GPS在地质勘查测量中的应用.docx
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GPS在地质勘查测量中的应用
GPS在地质勘查测量中的应用
学院：
武汉大学
专业：
工程测量
学号：
200652583435
姓名：
王建勇
指导老师：
王正涛
目录
1.引言2
2.GPS定位技术基本原理2
3.工程实例及分析3
4.结语8
GPS在地质勘查测量中的应用
学院：
武大福州函授站专业：
06工程测量学号：
200652583435姓名：
王建勇
指导教师：
王正涛
【摘要】为了满足地质勘查区域大比例尺测图和工程定位的需要，根据精度要求和相关规范规定采用GPS静态定位方法建立矿区控制网，所用时间短、布网方法灵活、选点方便、点位精度高、误差分布均匀，观测具有全球性、全天候、连续性和实时性，在地质勘查测量中取得很好的社会效率和经济效益。
【关键词】GPS；静态相对定位；地质勘查测量；
1.引言
自从GPS技术应用于测量工作以来，该技术已逐渐成为建立平面控制网的主要技术手段，应用范围也越来越广。
近年来，GPS技术在地质矿产勘查中对各类勘查工程控制网的布设和直接放样、定测各类地质勘查工程点的作用，也越来越被人们所重视。
地质勘查工程测量大多在地形复杂的山区进行，如用传统的测量方法需要大量的人力、物力，作业周期长，用GPS结合全站仪在地质勘查测量中应用就能取到事倍功半的作用。
从GPS在地质勘查工程测量的实际应用中，我们可以看到GPS测量的优越性，充分显示了卫星定位技术的无需通视、速度快、精度高等特点，具有明显的经济和社会效益。
2.GPS定位技术基本原理
GPS测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，从而求得待定点的空间位置，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。
1.GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20200km，运行周期为11小时58分。
卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。
在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。
2.GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。
主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
3.GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。
GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，通过连续跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量，采用载波相位测量局域差分法，在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度，求解整周模糊度，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机测站点的三维坐标。
3.工程实例及分析
3.1.概述
2008年8月至9月间，我院对福建省某煤矿地质详查勘探区进行地勘测量工作，该矿区位于东经117°47′～117°48′，北纬26°01′～26°03′。
该测区面积12Km2，属丘陵地形，测区内机耕道及小路较多，交通较为便利。
测区内植被较少，地表以经济林、旱地，杂草居多，经济林多以油茶、柑桔、杉木、茶叶为主，部分地段高差较大，通视情况及测量难度一般。
为了满足勘查需要，我院在该区布设四等GPS控制网，采用全球定位系统（GPS）测量技术，布设4个GPS控制点，埋设标石4座。
观测采用检验合格的三台加拿大生产的诺瓦泰Smart3100IS（水平5mm+1ppmD，垂直10mm＋2ppmD）GPS接收机，内业采用SpectrumSurvey3.23随机附带软件进行解算和平差。
以矿区附近的两座国家二等点麒麟寨和剑刀寨为起算点，平面采用1954年北京坐标系，中央子午线117°，高斯—克吕格投影，3°分带，第39带。
高程采用1956年黄海高程系。
3.2.矿区地质详查对控制测量精度的要求
矿区地质勘查工程测量的工作任务主要是根据矿区大小布设符合《规范》要求的平面及高程控制网；放样矿区内各类需施工的地质勘查工程点位，如剖面点、钻孔、硐口、槽探、小园井等；定测施工后的各类工程点。
