北斗地基增強在地質調查領域的應用需求分析

溫 靜，孟月玥，楊清華，肖晨超

（1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048）

目前的地質應用中只是簡單使用了北斗系統的定位功能，一是精度略低于應用需求，二是沒有形成面向行業應用的北斗產品。為了推廣北斗高精度服務在地質調查與監測領域的應用，本文從地質調查與監測三大主體業務的應用需求出發，分析了各項業務的具體應用需求，并根據不同的應用場景設計了各類增強產品，為提高內外業一體化程度提供了可能性，為保障野外作業安全、實現地質調查領域的導航系統國產化奠定了基礎。

1 服務分析

北斗高精度位置服務在地質調查領域中的應用主要體現在內業中心和外業終端的功能上。內業中心基于專業地圖服務進行數據分析和展示，同時實現作業管理、設備管理、人員管理等，外業終端功能包括高精度定位導航、專題信息采集、數據傳輸等。

1）定位精度需求。利用米級、亞米級、厘米級等不同精度的定位，服務不同類型的地質調查業務，提升野外效率，用于管理和決策調度。

2）專題信息采集。地質監測和調查業務的野外工作中需要高精度采集各類型地質體范圍面積及各類屬性信息，野外實時對采集數據進行錄入與整理，并及時上報變化信息。

3）終端監控。內業中心通過對外業終端的實時監控，掌握作業任務進度，保障人員安全。

4）通信及實時傳輸。通過通信及實時傳輸，內業中心可實現對外業終端的統籌管理與互聯互通，實現外業任務的實時管理、外業數據的實時采集和上傳，提高工作效率和成果質量。

2 應用需求分析

2.1 地質礦產資源調查業務需求

2.1.1 精度需求

地質礦產資源調查業務中對精度的要求主要體現在導航定位精度、像控點獲取精度和實地測量精度。

1）導航定位精度。在實際工作中，通過導航定位功能可以指引外業人員到達目的區域，需要北斗地基增強系統提供廣域米級實時定位服務。

2）像控點獲取精度。根據“區域地質調查像控點水平位置相對于附近各等級控制點的平面位置中誤差不超過圖上0.1 mm，高程精度不小于1/10等高距的精度”[1-3]的要求，1∶250 000區域地質、礦產地質調查的像控點平面精度要求應小于25 m，1∶50 000 區域地質、礦產地質調查的像控點平面精度要求應小于5 m。因此需要提供廣域米級實時定位服務。

3）實地測量精度。1∶250 000 區域地質、礦產地質調查工作中測量精度須小于10 m，因此需北斗地基增強系統提供廣域米級實時定位服務。1∶50 000區域地質、礦產地質調查實地工作中：進行礦點檢查和異常查證時一般選用大比例尺填圖（比例尺一般為1∶2 000～1∶5 000），大比例尺化探（土壤或巖石測量）、物探（高精度磁測[4]、激發極化法[5]、高精度重力等）綜合剖面測量；在剖面實地測制時，調查比例尺一般為1∶2 000～1∶5 000；第四系厚度較小的細碎屑沉積，比例尺一般大于1∶100～1∶1 000，因此需要北斗地基增強系統提供分米級精度的定位服務。

綜上所述，1∶250 000區域地質、區域礦產地質調查需要北斗地基增強系統提供廣域米級實時定位服務；1∶50 000 區域地質、地質礦產調查需要廣域米級及廣域分米級定位服務。

2.1.2 服務頻率需求

區域地質調查、區域礦產地質調查實際工作中需要實現快速的動態定位[6]。參照CJJT73-2010《衛星定位城市測量技術規范》，動態測量中對RTK 數據的采樣間隔為1 s，因此，北斗地基增強系統的服務頻率應優于1 s。

