浅究GPS技术在地质勘察测绘中应用

　　摘要：地质勘查市场的迅速崛起，对地质测绘工作提出了更高的要求。随着观测技术进步和数据处理的改善，它不仅为社会创造直接经济效益，而且是其他多产业的推动力，并起到辐射作用。对GPS—RTK高效利用，将产生积极的影响，使测量技术发展得到质的飞跃。

　　关键词：地质勘察;GPS;测绘;应用

　　1.概述

　　GPS是导航卫星测时和测距/全球定位系统。它的组成使整个卫星星座原定为24颗卫星，变为有28颗卫星运行。每颗卫星在地面上空约20200km的轨道运行，运行周期略小于12小时，轨道偏心率≤0.003，以使卫星对全球有最佳覆盖面。每颗卫星上载有一台无线电收发机。收发机从地面监控站接收信息和指令，并发射有关卫星标识、位置、时间等信息。每颗卫星都能用两个不同的频率发射：Ll为l575.42MHz、L2为1227.60MHz。虽然有的人不必关心监控站，却必须知道在采集数据期间可用卫星的位置、几何状态及数目，这些将是影响GPS地质测绘可靠性和精确度的重要因素。

　　1.1 GPS Ashtech RTK的系统组成、定位原理及技术参数

　　GPS接收机接收并储存从GPS卫星发来的信息。Z-Xtreme是一部12通道防水型较强的双频，它采用卫星电子技术和Ashtech的专利技术Z跟踪可以释放高水平信号，这是接收机的主要功能。接收机内置高敏感性的RF部件，能计算出基准点的坐标连同原始观测数据、可用卫星信息和经由串行端口输出等扩展功能。GPSRTK系统的基本组成包括至少一套基准站和至少一套流动站，在野外才能进行地质测绘工作。

　　基准站实时地质测绘的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标与高程用无线电传送给流动站。在流动站通过无线电接收基准站发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，从而得到基准站和流动站坐标增量计算每个点WGS84坐标，通过坐标转换参数换得出流动站所求点的平面直角坐标，这个过程称GPS定位的过程。

　　GPS系统设备环境由三个主要部分组成：卫星、地面监控站和接收机。

　　GPSZ--Xtreme接收机(内置电池、数据卡)、GPS天线：它能支持内置电池可拔插PC内存卡以及内置电台(可选)，MIL.—STD—810E有防尘、防水规格标准。

　　基准站电台及电台天线：基准站一般使用功率较大(如25w等)的外接电台。

　　掌上电脑(数据采集器)：基准站设置次数少，一般一个基准站在一个基准点上设置一次，可以连续工作一天，所以没有必要为基准站配置电子手簿，而是使用流动站电子手簿首先设置在基准站最好校核邻近的已知GPS等级点再用于流动站(RTK测量)，在动态数据采集时，建议选配掌上电脑为操作系统部分。

　　快速RTK Z-Xtreme主要技术指标：快速动态RTK，水平10mm+1ppm;垂直20mm+2ppm;最大工作距离：40km，建议工作距离小于10km范围内处于最佳状态。

　　快速RTK测量时间：2秒为厘米级，20秒为毫米级。

　　1.2概述GPS Ashtech快速—RTK进行地质测绘的过程

　　观测站之间无需通视，这样就可以减少测量工作的时间与经费，同时也使地质测绘点位的选择变得甚为灵活。

　　定位精度高，空间跨度大。

　　全天候作业，一般不受天气状况的影响，它既能立即得知测量结果、又能实时监视定位精度。

　　操作简便，观测时间短，自动化程度很高。在地质测绘定位中主要的任务是安装并开关仪器，量取仪器高和监视仪器的工作状态而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。RTK系统装备较为昂贵，系统也更为复杂(尤其是GPS接收机之间的通信联系)，其测量精度稍逊于后处理方法。

　　常规GPS测量不具备实时性，RTK动态测量弥补了这一缺陷。

　　尽管九十年代中期出现了GPSAshtech快速—RTK测量模式，但GPS后处理测量仍以其精确可靠，在等级测量中得到广泛应用。

　　2.详述GPS Ashtech快速—RTK进行地质测绘的实施过程

　　2.1野外数据采集

　　在实际测量工作应用中，我们主要应用了GPS的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面所需点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。

