全站儀聯合RTK解決礦山測量精度的方案探析

何 遠

(海南省地質調查院,海南 海口 570206）

在測量技術能力日益增強的今天，各類新裝置、新工具、新方法、新模式的不斷產生，而過去的傳統測圖模式也將隨著新型的測量的科技的發展，而逐步地被它所代替。而數字化測量地形圖，是指近幾年來伴隨著計算機、土地測量、大數據測量地圖應用技術等的發展與應用，而快速成長起來的新興事物。主要應用于城市國土測量管理的領域，也包括了城市規劃建設的策劃、建設、土地利用開發和城市規劃管理等領域。數字化測圖是一個全面解析的機助測圖的方法，和以往的測圖方法比較具有明顯的優越性和發展前景可尋。是未來一段時間內測量科技發展的重點領域之一。數字化測圖方法會慢慢地代替以往的測圖方法，并成為地形圖或地籍圖測量的首選。而目前，在數字化野外如下地圖數據采集裝置中所使用到的主要儀器設備，就是GPS-RTK和全站儀兩種儀器。

在GPS系統不斷完善的今天，其準確度已基本獲得了提高，并可以解決人類在普通測定期間的很多問題，尤其是在開闊地區，人類更可以通過RTK系統進行全面數字野外地理信息的收集。而對于林木資料相對集中的區域，人們又需要借助于使用RTK和電子全站儀的測量，分別實現了對地形圖根點和碎部點的管理。也就是由于這樣，人類才開始把二者結合到了一起，并由此共同完成了對野外地質資料的收集，進而又通過CASS10.0程序實現了數字化管理，并最終證明了這些方法的具有可行性。

GPS-RTK與全站儀聯合作業充分體現了現代測量產品設計理念——協同作業。在數字測繪項目中，用戶在組織施工時，有很大的自由空間，可以是動態，也可以是靜態；可以是GPS，也可以是全站儀。RTK和全站儀測量方法各有優缺點。在進行全站儀測量之前，有必要通過設置特定的定位位置，考慮點與站之間的相互通視，考慮測量站是否方便。在住宅小區測量房屋碎步點時，RTK很難通過微弱信號獲得固定解，觀測精度也得不到保證。如果被茂密的樹木和高樓大廈阻擋，電磁輻射會受到附近建筑物的強烈影響，因此通常很難接收到探測衛星數據和地圖所需的無線電信號。數據的準確性也會大大降低。如果選擇電子全站儀進行測繪，則必須建立地圖路線控制網絡。它不可避免地消耗了許多人力和財力資源。由于衛星的截止高度一般超過10度至15度，因此可以減少一些人力資源和資源的消耗，并完成24小時的測量操作，但如果中間出現阻礙物，衛星、無線電和電子測量信息無法正常接收，使測量工作受到很大影響。二者在測量原理上是完全基于不同的測量原理。但如果這時，讓兩者相互協助，共同完成任務會起到相輔相成的作用，以上問題全部能夠解決。如上所述，在實際運營階段，RTK測圖可以通過RTK準確掌握圖根點三維坐標，并可以在主要用于相對開辟地區和坍塌階段的住宅道路上用電子全站儀進行測量。這樣可以節省測量時間，大大提高操作效率。RTK測量與全站儀相結合是數字地形圖測量的主要方向。與傳統先布設首級控制相比，導線測量和地圖根布設相比更加快、更有效。通過RTK放置地形圖根點時，點位置誤差不會累積和擴散，減少了人為誤差。

1 全站儀數字化測圖與RTK測量技術

1.1 全站儀數字化測圖

傳統測量方法主要是根據山川地形、精度數據等通過手繪制圖，從嚴謹含義上說，傳統手繪制圖精度很低，且制圖階段持續時間過長，對山川地形的描述并不清晰度。但通過現代數字化技術手段開展的大量測圖工作后，其測繪的準確性、山川地形的清晰度以及制圖時限等均得到了大幅改善。其基本制圖流程是先借助全站儀和GPS接收儀等地面裝置的基本設備，然后再根據設備上所收集到的信息點，再利用計算機圖形處理技術制作地形圖。數字化測圖與數字化測繪技術的最大優點在于，能迅速有效地開展地質調查，而且有著很大的開發前景與應用前景，是測量科技方面的新興技術。