2.1.3 通信服務需求

區域地質、礦產地質調查業務中，對北斗地基增強系統通信服務的需求主要包括短報文和文件傳輸功能。

1）短報文功能。區域地質、礦產地質調查的外業工作場地通常地理環境復雜、交通不發達、手機信號覆蓋差，尤其是艱險地區人煙稀少、沒有網絡信號、沒有明顯地物指引，這時北斗的短報文功能就可以實現野外作業人員和后方數據中心人員的即時通信，實時獲取作業人員定位[7]，保障作業人員安全。

2）文件傳輸功能。區域地質、礦產地質調查中通常需要進行實地測量。目前的GPS作業中大部分是通過儲存卡或數據線等方式導出數據[8]，這種方式內業人員需要在測量后一段時間得到測量數據，不利于內業人員及時利用數據、分析數據[9]。通過文件傳輸功能可以將外業采集數據實時發回內業數據中心，及時排除測量錯誤并及時進行補測。

2.2 礦山執法監測業務需求

2.2.1 精度需求

北斗系統在礦山執法監測業務主要作用有導航定位、像控點獲取、實地測量。

1）導航定位。在礦山執法監測實際應用中，米級的精度就可以達到導航的要求。

2）像控點獲取。根據“區域地質調查像控點水平位置相對于附近各等級控制點的平面位置中誤差不超過圖上0.1 mm，高程精度不小于1/10 等高距的精度”的要求，故在日常巡查中1∶10 000 比例尺誤差不超過1 m，衛片執法中1∶10 000 或1∶50 000 比例尺誤差不超過1 m或5 m，執法取證中1∶1 000比例尺誤差不超過10 cm。這就需要北斗地基增強系統提供廣域分米級或區域厘米級實時定位服務。

3）實地測量。在日常巡查中比例尺1∶10 000，衛片執法中比例尺1∶10 000或1∶50 000，執法取證中比例尺1∶1 000，故平面精度誤差不超過1 m、5 m、10 cm。這就需要北斗地基增強系統提供廣域分米級或區域厘米級實時定位服務。

綜上，礦山執法監測需要北斗地基增強系統提供廣域分米級、區域厘米級實時定位服務。

2.2.2 服務頻率需求

在礦山執法監測實際工作中需要用到實時動態定位。根據需要，北斗地基增強系統的服務頻率應優于1 s。

2.2.3 通信服務需求

由于礦山執法監測的特殊性，獲取實測點數據[10]是形成綜合分析報告、填表并入庫的關鍵。文件傳輸能實時將野外采集信息傳回數據處理中心，內業人員可以指揮外業人員進行補測或修改測量點錯誤[11]，實現對違法礦山定性和定量分析。同時還可通過短報文功能實時監控艱險地區外業人員安全。因此在實際的礦山執法檢查工作中需要北斗地基增強系統提供短報文、文件傳輸等通信服務功能。

2.3 地質環境調查與監測業務需求

2.3.1 精度需求

地質環境調查與監測領域涉及實時導航定位的業務主要包括地下水環境調查與監測、礦山地質環境的調查與監測、地質災害調查與監測[12]。我國水文地質調查圖幅比例尺集中在1∶10 000、1∶50 000、1∶200 000；地質災害調查/排查，圖幅比例尺集中在1∶50 000、1∶100 000、1∶250 000；礦山地質環境調查監測業務主要比例尺為1∶10 000～1∶50 000。

因此，水文地質調查/監測、地質災害調查/排查、礦山調查/監測業務要求野外調查定點精度優于10 m；緩變地質災害（如地面沉降等）以及災害的位移監測需要實現毫米級精度。

2.3.2 服務頻率需求

水文地質調查、地質災害調查/排查、遙感調查野外驗證、地質災害群測調查、遠離河道及水源地地區的地下水監測、穩定礦山邊坡的系統服務頻率按1次/d，對崩塌、滑坡、泥石流、在開采礦山邊坡的系統服務頻率按4 次/d 即可，在變形量加大時隨時可加密頻率服務需求。

