采集時的衛星數、平面及高程收斂精度、地心坐標、平面坐標和高程成果。該數據作為原始觀測記錄存檔保存，不得進行人工剔除、修改，以待檢查及驗收。由于RTK作業時高度自動化，遇到的技術問題在外業階段就已解決，內業基本上不需要人工數據處理。礦區測量外業全部結束后把所有觀測數據匯總，編排后提交給地質項目。

經過對外業觀測數據統計分析，鉆孔定測平面點位中誤差均小于10cm，高程中誤差均小于15cm，符合《規范》要求。

4 存在問題及解決

利用GPS靜態定位方法進行礦區首級控制網布設時，只要嚴格按照規范進行，點位選擇合理，觀測時段長度足夠，內業基線處理及控制網平差均較容易通過。

該礦區RTK測量時，流動站初始化后，一般很快就能得到固定解，但是仍然遇到多個流動站長時間無法得到固定解，即便得到固定解2次觀測值較差多在數十厘米，坐標及高程成果相互間跳動大、不穩定，觀測結果顯然是不可靠的，也是不符合規范要求的。通過實地觀察和分析，基本可以找出原因：在開闊地帶測量無法得到固定解的，往往是周圍有強干擾，導致流動站頻繁失鎖甚至掉線；再有就是點位附近植被茂密遮擋，影響了信號傳播與接收。遇到此類問題，解決辦法是重新啟動3次接收機，觀察是否固定解，若固定且測量較差合乎要求則成果可靠；反之，則表明此處不適合RTK測量，可在其他位置用RTK測量布設一對圖根控制點，再用全站儀極坐標法測量孔位。當全站儀一站無法測量孔位時，可布設不超過3條邊的支導線，導線測量時水平角及距離應觀測2測回，支導線的起算點間距離宜不小于1 0 0 m。

此外，考慮到R T K測量時每個測點是獨立的，點之間沒有直接關系，無法發現因意外產生的粗差，因此，各項儀器設置正確、準確量取接收機天線高、跟蹤桿在測點上立準立穩、測量過程中時時檢核已知點坐標及高程尤為重要。需要特別指出的是，采用單基準站進行R T K測量時，其測量精度是受基準站與流動站（待測點）間距離制約的，距離越長，可靠性會越差，特別是高程精度。因此，需嚴格按規范要求的距離作業。當然，測繪人員的實踐經驗及工作責任心也是獲得可靠數據的必要條件。

5 結語

GPS-RTK技術較傳統經典測量手段相比有了質的飛躍，在地質勘查測量中使用GPS-RTK技術必將提高工作效率及測量精度。在RTK測量過程中，測繪人員應避免有得到RTK固定解就是得到最終成果的錯誤思想，而應細心觀察，多檢核，多比較，只有這樣方能獲得精度高可靠性強且符合規范要求的測量成果。