現代數字化測量技術一改了傳統測圖的方法，并大量運用了現代科技手段，既減少了傳統測圖員的實地定距技術時間，也大大提高了專業人員的工作效率。數字化測圖的流程，必須嚴格遵循專業參數，并使用GPS全球定位系統儀器，對地形地貌以及有關的地理參數進行詳細測定，以實現自動化、高技術含量、精細化的測定水平，并促進了我國大比例地形圖測圖技術的革新和躍進。

全站儀測圖科技是現代工程數字化科學技術的一部分，在勘測的流程中，可以利用測定所需要測點與已知點間的距離和位置坐標，來得到需要測點的具體參數，進而進行布設控制點工作。在控制點的布設階段中，應注意保證二點之間的通視。而對于整個繪圖過程，電子全站儀測圖法的技術人員通常都會先通過草圖繪制法或者編碼制圖法來對所測數據進行制圖，之后再利用計算機的畫圖軟件進行數值變換，并以此實現了制圖全部流程。在所描繪的成圖中也已標明了地物標識符，并且具有線形地物連接或者面狀的地物閉合連接。整個制圖流程通常僅需2-3就能夠完成，大大減少了作業中科技人員的操作量，而且大大提高了制圖效果。

1.2 RTK測量技術

1.2.1 RTK簡介

RTK系統（RealTimeKinematic）即實時的動態測量控制系統，它本身也屬于一個綜合性控制系統，包括了計算機網絡、數字通訊、無線電等多項高新科技；作為GPS技術探索歷程中的一次革命性的突破，意義十分重大。其定位精度合理，能夠實現24h測量，所有點的誤差全部帶有隨機性，不會受其他誤差的影響。如合眾思壯G970II，外業工作非常輕松，一人便可以完成。而水平、垂直標稱精度則分別達到了（5mm+1ppm與10mm+1ppm）?？梢越鉀Q各類地形測量的需求，同時也能確保精度達到要求。

RTK是通過衛星傳輸的載波L1(1575.42MHZ)與L2(1227.60MHZ)，將載波相位測量確定成核心，借此進行實時差分測量。一般而言，包含了一個基準站和幾個流動站。前者的選擇并不受時間限制，經過測量后計算得出WGS-84坐標、明確的位置坐標系后，便可以設定位置并轉換為參數，然后再利用基準站、流動站分別測量臺站位置和實時坐標，最后利用這二臺站的基線向量設定流動站所在位置。而在接下來的測量，計算未知點的過程匯總能夠快速確定地方坐標系，上的具體坐標。而RTK裝置的差異決定了運算流程的區別，但原理是一致的。

1.2.2 RTK系統的組成

GPS-RTK系列主要包括三種核心結構，分別為基準站、大量流動站以及無線電通信系統。基準站管理系統主要包含有GPS接收機、GPS天線、基準站控制臺等基礎組件。而流動站則主要包含有GPS接收機、無線電通信接入管理系統等的基礎組件。

1.2.3 RTK的基本原理

RTK測量信息技術主要是通過差分信息技術對二個測站載波相位測量進行數據處理，從而產生相應的動態性。因此RTK測量信息技術有著突出的優勢。①將測量信息技術產生過程實時化，首先利用衛星信息進行統計對接，然后再利用三維坐標系傳輸數據參數，在現場上也就能進行各種數據的測量與校正，如圖1所述RTK測量信息技術的實測區域也正是衛星信息可能涵蓋的區域，并全天處于作業態勢。RTK測量技術的使用大大提高了測試的準確度，也降低了傳統測量技術人員的操作量，從而大大提高了測試效率：②測量技術大大優化了傳統測量技術人員的布設控制站點、通視設備等作業條件，對每一測量點的準確度、地點的布置、測試設備的質量等就有了明顯的改善，并且使傳統測量隊伍規模減至了3～5個人。人員較少、精度高、高效率，是RTK測量技術的最大優點。

圖1 RTK取點示意圖

1.2.4 RTK的局限性

RTK進行城市測量工作時，流動站與基準站兩者的間距通常與RTK裝置提出的限定值（通常是10千米）相差明顯。城市內通常只有500-3000M，而RIK的弊端會在此項測量直接顯現出來，比如：多路徑效應、電磁波影響等。上述弊端不利于城市測量工作順利進行，導致測量耗時過長，所得結果精度也無法得到保證。