2.3.3 通信服務需求

一般情況下通信采用短報文或者文件傳輸即可，但在特殊災害區以及網絡阻斷或無網絡覆蓋區的災害區工作，或者對工作人員生命有危險時，需要語音通信服務。

3 地質調查領域北斗地基增強產品設計

3.1 1∶50 000～1∶250 000 調查監測野外導航定位增強產品

1∶50 000 ～1∶250 000調查監測野外導航定位增強產品，通過單向廣播的方式發送至用戶終端，基于一定數量的基準站原始數據，用戶終端對其進行衛星軌道、衛星鐘差、電離層延遲的差分改正，從而實現廣域實時米級的自主定位。其服務對象主要為北斗單頻接收機用戶，實現方式為單頻偽距差分和單頻載波相位差分[13-14]，通過移動通信、互聯網等方式播發至全國范圍。

1∶50 000 ～1∶250 000 調查監測野外導航定位增強產品可應用于地質填圖、地質科研調查、地質物探、地質化探、地質災害調查、遙感調查野外驗證和地質災害群防群測等業務。

3.2 1∶10 000調查監測野外導航定位增強產品

1∶10 000 調查監測野外導航定位增強產品，通過單向廣播的方式發送至用戶終端，基于更多數量的基準站原始數據，用戶終端對其進行衛星軌道、衛星鐘差、電離層延遲的差分改正，從而實現廣域實時分米級的自主定位。其服務對象主要為北斗雙頻接收機用戶，其實現方式為精密單點定位（PPP）。播發手段包括互聯網、移動通信等，覆蓋范圍為全國范圍。

1∶10 000 調查監測野外導航定位增強產品可應用于礦山執法檢查、礦山監測、地質異常查證、礦產勘查、地質災害調查、遙感調查野外驗證、地質災害群測群防等業務。

3.3 大比例尺區域測量采樣差分增強產品

大比例尺區域測量采樣差分增強產品內容主要以綜合誤差改正數為主，采用雙向通信的方式進行產品生成和播發。通過實時解算模糊度，獲取對流層誤差、電離層誤差、軌道誤差等改正數據，根據用戶終端提供的概略位置信息，通過各種內插算法[15]計算出綜合誤差改正數發送給客戶終端，用戶終端通過綜合誤差改正數對其定位數據進行修正，從而實現厘米級的實時定位。服務對象主要為北斗雙頻接收機用戶，實現方式為雙頻載波相位差分（網絡RTK），播發手段為移動通信，覆蓋范圍為加密網地區。

大比例尺區域測量采樣差分增強產品主要應用于礦山執法檢查。

3.4 地質災害高精度監測差分增強產品

地質災害高精度監測差分增強產品是定位精度最高的差分產品，產品主要包括后處理觀測數據、精密衛星軌道、衛星鐘差、地球定向參數（EOP）等，經高精度基線計算來實現后處理毫米級高精度，不具備實時性。地質災害高精度監測差分增強產品的生成依賴于北斗地基增強基準站原始觀測數據。對象主要面向北斗雙頻接收機用戶，其實現方式為高精度基線解算，播發手段為互聯網和移動通信，覆蓋范圍為全國范圍。

地質災害高精度監測差分增強產品是定位精度較高的增強產品，主要應用于地質滑坡監測和地面沉降監測。

4 結 語

不同定位精度的北斗地基增強數據，可有效服務于地質調查和監測領域的各項業務，可以節省人力財力和時間成本，同時有望在地質調查監測主體業務中實現導航系統的國產自主化。

根據地質調查和監測領域不同業務的特點，本文分析了其對北斗地基增強應用的各項需求，創新性地設計出不同的北斗地基增強產品，為北斗地基增強系統在地質調查與監測領域的深入廣泛應用提供了技術基礎。

在北斗地基增強系統的支撐下，可以確保位置獲取的及時性、準確性和安全性，保證野外工作效率和最終工作成果質量，有望建立高精度、高效率的野外工作流程，同時也對野外安全生產和突發狀況營救提供了重要的基礎保障。北斗地基增強系統在地質調查監測領域的進一步應用，有利于加強地質調查的技術先進性，有利于促進地質調查事業的穩步發展。