GPS(RTK)在龍巖礦山礦界測量的應(yīng)用研究

PAGEPAGE14題目：GPS(RTK)在龍巖礦山礦界測量的應(yīng)用研究專業(yè)：測繪工程【摘要】隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的礦山礦界測量的方法逐漸被用GPS(RTK)測量取代。本論文是對所學(xué)到的GPS相關(guān)知識在實踐中的一次具體應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)對GPS（RTK）在礦山礦界測量中的若干關(guān)鍵問題進行研究。論文包括兩個部分：普通部分、專題部分。目前，利用高精度的GPS接受機，采集和處理相應(yīng)數(shù)據(jù)以建立控制網(wǎng)已成為一種趨勢和發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵字】礦山礦界、GPS(RTK)、高精度、發(fā)展方向GPS(RTK)在龍巖礦山礦界測量的應(yīng)用研究1.引言 41.1傳統(tǒng)礦山礦界測量的方法 41.2GPS(RTK)引入礦山礦界測量的意義 41.2.1GPS（RTK）在測量中的優(yōu)點 41.2.2RTK的局限性和精度保障 41.3研究的內(nèi)容 52.GPSRTK技術(shù)測量的技術(shù)方案 52.1作業(yè)依據(jù) 52.2技術(shù)方案流程圖 63．控制測量 63.1搜集測區(qū)資料 63.2技術(shù)指標(biāo) 63.3GPS點位選埋 63.4埋石 64.E級GPS控制點靜態(tài)觀測 94.1測區(qū)取值所使用儀器 94.2測區(qū)概略定位解的取值 94.3作業(yè)過程， 94.4內(nèi)業(yè)計算及精度 95．RTK的作業(yè)過程 105.1基站選擇 105.2啟動基準(zhǔn)站 105.3建立新工程，定義坐標(biāo)系統(tǒng) 105.4點校正 105.5流動站開始測量 106．野外采集數(shù)據(jù)處理 116.1平面距離平差值 116.2高程擬合坐標(biāo) 127結(jié)論 138致謝詞 14參考文獻 151.引言GPS（RTK）技術(shù)是一種新興的礦區(qū)測量技術(shù)，本文通過對GPS（RTK）技術(shù)的工作原理和影響GPS(RTK)技術(shù)定位精度的因素進行分析，探討了GPS(RTK)技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用及其優(yōu)越性。并就RTK在實際測量中可能遇到的問題提出有益的見解。1.1傳統(tǒng)礦山礦界測量的方法以前，礦山礦界測量基本運用全站儀，礦山的礦界一般身處丘陵，山地或高山峻嶺上，運用全站儀測礦界就得克服山路難行、通視不佳、氣候惡略等困擾。而且傳統(tǒng)礦山礦界測量中，還無法運用編碼識別記錄測量數(shù)據(jù)，所以必須畫草圖，而礦山礦界地形一般復(fù)雜多樣，回來處理內(nèi)業(yè)時容易混淆。1.2GPS(RTK)引入礦山礦界測量的意義1.2.1GPS（RTK）在測量中的優(yōu)點工作效率高：在一般的地形地勢下，高質(zhì)量的RTK信號覆蓋測區(qū)廣，大大減少了傳統(tǒng)測量所需的控制點數(shù)量和測量儀器的設(shè)站次數(shù)，移動站一人操作即可，大大提高了工作效率。定位精度高：只要滿足RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)（一般為4km）RTK的平而精度和高程精度都能達到厘米級。全天候作業(yè)：RTK測量不要求基準(zhǔn)站、移動站間光學(xué)通視，只要求滿足“電磁波通視”，因此和傳統(tǒng)測量相比，RTK測量受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來難于開展作業(yè)的地區(qū)，只要滿足RTK的基木工作條件，它也能進行快速的高精度定位，使測量工作變得方便簡捷。RTK測量自動化、集成化程度高，數(shù)據(jù)處理能力強：RTK可進行多種測量內(nèi)、外業(yè)工作。移動站利用軟件控制系統(tǒng)，無需人工畫草圖，減少了輔助測量工作和人為誤差，保證了作業(yè)精度。操作簡單，易于使用：現(xiàn)在的儀器一般都提供中文菜單，只要在設(shè)站時進行簡單的設(shè)置，就可方便地獲得二維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強，能方便地與計算機、其他測量儀器通信。1.2.2當(dāng)然RTK也有其局限性，會影響到執(zhí)行上述測量任務(wù)的能力。