1.3 RTK測量技術的應用

控制測量技術：在采礦測量中，因為傳統測量方法中所包含的測量范圍廣、控制點數量多、準確度要求高等，對于常規測量方法來說，是一個考驗。同時，常規測量技術還需要事先進行布置控制點，以保證在二點之間的通視效果方可進行測量，這樣就大大增加了的時間投入和工作量，同時所測量出的準確度也不高。在采用GPS技術進行采礦測量的過程中，雖然相比常規測量技術具有相當的優勢，可是在信號獲取上以及數據處理上還是耗費了大量的時間，并且也無法即時傳遞所確定的數量信號，并且如果發生了測量精度和需求上的偏差，也需要進行重復測量，這樣很大的耗費了資金。而RTK的工作方式相比于傳統測量技術和GPS測量，不管在測量的精度、數據處理的準確性，還是在作業質量、數據處理的真實性上都有著明顯的優勢。

道路中定線：RTK的測量技術也使用在市政建設，包括城市道路中的布設。RTK科技有著突出的優越性，只需把建設路線的位置數據、道路曲線的角度等主要測量數據注入到RTK測試儀中，就能夠進行擺樣作業。同時，RTK測量技術還具有自動校準功能，對已偏離方向的擺樣作出信號指示，從而使路中線定線的偏差減至最低。

土地測量：利用RTK測量技術，對土地利用的邊界作出精確測量，并實時地測量界址的坐標位置，進而測算出土地的利用面積。RTK測量技術的使用明確劃分了土壤的使用區域，從而提高土壤的測定速率和測量準確度。

其他行業測量：RTK的測量技術也已被運用在許多行業里，它們可以不需重新布設測量位置，就能夠對需測查點標的位置，然后再直接向制圖軟件上錄入相應信息，就能夠進行數字化的測圖。而RTK的方法還可以使用于水底勘測，人們通過自己的行業技術就能夠完成對水底的測量點進行自動選取，同時，根據水下獲取的三維位置的精確，將相關數據更加精確，然后利用計算機軟件進行制圖。

2 "RTK+全站儀在礦山土壤地表測圖上的操作過程

①確定相對位置：為能確立最精準的相對位置坐標，必須使用RTK測量技術確定接收信號的基準站。用迅速靜態相對位置形式進行測定，并通過雙頰的GPS信號向接收設備接收信號信息。然后再經過運算，得到準確的位置坐標。②測圖根點：工作人員要利用由RTK技術所傳送過來的位置信號，并使用GPS接收器對信號作出準確的運算，以確定RTK技術標準點，從而可以在一定測量范圍內測定最精確的地根位置。③測定碎部點：對于地質條件比較復雜的區域，可以首先利用電子全站儀技術進行測量，之后再使用后視定向法，并利用我國建筑工程質量監理檢測所的準確度進行檢測，當每個區域都滿足了測量所需要條件的基礎上，就可以進行碎部測量。在地勢比較平緩的地方，也可以利用RTK技術測定地圖根點。之后，再在此基礎上進行草圖制作工作。④數字化成圖：觀測地點技術人員，在接收到已經傳輸出去的正確的信息之后，可以根據有關部門技術人員要求對所獲得的信息進行正確的信息處理，又或者利用計算機技術，將數據信號轉換成繪圖軟件要求的形式，再按照在外部作業的有關人員所提出的草圖，作出進一步的調整，從而做出更加準確地制圖。

3 全站儀測量技術與RTK在礦山測量中的聯合應用

3.1 進行礦區數字化地形圖測量

在針對礦點測量的具體應用中，全站儀的測量技術和RTK分別所擔當的職能是信息的獲取和資料的存儲。由于RTK測量技術已被應用到礦山的地質數據和監測上，只需要二名專業技術人員就可以進行對礦點的地質位置的測定作業，同時將已標出的坐標位置資料與數據統計下來，從而對全部的數據都進行數字化處理，并通過如下的程序進行數據編輯和轉換后，獲得了具有高度可視化特點的位置圖。如對森林密布的礦點可最先利用RTK方法進行根點，之后再通過全站儀測方法進行測定范圍內的山勢、標志物等加以特點整點標記，尤其關注的是，對每個目標物的長寬屬性均要標記清晰，之后再采用RTK的測量技術對目標地段物加以參數選取，最后再把參數注入計算機的繪圖軟件中，并加以編輯轉換以得到所要位置圖。

