GPS測(cè)繪技術(shù)及其在礦山地質(zhì)測(cè)繪中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng)，孫 瑋

（1.甘肅省自然資源行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省隴南市西和縣中寶礦業(yè)有限公司，甘肅 隴南 742100）

1 GPS測(cè)繪技術(shù)分類

在不同場(chǎng)景的測(cè)繪技術(shù)中，GPS測(cè)繪技術(shù)有靜態(tài)測(cè)繪、快速靜態(tài)測(cè)繪、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪四種類型。

1.1 靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)

靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)的主要流程為：測(cè)繪人員準(zhǔn)備采用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)GPS接收機(jī)，同時(shí)分布在一條或數(shù)條基線的兩端。做好布局工作后，通過(guò)同步觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星的方式，以每時(shí)段為單位，基于基線長(zhǎng)度和測(cè)繪等級(jí)的分類標(biāo)準(zhǔn)，將衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)間定在45分鐘以上的測(cè)繪技術(shù)[1]。通常情況下，靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景為：全國(guó)性、國(guó)家級(jí)的大地控制網(wǎng)、長(zhǎng)距離檢測(cè)校正基線等大型的測(cè)繪場(chǎng)景中。靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)具有非常明顯的相對(duì)定位精度優(yōu)勢(shì)。

1.2 快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)

快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景為：工程測(cè)繪、地籍測(cè)繪等測(cè)繪活動(dòng)。主要工作流程為：測(cè)繪人員在測(cè)繪場(chǎng)景地區(qū)內(nèi)，選擇一個(gè)測(cè)繪站點(diǎn)，并安裝GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站。做好基準(zhǔn)站準(zhǔn)備工作后，通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的捕捉，建立起與衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤聯(lián)系，同時(shí)保證在觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)最少5顆可觀測(cè)衛(wèi)星的基本要求，進(jìn)而利用移動(dòng)站接收機(jī)逐步轉(zhuǎn)移到待測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)中，進(jìn)而在測(cè)繪站點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)觀測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為幾分鐘，同時(shí)，保證基準(zhǔn)點(diǎn)和移動(dòng)測(cè)繪流動(dòng)點(diǎn)二者的距離在20km以內(nèi)，從而保證可觀測(cè)范圍以及觀測(cè)的精準(zhǔn)度[2]。

1.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)主要有兩種不同的類型。第一種的測(cè)繪流程與快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)有一定類似的地方，二者皆是將一臺(tái)GPS接收機(jī)安裝在已有的測(cè)繪站點(diǎn)上用作基準(zhǔn)站，并與區(qū)域內(nèi)所有可見(jiàn)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤的基本操作。同時(shí)，移動(dòng)的GPS接收機(jī)相繼進(jìn)入到觀測(cè)范圍的待測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)，并各自展開(kāi)幾個(gè)歷元數(shù)據(jù)的觀測(cè)活動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，區(qū)別于快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)的主要點(diǎn)在于：快速靜態(tài)測(cè)繪每個(gè)待測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為幾分鐘；準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)每個(gè)待測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為幾個(gè)歷元數(shù)據(jù)，時(shí)間計(jì)量單位的不同，體現(xiàn)了二者在實(shí)際應(yīng)用中的巨大差異。同時(shí)，在具體的測(cè)繪過(guò)程中，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的移動(dòng)站在處于不同待測(cè)測(cè)繪站點(diǎn)的遷移過(guò)程中需要保證“不失鎖”的狀態(tài)，同時(shí)，還需要在已有測(cè)繪站點(diǎn)安裝前進(jìn)行初始化操作。通常情況下，其應(yīng)用場(chǎng)景為：線路測(cè)繪、剖面測(cè)繪、工程定位等多方面。此外，在觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量、流動(dòng)點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)方面，與快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)保持一致。

第二種的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)為連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)。其基本操作流程為：在基準(zhǔn)點(diǎn)上，安裝移動(dòng)接收機(jī)，進(jìn)而跟蹤區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)衛(wèi)星；流動(dòng)性的GPS接收機(jī)進(jìn)行初始化操作——連續(xù)運(yùn)動(dòng)——記錄數(shù)據(jù)。在具體的操作過(guò)程中，流動(dòng)性的GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)記錄是自動(dòng)且有著明確的時(shí)間間隔，其主要用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡的精確測(cè)量[3]。

1.4 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)

