GNSS 在礦山地形圖測繪中的應用

李敬平，陳軍強

（甘肅省核地質二一三大隊，甘肅天水 741020）

1 概述

GNSS 定位技術在測繪地理信息行業的應用較為廣泛。隨著現代通信技術的快速發展和GNSS 定位技術的不斷進步，GNSS 技術的應用也越來越成熟。而GNSS 作業數據的可靠性時會受到主觀、客觀因素的影響，探討GNSS 的應用特點、分析作業影響因素，對提高精度和可靠性具有重要意義。本文GNSS 地形測繪作業，以隴南某礦區的應用為例，介紹GNSS 不同作業模式的原理、方法以及注意事項。

1.1 GNSS 系統的概念

GNSS 的全稱是全球導航衛星系統，它是泛指所有的衛星導航系統，是一個多系統、多層面、多模式的復雜組合系統，包括全球的、區域的和增強的多種系統。它具有導航、定位和定時功能，能夠提供精密的三維坐標、速度和時間。其中我們所熟知的全球衛星定位系統(GPS)，是由美國建立的目前最為成熟的全球導航衛星系統；格洛納斯衛星導航系統（Glonass）是由俄羅斯建立的服務全球的導航衛星系統；伽利略衛星導航系統（Galileo）是由歐盟主導的全球衛星導航系統；我國的北斗衛星導航系統（BDS）發展迅速，也在逐漸發揮重要作用。還包括WAAS 廣域增強系統（美國）、EGNOS 歐洲靜地導航重疊系統（歐洲）等相應的增強系統。

1.2 GNSS 系統的特點及應用

GNSS 系統是GNSS 導航定位具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點。GNSS 衛星定位技術應用廣泛，常用于建立高精度的全國性的大地測量控制網；用于建立陸地海洋大地測量基準；用于檢測地球而板塊運動狀態和地殼形變；用于工程測量的控制網和碎部測量；用于測繪航空攝影等。

1.3 GNSS 技術的發展方向

連續運行衛星定位服務系統（CORS 系統）是現代GNSS 的重要發展方向。CORS 系統利用一個或若干個固定的、連續運行的GNSS 參考站，通過網絡通信將觀測值、各種改正數、狀態信息等傳輸給用戶。CORS 技術的使用，極大的提高了GNSS 作業的效率，無需架設自己的基準站，不受作業距離限制，在CORS 系統信號覆蓋區域，幾十千米范圍內的平面測量誤差達到厘米級；CORS 技術增強了觀測數據的可靠性，消除了傳統測量逐級產生的累計誤差。目前，我國的很多省市都建立了CORS 系統，有些地方的CORS 系統能夠覆蓋大多數的野外工作區域。

2 地形測繪概況

測區為礦區高山地形，高差超過200m，植被發育較好，測量時間選擇在初春，以減少植被對衛星信號的影響。作業區無移動網絡，采用靜態測量布設一級控制點，采用RTK 測量模式加密布設二級控制點，采用RTK 測量模式進行碎部測量。主要流程如圖1 所示。

圖1 GNSS 地形圖測繪主要流程圖

本次作業收集到測區附近GNSS E 級控制點3 個，作為一級控制網的起算數據；收集到測區1:5萬地形圖，作為本次工作的參考用圖。經現場檢查，已有控制點保存完好，坐標誤差在允許范圍值以內。控制點分布如圖2 所示。

圖2 測區已有控制點及一級控制點分布圖

3 靜態控制測量

GNSS 靜態測量，在觀測數據時接收機的位置不發生變化，并有多個接收機在不同的測站上相對靜止同步觀測，組成同步觀測環。如圖3 所示，每臺接收機至少接收4 顆以上衛星信號，通常由3 臺以上接收機同步觀測。

圖3 GNSS 靜態測量原理

測區附近已有GNSS E 級控制點3 個，分別位于測區北部、南部附近,基本能夠覆蓋測區范圍。為滿足1∶2000 地形測圖要求,圖根點數量大于4 個/km2，在測區做靜態測量，在約1km2的測區布設了埋石圖根點Q01、Q02、Q03、Q04，混凝土澆筑金屬測量標志。

控制網采用邊連式布網，按照選點與埋石、接收機的檢查、觀測方案設計、數據采集、數據質量檢核的順序作業。GNSS E 級技術要求依據表1，觀測條件滿足表2。

表1 GNSS E 級網的主要技術要求

表2 GNSS E 級網作業標準

4 RTK 控制測量

實時動態測量技術(RTK 測量技術)，是以載波相位觀測量為依據的實時差分GNSS 技術。它由3個部分組成:(1)基準站;(2)流動站;(3)數據鏈。基準站由一部GNSS 接收機組成；流動站由多部GNSS 接收機組成；數據鏈是由基準站的發射電臺與流動站的接收電臺傳送。RTK 工作原理參如圖4 所示。