这些工程点位置的定位、放样，其点位中误差，一般以矿区所使用的地形图为准，不大于图上0.1mm，勘查区的一般工程施工放样和定线定位所需的控制精度，应以最低一级控制点的点位中误差不超过±5cm（相对误差1/20000）的精度指标为准。
对于重要的工程施工放样和定线定位所需的控制精度，应以最低一级基本控制点的点位中误差不超过±2.5cm（相对误差1/40000）的精度指标为准。
3.3.GPS野外作业流程及其注意事项
3.3.1.选点、埋石。
按技术设计要求，在保证图形结构的前提下，尽可能使布设的控制点能均匀地覆盖整个测区，且离已知控制点距离不超过10km。
点位目标要显著，视野开阔，便于接收设备的安装；视场周围15°以上不能有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或吸收；点位应远离电视台、微波站等大功率无线电发射源200米处，远离高压线50米，以避免电磁场对GPS信号的干扰；远离大面积水域或会干扰卫星信号接收的物体，以减少多路径效应的影响；点位应选在交通方便、利于其他观测手段的扩展与联测地方；点位在现场浇灌符合《规范》的有中心标志的混凝土标石。
3.3.2.野外观测。
GPS外业观测数据的质量，对提高整个GPS网的成果精度，起决定性作用。
（1）调度。
合理按排观测时间，观测时段的安排最好避开中午11点至13点的时间段。
时段安排后，填写计划时段表，并明确指示测量员测站行程，最好采用边连式的方法按排观测顺序。
（2）观测。
在需观测的点上架设仪器，进行仪器的整平、对中及开机。
通常要注意的是：
在整平及对中过程中，先不要将GPS天线盘架在脚架上，仅架上基座即可。
光学对中因仪器高及个人视力不同，而有不同的焦聚，所以在对中之前应该要调整到最适合的焦聚，避免对中上有像差的发生。
GPS天线盘安装好之后，将天线盘的指示方向指向北方（若不知道北方在那，可利用石桩上刻字判别之，字的正向为北方），量测三个方向上的GPS天线盘高（北方、东南及西南）并记录下来。
把各种部件固定好后开机。
（3）记录。
手簿是数据下载及内业计算最重要的信息记录，外业观测的过程都必须要经由手簿的记载来完成，因此手簿数据的记载务必要求正确、详尽。
注意事项：
注意正确记载点名、点号、序号、仪器编号、天线高度、开关机时间。
（4）意外状况处理。
摆设GPS人员尽可能留在仪器旁边，不要让仪器离开视线范围之外，十分钟左右需至接收仪查看一次，注意数据有无持续接收、电池剩余电量等。
注意事项：
任何意外造成仪器对中、整平的移动甚至倾倒，则应立即关机重新架设，并在手簿上记录关机及开机时间；若意外断电，换上新电池，重新开机，记录断电及重开机时间；若有本身无法排除之困难，则立即回报并记录状况。
每次重新开机后都需重新按《规定》观测相应长的时间段。
3.3.3.内业数据处理。
（1）资料下载。
GPS外业观测采集的数据须经由传输线与电脑连接下载或经由记忆磁卡传输至计算机中，将所有接收机数据下载完后，进行资料检核，按当日计划时段表核对手簿上各时段之点号是否相符，观测时段是否相符，天线高是否正确，若有不符者要及时找出不符之原因，若有遗漏则应及时补充、改正。
（2）基线解算。
按指定的数据类型录入GPS观测数据后，软件会自动分析点位上采集到的数据的内在关系，并生成静态基线，基线处理的过程可分为如下几个主要部分：
（1）设定基线解算的控制参数，主要包括数据采样间隔、截止角、参考卫星、基线导入规则及其电离层和解算模型的设置等。
（2）外业输入数据的检查与修改，在录入了外业观测数据后、在基线解算之前，在读入GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查。
检查的项目包括测站名、点号、测站概略坐标、天线高等。
对这些项目进行检查的目的是为了避免外业操作时的误操作。
（3）基线解算，基线解算的过程一般是自动进行的，无需人工干预。
一般说来，在足够长的同步观测时间和得到足够多的观测数据的情况下，在整周模糊度得到正确的固定后，进行双差固定解算，双差固定解的精度最高。
（4）基线质量的检验。
基线解算完毕后，基线结果并不能马上用于后续的处理，还必须对基线的质量进行检验。
只有质量合格的基线才能用于后续的处理，如果不合格则需要对基线进行重新解算或重新观测。
基线的质量检验需要通过RATIO、RDOP、RMS、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。
本测区四等GPS控制网平均边长为3.04km，按照规范，四等GPS网相邻点间基线长度精度即标准差为：
δ=√（a2+（bd×10-6）2）=0.062m
式中：
固定误差a=10mm；比例误差b=20ppm；d为平均边长。