相比于數(shù)據(jù)采集——軟件處理——測(cè)量結(jié)果獲取的靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)、快速靜態(tài)測(cè)繪技術(shù)以及準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的特點(diǎn)在于“實(shí)時(shí)”，也就是指在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，測(cè)繪人員就可以通過(guò)相關(guān)的工具得到實(shí)時(shí)測(cè)繪的結(jié)果，而且，測(cè)繪結(jié)果的精度比較高。在具體操作過(guò)程中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的操作流程為：根據(jù)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的已知測(cè)站，進(jìn)行GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈的安裝作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，在測(cè)繪區(qū)域內(nèi)捕捉衛(wèi)星信號(hào)，并建立連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的聯(lián)系。基于所跟蹤捕捉的數(shù)據(jù)，利用“數(shù)據(jù)鏈”的媒介實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的傳輸和發(fā)送作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，從而根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算出移動(dòng)測(cè)繪站站點(diǎn)的精度位置。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)時(shí)差分測(cè)量和實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量是常用的兩種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的具體類型。

2 GPS測(cè)繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

2.1 全面覆蓋，提高測(cè)繪作業(yè)效率

一方面，鑒于GPS技術(shù)的發(fā)展，其所依賴的“衛(wèi)星”的數(shù)量較多，而且，衛(wèi)星在各個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布相對(duì)均勻，實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)地面的全覆蓋。基于衛(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)的研究可知，當(dāng)前階段全球?qū)崿F(xiàn)了每個(gè)地方的用戶在所有的時(shí)間內(nèi)，都能夠同時(shí)觀測(cè)到4個(gè)及以上的衛(wèi)星。而且，4顆及以上衛(wèi)星的同時(shí)觀測(cè)不受時(shí)間、地點(diǎn)以及天氣變化的影響，從而保證了GPS測(cè)繪技術(shù)使用的穩(wěn)定性[4]。基于GPS測(cè)繪技術(shù)的衛(wèi)星測(cè)繪的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，在礦山地質(zhì)測(cè)繪工作中，GPS測(cè)繪技術(shù)，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，基于測(cè)繪基站的使用，能夠保證整個(gè)礦山區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)衛(wèi)星觀測(cè)的全面覆蓋，能夠有效解決控制點(diǎn)、連續(xù)轉(zhuǎn)點(diǎn)所帶來(lái)的測(cè)繪作業(yè)速度慢的問(wèn)題，進(jìn)而推動(dòng)了整個(gè)礦山區(qū)域內(nèi)地質(zhì)測(cè)繪工作速度、強(qiáng)度以及效率方面的良好轉(zhuǎn)變。

另一方面，GPS測(cè)繪技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中有著顯著的定位精準(zhǔn)度高的特征，能夠大幅度的精確定位、減少誤差。基于紅外儀的精度數(shù)值分析可知，其是5mm+5ppm。而GPS測(cè)繪技術(shù)的精度與后者具有一致性、相當(dāng)性。而且，相對(duì)于紅外儀，GPS測(cè)繪技術(shù)突破了空間限制，不受距離、環(huán)境等外部因素的影響，因此，在礦山地質(zhì)測(cè)繪這類具有地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境復(fù)雜等特征的應(yīng)用場(chǎng)景中，GPS測(cè)繪技術(shù)具備的優(yōu)勢(shì)能夠讓其更好的應(yīng)用在這些復(fù)雜的領(lǐng)域中，同時(shí)，還能夠基于測(cè)繪的精度和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等方面的特征，能夠保證觀測(cè)目標(biāo)定位的位置、速度等相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，而且，還能夠利用快速定位的方法，有效提高觀測(cè)的精度，從而在全覆蓋的基站中提高礦山地質(zhì)測(cè)繪的精度和實(shí)時(shí)效率，有效減少測(cè)繪誤差。

2.2 應(yīng)用范圍廣，測(cè)繪技術(shù)難度降低

一方面，GPS測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用范圍廣。以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)為例，在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，該技術(shù)對(duì)于測(cè)繪站點(diǎn)間的通視條件沒(méi)有非常嚴(yán)格的要求，所以，對(duì)于礦山地質(zhì)測(cè)繪不同測(cè)繪站點(diǎn)的測(cè)繪而言，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)能夠適用于不同的地形，即使是通視條件不好的區(qū)域也可以進(jìn)行觀測(cè)。因此，其具有非常高的地形適用性。而且，在此基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的測(cè)繪設(shè)備具有顯著的自動(dòng)化特征。以GPS接收機(jī)為例，當(dāng)前使用的GPS接收機(jī)設(shè)備有了非常大的改進(jìn)，自動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)使得整個(gè)設(shè)備的體積縮小、操作便捷。在具體的操作過(guò)程中，測(cè)繪人員只要通過(guò)天線整半、對(duì)中的方式，就能夠完成自動(dòng)工作，而且，基于GPS測(cè)繪技術(shù)的不同，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方式也有所不同，但是，數(shù)據(jù)的處理都是自動(dòng)化和便捷化的。其中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)能夠全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、傳輸以及處理等工作。