圖4 RTK 測量原理

測區山體高大，為便于RTK 碎部測量工作的開展，以及方便坐標校正與檢核，以一級控制點為起算點，再布設K 二級控制點10 個，點位釘木樁、中心釘鋼釘。

本次采用自設基站RTK 模式，按照選點與埋石、設備檢查、基準站架設、流動站設置、坐標轉換、數據采集、數據質量檢核的順序作業。在RTK 測量過程中，測量中的衛星狀態應達到表3 要求，測量的技術指標應達到表4 要求。流動站接收機使用三腳架架設，觀測歷元30 個，測量3 次，各次測量的平面坐標較差小于4cm，高程較差小于4cm，計算平均值。

表3 RTK 測量衛星狀態的基本要求

表4 RTK 二級控制點技術指標

5 RTK 碎部測量

RTK 碎部測量的作業流程與RTK 控制測量相同，區別在于流動站使用對中桿對中，坐標轉換可以采用現場點校正，采集數據的精度按照相應比例尺要求進行調整。通常情況下，平面坐標轉換參差不得大于圖上0.1mm，高程擬合殘差不得大于1/10基本等高距，觀測中以固定解為標準，觀測時間大于5S，當連續采集一組地形碎部點50 個，對設備進行一次初始化，同時進行重合點檢查。測區主要地物為山谷、采石場、道路、河流、簡單房屋等，在測量過程中通過編碼記錄地物類型。

6 影響因素分析

影響GNSS 數據成果的因素一般有三個方面：外業觀測條件、人為因素、儀器自身特點。

6.1 觀測條件

控制點的選擇要避免無線電干擾和多路徑效應。GNSS 數據鏈傳輸容易被高大物體和高頻信號源干擾。控制點應選擇在地勢開闊，確保附近無線電、大面積水域，并將天線高度升高。測區共有3 條山谷，RTK 模式選擇了架設基站點3 處，保證了測區全范圍的RTK 數據鏈傳輸信號良好。有些影響因素不能避免時，加長儀器的觀測時間，能夠有效降低數據的誤差。

6.2 人為因素

1）人員對設備的操作。對中整平誤差直接影響獲取數據的精度，天線高的量取誤差也是影響高程的因素之一，靜態測量模式應從3 個方向量取采用平均值，RTK 模式應準確量取基準站、移動站的天線高，不同設備應根據使用說明量取正確的天線高，區分桿高、斜高、直高等高度。

2）控制點的布設與選擇。靜態測量控制點的布設，要根據作業要求，選擇合適的測量模式和布網形狀，已知點選擇較高精度的。RTK 控制點要盡可能布置在制高點上，觀測距離不應超出設備有效作業距離。在條件較差的地方增加一些多余控制點。

6.3 儀器因素

儀器設備的初始化能力。在地形復雜、遮擋較為嚴重的區域作業時，容易發生失鎖現象，對測量的精度和效率都有影響，一方面應在作業時經常重新初始化;另一方面優先選擇初始化能力強和所需時間短的GNSS 設備。

7 體會和建議

7.1 GNSS 的優點

GNSS 技術定位精度較高、數據安全可靠，測點間相互獨立，不存在累計誤差。GNSS 技術與全站儀相比，受地形、氣候、季節、植被覆蓋等自然條件影響較小，測站之間無需通視，選點靈活，大大減少了搬站次數。與航空攝影相比，受天氣因素干擾小，不受禁飛區限制。GNSS 的測量模式豐富，靜態測量模式可以滿足各種等級的控制測量精度要求，RTK 測量模式可用于低等級的控制網測量及碎部測量。

7.2 GNSS 的不足

GNSS 設備易受到障礙物高頻信號源的干擾，在高大地物附近進行獲取固定解花費時間長，觀測精度較低，甚至無法獲取有效數據。自設基站RTK模式作業時，地勢變化大或障礙物較多的區域，基準站需架設在地勢較高的地方，設備的搬運有一定的困難。

7.3 注意點

作業人員應掌握儀器設備性能和使用規律，操作過程中應避免人為誤差，以保證測量數據的可靠性，階段性的作業應將儀器進行總復位，使儀器工作狀態最佳。養成良好作業習慣，避免基礎知識準備不充足和測量中的大意造成的粗差，規避不利自然條件的影響。

按規范設計觀測網，以保證觀測衛星的圖形強度和數據鏈傳輸。在計算坐標轉換參數時，使用精度高、分布均勻的已知點，控制點對作業區域盡可能形成包圍圈。嚴格質量檢查程序，作業過程中要進行已知點檢測，觀測成果要進行復核。