　　一个GPS测量系统至少应由两台GPS接收机组成。所有接收机同时采集数据，以便定接收机之间的相对位置关系。这种相对位置关系以向量的形式来表示，即设站点之间的坐标增量(AX，△y，△Z或△N，△E，△H)形式，向量是用全部GPS接收机的观测数据经处理而生成的。这是一种三维关系，类似于传统的观测定位三要素(水平角，垂直角，斜距)。切记住GPS观测的结果是设站点之间的向量关系，也就是说，GPS观测与解算的结果是基线向量，而不是测点的点位坐标。要确定观测点的坐标，首先必须提供一个点的已知坐标作起算数据。根据该已知点的坐标和相对于测点的GPS基线向量，再推算出测点的坐标(流动站的记录间隔应与基准站要保持一致)。与传统的导线测量方法相类似，起算坐标根据要求可以是已知控制点，也可以采用假定坐标点，在后处理GPS、数据采集。

　　2.1.1 RTK野外操作流程：

　　连机—建立新项目—参数设置—编辑控制点—设置基准站—设置流动站—计算坐标转换参数—采点。

　　以上步骤均在手持计算机中的Survey Pro软件上操作完成。

　　2.1.2静态数据采集

　　GPS静态测量主要由三个过程来完成即测前工作、实施测量、数据处理。其中静态数据采集，具有“静”的特性。各GPS接收机置于站点保持相对静止状态，同步采集一段时间(时段)的可见卫星的原始数据。数据采集持续进行，时间长短取决于接收机之间的距离、卫星几何状况和站点被遮挡(譬如，遮挡部分天空的树木或建筑物)状况。当结束一个同步时段的数据收集之后，将GPS接收机移到另一组新的测站点，开始下一时段的静态数据采集工作。时段之间保持有一个衔接点(点连式)或两个衔接点(边连式)，以便将前一时段的观测点与新的时段观测点相衔接。数据采集完成后，将数据下载到计算机以便做测点后处理，处理结果为各站点之间的基线向量。静态测量的特点是成果精度高，但生产效率较低，其具体观测模式由多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间有几分钟、几小时不等。

　　2.1.3动态数据采集

　　动态数据采集系统中的一台GPS接收机被指定为基准站，在整个测量过程中保持固定，所有测点的点位都是相对于基准站而言的。基准站在运行中采集和储存可见卫星的原始数据，其它的GPS接收机被设定为流动站，在运动过程中采集卫星数据，具有“动”的特性。

　　流动站系统的地质测绘操作员在工作现场往来走动，在测点作短暂的停留采集卫星数据。一般测点的停留时间从6秒钟到60秒钟不等。一旦测完，操作员即移到下一个测点继续工作。动态测量可以用于坝址中心线之类的线性目标，每隔5秒钟存一次数据，其结果可划出大坝中心线的一连串点的轨迹。

　　为便于操作和移动，流动站系统设计装在背包里，可由一人操作。操作员与接收机沟通的介面是掌上电脑(数据采集器)。显而易见，动态数据采集具有高生产效率的优点，但精度不如静态是其缺点。另外，流动站在流动过程中，必须保持锁定足够的GPS卫星，一旦失锁要求返回到前一测点重新做初始化工作。就这一点而言，它对环境的要求(视空开扩，少遮挡)较高，又限制了其应用范围。

　　2.2数据处理(静态：后处理;动态：适时)

　　数据后处理软件：Solution2.0是个自动后处理软件包、友好界面，能完成以下功能：接收机设置、选星计划、网平差、数据传输、基线向量解算、质量分析、坐标转换、报表生成、结果输出、转换Rinex格式。

　　GPS测后数据处理通过包括在系统内的专用软件在室内个人电脑上来完成，也可以在现场用笔记本电脑来做。其做法是，先将数据从GPS接收机下载到电脑，对观测数据进行基线向量解算：应用质量检测工具判定和剔除粗差、删除不合格基线等进行网图编辑;对具有多余基线向量且形成闭合环路的测量网做自由网平差计算，借以消除网图内部闭合差矛盾，使其成为具有唯一性的几何图形;配置已知点坐标，进行约束平差，在调整因外部已知点约束所形成的符合差矛盾的同时完成坐标转换工作，直接提供用户所需要的地方坐标。此外还包含有报表生成、星历预报、将观测数据转换Rinex格式等多种实用程序，构成数据测后处理软件包。