3.2 進行勘探基線及基點布測

根據礦井地質構造、礦體形勢走向、礦內儲量的合理估計等要求，對采礦點實施了建筑基線勘察和建筑基礎布測工作。這也就要求專業技術人員實地開展勘察，并明確了礦場內起點與終點的具體方位坐標。如在礦井測量區通視情況較好的情況下，測量技術人員則將全站儀測量設置在起始位置上，并通過輸入所要勘察建筑基線的有關技術參數開展勘察，設定好所勘察建筑基線的具體方位，并通過對距離、基礎等開展布測，設定好各個點的具體位置。若在礦井測量區的通視情況不達標時，它運用RTK測量方法中的擺樣施工方法，精確測量出建筑督脈的位置以及建筑的具體位置，同時使用了明顯的標示物加以標注。

4 工程實例

4.1 工程概況

某資源枯竭類城市的礦山環境治理等重大工程多塊治理區域所處情況不同，有的地處構造剝蝕較低地區，受礦業活動環境影響較大，區域邊坡比較發育，采坑星羅棋布，垃圾礦渣任意堆積，自然地形景觀損毀較重，礦山地區基本無植物遮擋；有的在平原地帶，由于長期地下水開發導致的土地大量沉降、地裂紋等，導致了部分地區農田的保水保墑功能極度下降，以致部分地區無法種植糧食。在此項國家礦山環境綜合治理重點工程的勘測、設計階段和施工、驗收等測量階段中，重點考察的主要問題就有降低設計施工的強度等，使不同測量手段的優點綜合，以迅速有效地達到設計施工要求。

4.2 解決方案

網絡RTK系統因為高效率、高精度、操作簡便而備受使用者的歡迎，通過超站儀系統實現了高精度動態單點定向測圖，使測量工作從此可以脫離傳統測量控制點的約束，縮短測圖工作流程，也極大降低了測量作業勞動的強度。經過實地踏勘，調整作業思路，最后利用RTK、網絡RTK結合免棱鏡全站儀的作業方法進行外業測量作業。

（1）平原、丘陵、居民地等視野開闊的地區，可以直接利用RTK或網絡RTK進行全野外數字化地形圖數據采集，也可以使用RTK或網絡RTK快捷方便地做出圖根控制點再配合免棱鏡全站儀進行全野外數字化地形圖數據采集。

（2）在鄉鎮、鄉村等房屋密集區域，先通過RTK或者網絡RTK快速做出地圖根控制點，然后再通過全站儀草圖法和編碼法，實現全野外的數字化位置地圖信息收集。

（3）植被稀疏的山區，僅使用RTK或網絡RTK做出圖根控制點，再使用免棱鏡全站儀進行地物、地貌點數據采集。這種方法能達到超站儀、三維激光掃描儀的作業效果。

（4）在植被較密集的山地，直接利用RTK技術進行資料收集時，地裂縫、崩塌等地形問題均可直接觀測量。該作業方式不但具備航空攝影快捷、有效、簡單的優勢，而且也解決了航空攝影在地面不能辨識的弊端。

該模式可以做到優勢互補，是今后測量工作的發展趨勢。

5 結語

全站儀在利用RTK技術對礦山周邊環境進行監控應用過程中，2種技術手段所展開的互補應用不僅解決了各自在技術應用中的缺陷，還極大地提高了監控的工作能力，從而合理減輕了監控中工作人員的壓力。同時，利用數字化技術完成測量制圖過程，極大地提高了測量的精確度，拓展了應用領域。

利用上述的工程案例，可看出（免棱鏡）全站儀結合（網絡）RTK測量的作業方式，具備了如下優勢：同時具備超站儀與三維激光掃描儀的作業效果；RTK技術具備了較高的定位精度，極大地提高了測量的效率；實現了無線基站、高精度、全動態的GPS單點定位；在山區根據地質狀況則作用距離更近，隨著移動通信技術、衛星差分、網絡RTK等新技術在測量工作中的廣泛應用，RTK技術將具有更廣闊的前景；RTK和全站儀分開使用，作業方法更具靈活性。但在實際作業過程中應注意如下問題：由于網絡RTK控制系統需要結合網絡技術，因此相對而言易出錯，作業過程中也需要做好質量管理，以保證RTK的作業控制系統正常運行后再開展下一次的管理工作；使用一定點位進行重新檢查，為保證結果的真實性，在測量時間開始、衛星失鎖、通訊暫停、測量終止等時間應進行檢查和考核。