所以我們更應(yīng)該全面了解RTK在測量中的局限性。其主要局限性不在于RTK本身，而是在于整個GPS系統(tǒng)。如前所述，GPS是靠接收兩萬多公里外的衛(wèi)星信號進行工作的。相對而言，這些信號頻率高、信號弱，不易穿透可能阻擋衛(wèi)星和GPS接收機之間視線的障礙物。事實上，存在于GPS接收機和衛(wèi)星之間路徑上的任何物體都會對系統(tǒng)的操作產(chǎn)生不良影響。有些物體如房屋，會完全屏蔽衛(wèi)星信號。因此,GPS不能在室內(nèi)使用。同樣原因,GPS也不能在隧道內(nèi)或水下使用。有些物體如樹木會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生阻擋，反射和折射作用。GPS信號的接收在樹林茂密的地區(qū)會很差。樹林中有時會有足夠的衛(wèi)星信號，但信號清晰度難以達到厘米水平的精確定位。因此，RTK在林區(qū)作業(yè)有一定的局限性。這并不是說，GPS（RTK）只適用于四周對空開闊的地區(qū)。RTK測量在部分障礙的地區(qū)也可以是有效而精確的。其奧秘是能觀測到足夠的衛(wèi)星來精確可靠地實現(xiàn)定位。在任何時間、任何地區(qū)，都可能會有7到10顆GPS衛(wèi)星可用于RTK測量。RTK系統(tǒng)的工作并不需要這么多顆衛(wèi)星。如果天空中有5顆適當(dāng)分布的衛(wèi)星，就可作精確可靠的定位。有部分障礙的地點只要可以觀測到至少5顆衛(wèi)星，就有可能做RTK測量。在樹林或大樓四周作測量時，只要該地留有足夠的開放空間，使RTK系統(tǒng)可觀測到至少5顆衛(wèi)星，RTK測量就有成功的條件。在論述RTK技術(shù)的原理時，我們知道,RTK測量的關(guān)鍵是確定整周未知數(shù)，能否連續(xù)地、可靠地接收基準(zhǔn)站播發(fā)的信號，是RTK能否成功的決定因素。在實際應(yīng)用中，來自各方面的干擾，降低了RTK的可靠性和精度。研究表明，為了保證地物點的測量精度，我們在選點時要采取以下措施:1、點位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收機設(shè)備、視野開闊、視場內(nèi)周圍障礙物高度角應(yīng)小于15°(如可以選在最高建筑物的頂樓)。2、點位應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、微波站、微波通道等)，其距離不小于200m；遠離高壓電線，距離不小于50m。3、點位附近不應(yīng)有大面積的水域或強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體。4、點位選擇要充分考慮到與其它測量手段聯(lián)測和擴展。5、點位要選在交通方便的地方，以提高工作效率。6、點位要選在地面地基堅硬的地方，易于點的保存。除此之外，為了保證地物點的測量精度，我們還要對接收機天線進行校驗，選擇有削弱多路徑誤差的各種技術(shù)的天線。同時，我們還要不斷利用新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以削弱各種誤差帶來的影響。利用GPS（RTK）技術(shù)靈活應(yīng)用性比較大,可以隨時測定界樁,確定礦山區(qū)域界限使用范圍,計算礦山用地面積,這對于身處丘陵,山地或高山峻嶺,而又缺少GPS控制或國家控制點的礦山礦權(quán)實地核查,應(yīng)用RTK移動站勘測定界放樣快捷簡便,礦界內(nèi)面積量算,由GPS軟件中的面積計算功能直接計算,并進行檢核。避免了常規(guī)解析法放樣的復(fù)雜性,簡化礦山礦權(quán)核查勘測定界的工作程序,大大提高了工作效率。1.3研究的內(nèi)容本論文主要介紹GPS(RTK)的基本原理、系統(tǒng)組成、技術(shù)特點、誤差來源和使用方法及操作步驟，并利用GPS(RTK)在礦山礦界測量中測定界樁，界址點，引入實測數(shù)據(jù)，對測量結(jié)果進行精度分析。通過對礦山界址點的精度分析，得出了GPS(RTK)的測量精度是可以達到界址點測量的精度要求的結(jié)論，并且通過工程實例說明了GPS(RTK)具有工作效率高、定位精度高、全天候作業(yè)、數(shù)據(jù)處理能力強和操作簡單易于使用等特點。2.GPSRTK技術(shù)測量的技術(shù)方案根據(jù)作業(yè)依據(jù)，編寫技術(shù)方案，總結(jié)以往在收集數(shù)據(jù)與處理內(nèi)業(yè)過程中遇到的問題和解決的方法制定工作流程，依據(jù)規(guī)范要求編寫技術(shù)方案。