另一方面，GPS測(cè)繪技術(shù)的觀測(cè)時(shí)間短，在測(cè)繪站點(diǎn)的定位方面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)能夠基于軟件處理技術(shù)的應(yīng)用，而實(shí)現(xiàn)幾秒中的測(cè)繪站點(diǎn)的定位，進(jìn)而大幅度提高在礦山地質(zhì)測(cè)繪工作中的測(cè)繪效率。

2.3 測(cè)繪全面且靈活

一方面，鑒于當(dāng)下GPS測(cè)繪技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用情況可知，這個(gè)測(cè)繪技術(shù)所獲取的測(cè)繪站點(diǎn)的數(shù)據(jù)為三維坐標(biāo)，也就是指X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)以及高程，因此，其在測(cè)繪精度以及位置信息方面更加全面。

另一方面，流動(dòng)站點(diǎn)的觀測(cè)活動(dòng)中，GPS測(cè)繪技術(shù)在選點(diǎn)方面非常靈活，只要滿足了觀測(cè)站15°以上空間開(kāi)闊性的要求，就能進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)繪，由此可見(jiàn)，其具備非常顯著的測(cè)繪選址靈活性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 GPS測(cè)繪技術(shù)在礦山地質(zhì)觀測(cè)中的應(yīng)用路徑

3.1 前期點(diǎn)位選擇的應(yīng)用

雖然，上文中指出GPS測(cè)繪技術(shù)具有非常顯著的靈活性，不受環(huán)境、空間等方面的影響。但是，在礦山地質(zhì)測(cè)繪工作中，觀測(cè)點(diǎn)的選擇具有非常重要的作用，對(duì)于觀測(cè)工作順利開(kāi)展、觀測(cè)結(jié)果以及數(shù)據(jù)的可信度、可靠度等方面有著非常重要的影響力，因此，GPS測(cè)繪技術(shù)在具體的觀測(cè)點(diǎn)位選擇過(guò)程中，需要遵循一定的準(zhǔn)則，從而保證觀測(cè)點(diǎn)位的合理性，進(jìn)而發(fā)揮點(diǎn)位的積極影響。

一方面，在觀測(cè)點(diǎn)位的選擇過(guò)程中需要滿足以下幾點(diǎn)要求：點(diǎn)位安裝的接收設(shè)備需要具備易安裝、視野開(kāi)闊、位置高的基本特征；觀測(cè)點(diǎn)位目標(biāo)周?chē)枰苊?5%以上的障礙物，也就是需要保證15%以上的開(kāi)闊空間；點(diǎn)位周邊區(qū)域內(nèi)不能有大功率的如電視臺(tái)這類無(wú)線電發(fā)射源的相關(guān)設(shè)備；點(diǎn)位選址附近不要有高壓輸電線、微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道等設(shè)備，如果有相關(guān)的設(shè)備，需要保證距離在50m以上，從而有效避免無(wú)線電發(fā)射源以及以上設(shè)備發(fā)出的信號(hào)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)位產(chǎn)生信號(hào)干擾；確保周邊區(qū)域無(wú)大范圍、大面積水域；確保周邊區(qū)域無(wú)具有強(qiáng)烈干擾作用的衛(wèi)星信號(hào)接收的物體；選址區(qū)域要保證交通便捷性，為安裝、測(cè)繪以及定期檢修效率的提高奠定基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，需要在礦山地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中，做好采樣點(diǎn)的布設(shè)工作。在具體的操作過(guò)程中，測(cè)繪人員利用GPS測(cè)繪技術(shù)，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行基線線路點(diǎn)坐標(biāo)的手簿錄入工作，進(jìn)而顯示出測(cè)繪的路線線路，并基于相關(guān)的分析明確線路中心、偏離距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格布置的方法，落實(shí)布設(shè)采樣點(diǎn)的工作，并將其輸出到相應(yīng)的平面地形圖，方便測(cè)繪人員及時(shí)通過(guò)平面地形圖觀察采樣點(diǎn)的布設(shè)是否均勻準(zhǔn)確，并能夠及時(shí)調(diào)整。

在做好點(diǎn)位選址和采樣點(diǎn)布設(shè)工作后，需要進(jìn)一步做好相應(yīng)的標(biāo)志工作，利用體現(xiàn)中心標(biāo)志特征的標(biāo)石，進(jìn)行點(diǎn)位的標(biāo)志工作[5,6]。而為了保證長(zhǎng)期應(yīng)用的價(jià)值，在標(biāo)石選擇的過(guò)程中，需要考慮堅(jiān)固性特征。