　　后处理GPS静、动态测量完全能适用于大多数测量任务。系统现已应用于国家基本控制网的改造、城市控制网的旧网和新控制网的与工程变形监测网的建立、海洋测量与石油平台定位、地球动力学研究方面的应用、地质测绘以及地形测图等诸多方面。在许多情况下，GPS测量系统用于此类测量会比传统的全站仪有着高得多的生产效率。

　　GPS测量系统也有其局限性，经过论证GPS是接收从地球上空约两万公里外，卫星发射来的无线电信号。这种信号由于频率相当高而功率较低，对障碍物的穿透不太得力，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对接收GPS信号产生影响。某些物体，诸如建筑物，高压线路等会把卫星信号全部阻挡，因此，GPS不能在室内使用。同样原因，GPS也不能在隧道内或水下使用。其它物体诸如树林，可以部分阻挡或反射、折射信号，所以在密林地带较难收到GPS信号。在有些情况下，可接收到有限的信号进行概略定位，但是在信号清晰度不够的情况下，很难得到厘米级的定位精度。因此，GPS在密林地带的应用有一定的局限性。

　　3.1水域测绘

　　由于RTK工作距离达40km，以其优越的性能各种比利尺的水下地形测量。在水利水电水下地形测绘中操作员主要的任务是安装仪器，将天线高量至水面，测深仪吃水深度改正后并监视仪器的工作状态面其他观测工作，便可高精度地实时测定水下地形点的三维坐标，无需验潮改正，用专业成图软件直接成图。它不仅减轻了外业劳动强度，也显示提高了成图的精度。

　　3.2供水线路、坝址轴线放样

　　在供水线路与坝轴线放样快速RTK可实时提供导航数据，便可快速找到钻孔、探硐等地质构造点，并且可进行差时差分提供定位精度跟踪观测均由仪器自动完成。坝址轴线定位仪器显示stake to line导航数据并快速上线，一旦达到特定轴线，其结果可划出的一连串点的轨迹。存储轴线放样点的坐标，直至完成。

　　3.3曲线放样

　　先设定好曲线(圆曲线、缓和曲线)中线、边坡等参数，快速RTK将引导上线。由于快速RTK有着“快”的特点，在野外放样工作中无需用对讲机传递导航数据方向流动站导航屏幕，促使工作轻松上点、上线，极大提高工作效率。

　　3.4 GPS随机软件的性能测试十分重要，但常被人们忽视

　　近年来笔者用不同的软件来处理相同数据，得出完全不同的结果。某些软件在小于10km的沿海地区和点间高差小于60m时，测试结果良好。但是一旦边长大于12km，点高差大于110m时，所测的结果同精确值之差就相差较大，追查原因，主要是软件采用的算法模型不精确，所测试结果含有系统误差。因此，建议在今后水利水电供水线路等遇到边长和点间高差较大的情况下，对使用前接收机进行认真测试，才能保证测绘任务的完成。

　　3.5 GPSAshtech快速—RTK主要的误差来源及存在的问题

　　GPS点位地质测绘的测量成果的可靠性和精确度取决于4个因素：接收机、处理软件、所测的卫星的几何图形强度和观测环境，这些因素中，观测环境的多径误差常常被人们忽略，但它却是主要的误差源(卫星星历(轨道)摄动误差、电离层修正残差和对流层修正折射残差)。

　　GPS的多径误差：顾名思义，GPS测量中的多径误差是由于卫星信号经过多条路径传播到天线而引起的。换言之，天线接收的信号除了直接信号外还有天线四周反射面经过一次或多次反射的信号，促使最终信号的波形发生扭曲，从而产生误差。

　　4 结束语

　　在GPS—RTK技术中，对预置RTK的置信度的依赖性，也有效缩短了解算时间。在快速定位测量的条件下，GPS—RTK已经成为人们所青睐的工具。地质测绘定位一点是将基准站采集的载波相位发给接收机，进行解算三维坐标，可以满足厘米级RTK定位精度的可信度与初始化时间要求，因此，在地质测绘中广泛应用GPS—RTK技术是适应社会发展的。

　　参考文献：

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　　[2] 严秀夫,谭文辉. 浅论GPS在地质工程测量中的应用[J]. 水利科技与经济. 2006(04)

　　[3] 张延辉,姜亚莉. 工程测量中关于GPS技术的应用[J]. 广东科技. 2008(14)

　　作者简介：张义海 内蒙古自治区第九地质矿产勘查开发院 内蒙古 锡林浩特市

　　本文刊登在《城市建设理论研究》2012年11月下旬第33期总第63期上