为了评估外业观测成果质量，保证外业成果达到相应精度，外业结束后立即在驻地对数据进行处理和检核，构成GPS网的基线向量在网中几何图形为三角形，观测时间均在40分钟以上，有效卫星数大于6颗，重复设站为1.8，各测站数据剔除率小于10%，外业观测数据良好。
基线解算结果见表1：
表1基线处理结果表
基线向量/测号
解算类型
基线长度
使用观测量
Ratio
RMS
GPS1-麒麟寨
01
固定
（L1）
1414.562
99.34%
4.1
0.007
02
固定
（L1）
1414.565
98.78%
6.9
0.008
GPS2-麒麟寨
01
固定
（L1）
1629.547
97.89%
4.1
0.008
02
固定
（L1）
1629.541
92.61%
4.3
0.004
GPS1-GPS2
01
固定
（L1）
532.616
99.71%
4.0
0.007
GPS1-GPS3
01
固定
（L1）
2500.902
99.95%
4.6
0.004
02
固定
（L1）
2500.898
100.00%
4.1
0.005
GPS1-剑刀寨
01
固定
（L1）
6592.297
99.90%
4.4
0.007
GPS1-GPS4
01
固定
（L1）
2989.187
100.00%
4.7
0.005
GPS2-GPS3
01
固定
（L1）
2363.410
95.13%
5.9
0.007
02
固定
（L1）
2363.409
96.55%
5.1
0.007
GPS2-剑刀寨
01
固定
（L1）
6725.755
99.95%
9.0
0.005
GPS2-GPS4
01
固定
（L1）
3000.664
96.55%
5.4
0.006
GPS3-剑刀寨
01
固定
（L1）
4712.268
99.95%
7.6
0.004
02
固定
（L1）
4712.267
99.95%
4.7
0.007
03
固定
（L1）
4712.265
99.96%
7.2
0.005
GPS3-GPS4
01
固定
（L1）
947.769
99.87%
8.7
0.005
02
固定
（L1）
947.775
100.00%
4.6
0.005
03
固定
（L1）
947.775
99.95%
6.8
0.007
GPS4-剑刀寨
01
固定
（L1）
3828.835
99.83%
8.4
0.005
网中重复向量检验结果见表2：
表2重复向量检验表
重复向量
重复向量之差
允许值
相对精度
GPS1-麒麟寨
0.003
0.017
1/470000
GPS2-麒麟寨
0.006
0.017
1/270000
GPS1-GPS3
0.004
0.017
1/620000
GPS3-剑刀寨
0.003
0.017
1/1570000
GPS3-GPS4
0.006
0.017
1/160000
基线长度较差允许值以ds=2√2×δ=0.017m公式计算，其较差都在限差以内，证明外业质量符合下一步计算的要求。
网中同步环和异步环检验结果见表3：
表3同步环和异步环检验表
项目名称
同步环
异步环
最大
最小
平均
最大
最小
平均
精度（ppm）
1.77
0.20
0.98
2.35
0.42
1.25
闭合差（m）
0.042
0.008
0.016
0.065
0.012
0.033
该四等GPS网共观测7个时间段，按照规范要求，闭合差允许值为：
Wx≤2√n×δ；Wy≤2√n×δ；Wz≤2√n×δ，WS≤2√3n×δ式中：
n—闭合环边数；δ—标准差。
则三边同步环闭合差WS≤2√3n×δ=0.215m，异步环闭合差：
当n为6时，闭合差允许值WS=0.303m。
从表3可以看出，网内同步环闭合差均小于限差，异步环闭合差也都在误差范围内，说明外业仪器性能稳定，采集的数据质量可靠，可以进行网平差。
（3）GPS网平差。
网平差就是在基线向量处理后，通常需要将基线向量的成果转化成用户需要的国家坐标或地方坐标。
GPS网平差的主要步骤：
（1）各项平差参数的设定。
包括坐标系中央子午线、X和Y方向的加常数设定、三维平差、二维平差、水准高程拟合参数的设定。
（2）已知坐标的输入。
在进行了网平差的设置后，选择已知控制点，并输入该已知点的固定方式及固定坐标值。
输入完成后，勾选约束选项。
（3）自由网平差。
软件将自动进行自由网平差。
自由网平差主要显示所有参与自由网平差的基线向量的改正数、平差值以及X、Y、Z三个方向及点位中误差等信息，同时自由网平差也可再次对基线解算的质量等进行检验。
对于自由网中不合格的静态基线，可以禁止它参与网平差，如该基线是不能删除的、或在基线网中非常重要，则需要重新解算，必要时需重新进行外业观测。
（3）二维约束平差。
在自由网平差的基础上，可以进行二维约束平差，以便得到我们所需要的国家坐标系或地方坐标系下的GPS网点的平面坐标。