3.2 礦山地質(zhì)測(cè)繪不同場(chǎng)景的觀測(cè)應(yīng)用

在落實(shí)了前期準(zhǔn)備工作后，測(cè)繪人員需要進(jìn)行核心工作——礦山地質(zhì)測(cè)繪不同場(chǎng)景的觀測(cè)實(shí)踐。在具體的觀測(cè)過(guò)程中，測(cè)繪人員需要明確GPS測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用的主要目的在于通過(guò)跟蹤衛(wèi)星，捕捉信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行處理、量測(cè)、數(shù)據(jù)處理與分析的工作。在以上目的明確的基礎(chǔ)上，測(cè)繪人員需要在礦山地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中合理利用GPS測(cè)繪技術(shù)完成以下幾點(diǎn)工作：

第一，地形圖與地籍圖的測(cè)繪：基于GPS測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，利用數(shù)據(jù)采集——處理——分析的基本流程，對(duì)整個(gè)礦山測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的地形圖、地籍圖進(jìn)行基本信息的補(bǔ)充，進(jìn)而繪制出相應(yīng)的地形圖與地籍圖。

第二，礦山開(kāi)采損壞監(jiān)測(cè)、沉陷地表巖移站觀測(cè)：在具體的應(yīng)用過(guò)程中，測(cè)繪人員利用GPS測(cè)繪技術(shù)，有機(jī)結(jié)合周期性、基準(zhǔn)站兩種觀測(cè)方式，對(duì)礦山開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中所布設(shè)的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)繪，進(jìn)而對(duì)比分析同一測(cè)繪觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)變形狀況，從而了解開(kāi)采后的損害、地表巖沉陷的相關(guān)情況。

第三，礦山采場(chǎng)采剝量的測(cè)繪：測(cè)繪人員利用GPS測(cè)繪技術(shù)對(duì)礦山采剝量的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和處理，利用流動(dòng)站點(diǎn)的測(cè)繪數(shù)據(jù)，對(duì)開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，從而進(jìn)行驗(yàn)收。

3.3 測(cè)繪數(shù)據(jù)的記錄

GPS測(cè)繪技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)繪工作中，除了前期的準(zhǔn)備工作和中期的觀測(cè)工作，還包含了后期的測(cè)繪數(shù)據(jù)的記錄工作。在具體的作業(yè)過(guò)程中，測(cè)繪人員主要利用觀測(cè)記錄、測(cè)繪手薄的方式記錄數(shù)據(jù)。其中，觀測(cè)記錄是GPS測(cè)繪技術(shù)設(shè)備自主進(jìn)行存儲(chǔ)記錄操作過(guò)程的。

4 結(jié)論

礦山地質(zhì)測(cè)繪工作具有專業(yè)、綜合、復(fù)雜的基本特征，包含了對(duì)地表、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、礦藏等不同方面的測(cè)繪，本身作業(yè)的環(huán)境非常復(fù)雜。因此，在不同的礦山地質(zhì)測(cè)繪工作中，對(duì)測(cè)繪技術(shù)的要求較高。GPS測(cè)繪技術(shù)作為當(dāng)下最為常見(jiàn)和普遍的測(cè)繪技術(shù)，在礦山地質(zhì)測(cè)繪工作的應(yīng)用范圍極為廣泛，具有顯著的適用性、定位精度高、測(cè)繪效率高、全面測(cè)繪、操作便捷、難度低的基本特征，能夠滿足礦山地質(zhì)測(cè)繪工作不同場(chǎng)景下的觀測(cè)要求以及數(shù)據(jù)處理要求。因此，在具體的作業(yè)過(guò)程中，鑒于礦山地質(zhì)測(cè)繪工作的本質(zhì)需求，需要從點(diǎn)位選址、采樣點(diǎn)布設(shè)、標(biāo)石布設(shè)、觀測(cè)以及觀測(cè)記錄的應(yīng)用等方面進(jìn)行應(yīng)用，從而切實(shí)的落實(shí)測(cè)繪工作的效率。

此外，對(duì)于GPS測(cè)繪技術(shù)的人員而言，需要基于礦山地質(zhì)測(cè)繪的具體應(yīng)用場(chǎng)景而不斷地學(xué)習(xí)有關(guān)地質(zhì)測(cè)繪、GPS測(cè)繪技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，持續(xù)精進(jìn)GPS測(cè)繪技術(shù)的專業(yè)能力，進(jìn)而更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜、專業(yè)的礦山地質(zhì)測(cè)繪工作，有效發(fā)揮GPS測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。