2.1作業(yè)依據(jù)GB/T18314-2001《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，簡稱《GPS規(guī)范》GB50026-2007《工程測量規(guī)范》GB/T7929-1995《1:500,1:1000,1:2000地形圖圖式》，簡稱《圖式》GB14804-93《1:500,1:1000,1:2000地形圖要素分類與代碼》FCB001-2005《福建省1:500,1:1000,1:2000基本比例尺數(shù)字地形圖測繪技術(shù)規(guī)定》GB/T18316--2001《數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗收規(guī)定和質(zhì)量評定》本項目的《技術(shù)設(shè)計書》2.2技術(shù)方案流程圖礦山礦界測量的一般工作流程見:圖2-1礦山界址點選點埋石礦山界址點選點埋石野外數(shù)據(jù)采集野外數(shù)據(jù)采集與計算機通訊與計算機通訊出圖內(nèi)業(yè)編制成圖出圖內(nèi)業(yè)編制成圖圖2-1數(shù)字化測圖的工作流程3．控制測量3.1搜集測區(qū)資料測區(qū)位于龍巖市東南部，東經(jīng)約117°04′，北緯約25°00′，距離市區(qū)約15公里。國道G319線、漳龍高速公路貫穿區(qū)內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)有多條簡易公路，交通尚屬方便。區(qū)內(nèi)通行普通話。測區(qū)海拔400～800米，植被茂密，屬山地及高山地類型。測區(qū)存在許多老探井、探槽，通行通視困難；測區(qū)原有許多露天采場，地形較破碎，并且工期一個月，給作業(yè)帶來實際的難度與安全風(fēng)險。3.2技術(shù)指標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng):平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954北京坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影，3度分帶第39帶，中央子午線為117°；高程系統(tǒng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)。3.3GPS點位選埋⑴GPS待定點采取先于1∶5000圖上初步選出，再赴實地最后選定。全網(wǎng)各點相互間至少保證鄰近兩點通視，點位均選在基礎(chǔ)穩(wěn)定，土質(zhì)堅實的地上，方便長期保存利用。⑵便于安置接收機設(shè)備和信號接收，視場內(nèi)障礙物的高度角均小于15°以下。⑶遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、微波站等），其距離大于200m；遠離高壓輸電線，其距離不得小于50m。⑷附近無強干擾衛(wèi)星接收的物體，并盡量避開大面積水域。⑸GPS點位選定后，測區(qū)外的點提交點之記。如圖（3-3）3.4埋石3.4.1埋石點號編寫E級GPS點的編號除利用舊點外，都冠以“E”，后面加數(shù)字編號，如：E09、E10……E24。點的編號在路線中盡量做到順序連號，避免產(chǎn)生混亂。E級GPS標(biāo)石面均刻制點號“Ei”，并統(tǒng)一用油漆描紅。3.4.2點位埋設(shè)規(guī)格見：圖3-1圖3-1（單位：cm）3.4.3點位中心標(biāo)志點位中心標(biāo)致均為:Φ5cm×0.5cm的不銹鋼頂蓋，中間焊接10cm長Φ0.8cm的實心不銹鋼螺絲，底部有螺絲帽。不銹鋼頂蓋中間有球面隆起，并刻有“＋”字叉，不銹鋼標(biāo)志面上部刻有“龍巖山水測繪”，下部刻有點號。如下圖3-2：圖3-2（單位：cm）GPS點點之記日期:2011年10月03日點名及種類點名:E10平面等級:E高程等級:通視情況E10與E11通視埋石情況數(shù)碼相片所在地福建馬坑礦業(yè)股份有限公司礦區(qū)土質(zhì)水泥交通路線從龍巖出發(fā)，沿319國道往適中方向行駛到馬坑村從左岔路行駛到中煤礦山建設(shè)集團七十一工程處(馬坑鐵礦項目部)，其余見略圖。所在圖幅概略位置X:2765977Y:509157略圖及說明施測單位龍巖市山水測繪有限公司接收單位福建馬坑礦業(yè)股份有限公司測量員許財源記錄者陳偉強校對者許財源圖3-34.E級GPS控制點靜態(tài)觀測4.1測區(qū)取值所使用儀器本區(qū)使用華測X20型5臺套以上接收機同步觀測一組衛(wèi)星。4.2測區(qū)概略定位解的取值為東經(jīng)：117°00′、北緯：25°00′。