浅谈GPS RTK技术在矿产实地测量中的应用

浅谈GPS RTK技术在矿产实地测量中的应用
王建民

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【摘 要】随着测绘仪器和测绘理论及技术的发展，传统的模拟法测绘地形图的方法正被数字化测图所取代，RTK技术以其灵活的地物点坐标采集方式为数字化测图提供了更多选择。本文通过对GPS RTK原理分析以及RTK技术在矿产实地测量中的应用，对动态GPS的特性和使用方法做了简要阐述。
【关键词】 RTK技术 野外勘查 实地测量 技术应用

一、GPS RTK技术简介
　　GPS（Global Position System）即为全球定位系统的简称，它是一套利用美国GPS卫星导航系统进行全天候、全方位的测量定位设备。目前，该技术已广泛应用于地形测量、航空摄影测量、地质矿产测量、房产测量、勘界与拨地测量、工程测量等各个领域。

二、测量原理
GPS RTK测量技术是建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位系统，而RTK定位技术则是实时动态测量，它一般需要在两台GPS接收机之间增加一套无线数字通讯系统(亦称数据链)，将两相对独立的GPS信号接收系统联成有机的整体。基准站通过电台将观测信息和观测数据传输给流动站，流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身的载波信号进行差分处理，解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标转换和投影参数，实时得到测点坐标（可达厘米级）。
GPS RTK技术系统配置包括以下三部分：1、基准站接收机；2、移动站接收机；3、数据链。基准站接收机设在具有已知坐标（也可无已知坐标，地势较高）的参考点上，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站的坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，移动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，通过OTF（ON THE FLY）算法快速求解载波相位整周模糊度，通过相对定位模型获取所在点相对于基准点的坐标和精度指标。

三、 RTK测量实例
1、 RTK在矿区图根控制测量中的应用

　使用RTK进行图根控制测量不像常规图根导线测量那么烦琐，不受地形的限制，也不用支仪器设站，从而减少了因多次设站带来的测量累计误差。RTK图根控制测量时，首先利用先期统一建立的测区D、E级GPS控制点建立投影的局部归化参数，仪器将直接记录坐标和高程，查看解算后每个控制点的水平残差和垂直残差。本次测量解算出两坐标系之间的转换参数，水平残差最大为±2.7cm，垂直残差最大为±0.6cm。为了提高待测点的观测精度，将天线设置在对点器上，观测时间大于20秒，采用不同的时间段进行两次观测取平均值；机内精度指标预设为点位中误差±1.5cm，高程中误差±2.0cm；观测中，取平面和高程中误差均小于±1.0cm时进行记录。
RTK点两次观测值坐标较差最大值为±2.8cm，最小值为0.3cm。考虑到两次观测采用了同一基准站，观测条件基本相同，可以将其视为同精度双观测值的情况，进而求得观测值中误差和平均值中误差。观测值中误差为±0.9cm，平均值中误差为±0.6cm（±0.9/√2）。这说明RTK技术能满足《全国矿业权实地核查工作指南与技术要求》中最弱点的点位中误差(相对于起算点)不大于±0.15m的要求。
同时，我们采用常规手段对RTK控制点进行了四等水准测量。平差后，每公里高差中误差为±4.2mm，最弱点高程中误差为±6.5mm。在进行RTK平面控制测量的同时，我们也利用RTK技术进行了高程测量。两次RTK高程测量的成果高程较差最大为-4.7cm，最小为0.1cm.观测值中误差为±1.4cm，平均值中误差为±1.0cm。
四等水准测量与RTK高程测量成果较差高程较差最大为-4.8cm，最小为-0.1cm，高程较差中误差为±2.3cm。
如果四等水准网高程中误差取±2.0cm，RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，则利用误差传播定律可以得到高程较差理论中误差为±2.8cm，高程较差允许误差为±5.6cm。可见求得的高程较差中误差小于高程较差理论中误差。
根据实际经验，由RTK测量的高程计算出的相邻高差受相邻点间的长度影响较小，高差精度主要与四等水准测段长度有关。利用高差较差参照不同精度双观测值情况计算出高差较差单位(每公里)中误差为±1.89cm。
如果RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，四等水准高差中误差取±1.0cm，得高差较差理论单位中误差为±3.0cm。显然，计算的高差较差单位中误差小于高差较差理论单位中误差，证明RTK高程测量能够满足《全国矿业权实地核查工作指南与技术要求》对四等水准网的精度要求。
2、 RTK在矿区地理要素、矿业权要素测量中的应用
利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，可以进行地形、探矿工程、采矿工程的碎部测量来代替常规的数字测图。以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量。地形点、工程点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地理要素的实际情况进行测量设定，在测量矿区道路、水系时可以设定按距离进行采集，距离可以人为设定；在匀速运动测量的过程中，可以设定按时间采集，时间间隔也可人为设定。采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”形式，保存到硬盘，使用《矿业权核查空间数据处理软件》经过编辑处理，生成《采矿权开拓工程平面图》或《探矿权勘查实际材料图》。
各要素的采集可以单人作业，也可多人同时开展，在较为开阔的区域进行数据采集，发现RTK的采点速度相当快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在线运动过程中不失锁，每个碎部点采集时间不超过2s(含点位代码输人)，因此，采点速度几乎等于走路的速度，可以充分发挥RTK快速高精度定位的优势。大大提高了工作效率。

四、GPS RTK技术优越性分析
1、 RTK技术能够满足矿产实地测量中对导线和四等水准测量的要求。由于RTK技术不同于常规的控制测量，不可能完全用常规控制测量的技术标准来衡量，尤其是在边长较短的相邻点表现比较明显。RTK技术的测量误差均匀、独立，不存在误差积累,精度可靠程度较高。
2、 RTK技术能够实时地提供测量成果，不需要分级布网，可以大大减少生产成本，减轻作业员的劳动强度，提高测量速度和企业效益。
3、RTK技术操作简便，灵活方便，工作状态稳定。能快速、准确地测定图根点、工程点的坐标和高程，实时提供精度可达厘米级经检核的三维坐标。与传统的测图方法相比，人员少，费用省，效率高。
4、在空旷地区，RTK能快速地完成碎部测量作业。在夜间作业，比常规测量作业方法更具优越性。
5、即便是在井下、高边坡采坑、树木茂密矿区，GPS无信号或出现盲区，初始化时间长或失锁，影响测量精度，可采用全站仪测量碎部点的方法，从而快速地完成野外作业，也可以大大提高外业测图的工作效率，进而达到缩短工期，节约成本的目的。

【参考文献】

[1] 《全国矿业权实地核查工作指南与技术要求》；中国大地出版社；2009年。
[2] 《地质矿产勘查测量规范》；GB/T18341-2001；国家质量技术监督局发布；2001年。
[3] 《全球定位系统（GPS）测量规范》；GB/T18314-2009; 国家质量技术监督局、国家标准化委员会发布；2009年。
[4] 刘大杰，施一民等；《全球定位系统（GPS）的原理与数据处理[M]》；同济大学出版社；1996年。
[5] 武汉测绘科技大学测量平差教研室编著；《测量平差基础》；测绘出版社；1996年。
[6] 徐绍铨，张华海，杨志强；《GPS测量原理及应用》；武汉测绘科技大学出版社；1997年。