选择二维约束平差，并且至少对一个在基线向量网中的观测站点进行X、Y（北向、东向）约束，将进行二维约束平差，成果报告中列出了二维平差得到的四个转换参数、二维平差每两个相邻点之间的平面距离及误差以及各观测站点的平面坐标及误差。
（4）水准高程拟合。
在网平差设置中选择水准拟合，并且至少对一个在基线向量网中的观测站点进行了B、L、H或X、Y、H中的水准高程进行约束。
水准高程拟合的成果报告中列出了水准拟合的方法及得到的转换参数、水准拟合后的水准高及其误差。
（5）网平差结果的检验。
在网平差结束后，应对网平差结果进行检验，网平差的检验主要通过改正数、中误差以及相应的数理统计检验结果等项来评价。
各项检验都通过后就可以导出网平差报告。
在WGS—84坐标系中以剑刀寨为起算点进行GPS网无约束平差，其精度统计见表4：
表4无约束网平差表精度表
项目
基线向量改正数（mm）
点位中误差（mm）
相对中误差
V△X
V△Y
V△Z
水平
垂直
最大值
4.1
4.3
2.9
3.9
1/231590
1/231578
最小值
1.5
1.2
1.7
2.7
1/2059441
1/2059339
平均
2.7
2.3
2.0
3.1
1/882547
1/664785
根据规范要求在无约束平差中，基线向量的改正数（V△X、V△Y、V△Z）绝对值应满足下式要求：
V△X≤3δ=0.18m、V△Y≤3δ=0.18m、V△Z≤3δ=0.18m。
在无约束网平差的基础上，以剑刀寨和麒麟寨为约束点进行GPS网约束平差，其精度统计见表5：
表5约束网平差表精度表
项目
同名基线改正数较差（mm）
点位中误差（mm）
相对中误差
V△X
V△Y
V△Z
水平
垂直
最大值
2.2
3.1
5.6
3.1
1/228574
1/231575
最小值
0
0
0
2.7
1/1021997
1/1106751
平均
0.6
1.1
2.0
2.9
1/681532
1/527593
根据规范要求在约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差（dV△X、dV△Y、dV△Z）应符合下式要求：
dV△X≤2δ=0.12m、dV△Y≤2δ=0.12m、dV△Z≤2δ=0.12m。
上述网平差表明，该控制网基线相对精度最低为1/23万，最弱点位中误差为3.1mm，在高斯平面上二维约束平差后其边长相对精度、平面点位中误差均优于常规四等三角点测量精度指标。
4.结语
本矿区施测的四等GPS控制网，边长最长6.7km、最短0.6km、平均边长3.0km，点位布设均匀基本全面覆盖整个测区，每个点都有通视方向，便于使用全站仪加密。
点位选择合适，能够长期保存，标石露出地面3～5cm，易于寻找；基线向量经过同步环、异步环检验全部达到限差以内；在北京54坐标系中，最弱边相对中误差为1/23万，相对点位中误差最大±3.1mm，成果完全能够满足地质勘查要求。
由此可看出，由于地质勘查区一般在山高林密、交通不便、已知控制点少的地段，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。
采用GPS技术测设控制网，比常规方法适应性更强，网的图形结构灵活、简单，点的疏密和边的长短可灵活选取，即使离已知控制点较远也可以连接，并进行控制网的定位和定向。
另外，它解决了点位之间无法通视的困难，选点灵活，不必每个点都布在最高的山上，也不必每个点都互相通视，也不需要高觇标，同时外业施测受天气影响不大。
当离控制点较远和通视条件特别困难时，尤其能够显示其优越性。
GPS控制网点位精度高、误差分布均匀，因其图形强度系数高，不但能够满足《规范》要求，而且具有较大的精度储备。
综上所述，在地质勘查工程测量中，采用GPS技术进行高等级控制网的测量，比常规控制测量具有更大的优越性和适应性，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等优点，在资金上和时间上有明显优势，用较短的作业时间达到了预期的目的，为保证按时完成其他工作的及时开展打下了坚实的基础。
同时也存在一些不足，还有待于进一步研究改善来适应实际测量工作。
相信随着该技术的飞速发展和普及，以及相关技术的创新，GPS定位技术将在测绘领域中得到更加广泛的应用。
【参考文献】
[1]《GPS卫星测量原理及应用（修订版）》武汉大学
[2]《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2001
[3]《地质矿产勘查测量规范》（GB/T18341—2001）
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