觀測作業(yè)時PDOP強度因子均小于或等于4，觀測段均具有同步的4顆以上的可見衛(wèi)星，衛(wèi)星高度角均大于15°。4.3作業(yè)過程，光學(xué)對點器均按要求進行檢校，作業(yè)中各測站均進行嚴格對中和整平；天線定向標(biāo)志線指向正北；天線高的量測，按規(guī)定要求采用特制專用測高尺，每測站觀測前后各量取天線高一次，兩次量高之差小于3mm，取平均值作為最后天線高。觀測時聽從統(tǒng)一的調(diào)度指揮，并編好作業(yè)時段和時間計劃安排表，外業(yè)觀測每站每時段均記錄手簿。4.4內(nèi)業(yè)計算及精度4.4.14.4.2a.計算同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率，其值均小于10﹪；b.計算同步邊各時段平差值的中誤差與相對中誤差，GPS基線相對中誤關(guān)計算公式：σ=EQ\R(,(a2+(b·d)2))式中：σ標(biāo)準(zhǔn)差，mm；a固定誤差≦10mm；b比例誤差系數(shù)≦4.4.3同一條邊任意兩個時段的成果互差，均小于接收機標(biāo)稱精度的2倍。4.4.4若干個獨立觀測邊組成閉合環(huán)時，各坐標(biāo)分量閉合差均符合下式規(guī)定Wx≤3；Wy≤3；Wz≤3；式中；n閉合環(huán)中的邊數(shù)；ó相應(yīng)級別規(guī)定的精度（按平均邊長計算）。4.4.5Wx≤35σ；Wy≤35W=EQ\R(,W2x+W2y+W2z)≤3σ/54.4.64.4.74.4.8同步環(huán)閉合差0.31～15.44ppm、異步環(huán)閉合差1.38～11.82ppm、復(fù)測基線的向量較差1.99～5.31ppm，均符合規(guī)范要求。起算數(shù)據(jù)及平差結(jié)果準(zhǔn)確，輸出成果資料齊全，測量精度符合《GPS規(guī)范》要求。E級GPS控制網(wǎng)平面點位中誤差±0.007m～±0.015m，高程點最大點位中誤差±0.01m,控制網(wǎng)精度良好。5．RTK的作業(yè)過程5.1基站選擇基準(zhǔn)站點位應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作,視野開闊,周圍無高度角超過10度的障阻物,以保證GPS觀測順利進行?；鶞?zhǔn)站須遠離高壓輸電線路,基準(zhǔn)站附近不得有強烈干擾接收衛(wèi)星信號的物體,基準(zhǔn)站周圍無GPS信號反射物?；鶞?zhǔn)站應(yīng)盡量布設(shè)在相對較高的位置,GPS電臺的功率和覆蓋能力應(yīng)獲得最大的數(shù)據(jù)通訊有效半徑,方便發(fā)送差分改正信號。5.2啟動基準(zhǔn)站將基準(zhǔn)站架設(shè)在上空開闊、沒有強電磁干擾、多路徑誤差影響小的控制點上，正確連接好各儀器電纜，打開各儀器，將基準(zhǔn)站設(shè)置為動態(tài)測量模式。5.3建立新工程，定義坐標(biāo)系統(tǒng)新建一個工程，即新建一個文件夾，并在這個文件夾里設(shè)置好測量參數(shù)[如橢球參數(shù)、投影參數(shù)等。這個文件夾中包括許多小文件，它們分別是測量的成果文件和各種參數(shù)設(shè)置文件，如*.dat、*.cot、*.rtk、*.ini等。5.4點校正CPS測量的為WCS84系坐標(biāo)，而我們通常需要的是在流動站上實時顯示國家坐標(biāo)系或地力獨立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這需要進行坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，即點校正。點校正可以通過兩種方式進行。(1)在已知轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下。如果有當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)與WCS84坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，則可以在測量控制器中直接輸入，建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。如果上作是在國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)下進行，而且知道橢球參數(shù)和投影方式以及基準(zhǔn)點坐標(biāo)，則可以直接定義坐標(biāo)系統(tǒng)，建議在RTK測量中最好加入1-2個點校正，避免投影變形過大，提高數(shù)據(jù)可靠性。(2)在不知道轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下。如果在局域坐標(biāo)系統(tǒng)中工作或任何坐標(biāo)系統(tǒng)進行測量和放樣工作，可以直接采用點校正方式建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式，平面至少3個點，如果進行高程擬合則至少要有4個水準(zhǔn)點參與點校正。5.5流動站開始測量(1)單點測量：在主菜單上選擇“測量”圖標(biāo)打開，測量方式選擇“RTK”,再選擇“測量點”選項，即可進行單點測量。注意要在“固定解”狀態(tài)下，才開始測量。單點測量觀測時間的長短與跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星圖形精度、觀測精度要求等有關(guān)。當(dāng)“存儲”功能鍵出現(xiàn)時，若滿足要求則按“存儲”鍵保存觀測值，否則按“取消”放棄觀測。(2)放樣測量：在進行放樣之前，根據(jù)需要“鍵入”放樣的點、直線、曲線、DTM道路等各項放樣數(shù)據(jù)。當(dāng)初始化完成后，在主菜單上選擇“測量”圖標(biāo)打開，測量方式選擇“RTK”,再選擇“放樣”選項，即可進行放樣測量作業(yè)。在作業(yè)時，在手薄控制器上顯示箭頭及目前位置到放樣點的方位和水平距離，觀測值只需根據(jù)箭頭的指示放樣。當(dāng)流動站距離放樣點就距離小于設(shè)定值時，手薄上顯示同心圓和十字絲分別表示放樣點位置和天線中心位置。當(dāng)流動站天線整平后，十字絲與同心圓圓心重合時，這時可以按“測量”鍵對該放樣點進行實測，并保存觀測值。6．野外采集數(shù)據(jù)處理6.1平面距離平差值2ppm、復(fù)測基線的向量較差1.99～5.31ppm，均符合規(guī)范要求。范起點止點北向(x)/中誤差東向(y)/中誤差平距中誤差相對誤差(m)(m)(m)(m)E001E00261.76660.0020-185.19930.0018195.22780.00271:71188E003225.82740.001219.64450.0014226.68020.00191:121660E006-581.36360.0031-1416.53900.00271531.19770.00411:370285E007-460.91240.0031-1607.27690.00271672.05840.00411:407874MK03-1185.21430.0030-1564.28100.00271962.57690.00401:491864MK04-658.08730.0030-1679.44100.00271803.77410.00401:452067E002E003164.06080.0019204.84380.0017262.44410.00251:104866E006-643.13020.0032-1231.33970.00271389.17740.00421:331703E007-522.67900.0032-1422.07750.00261515.09010.00411:370407MK04-719.85390.0031-1494.24170.00271658.59810.00411:407849E003E004334.99730.0025171.25090.0022376.23140.00331:113295E005390.22110.0026-227.29680.0021451.59310.00331:137095E006-807.19100.0032-1436.18350.00281647.47700.00431:385256E007-686.73980.0032-1626.92140.00271765.92320.00421:421775MK03-1411.04170.0030-1583.92550.00252121.28700.00391:544452MK04-883.91470.0030-1699.08550.00251915.25370.00391:491573E004E00555.22380.0028-398.54780.0024402.35550.00371:109619E0091619.01820.0029-508.81270.00291697.08880.00411:417112MK03-1746.03900.0035-1755.17640.00322475.74160.00471:522743MK04-1218.91200.0035-1870.33640.00322232.46610.00471:471377E005E0081217.00870.002311.11510.00231217.05940.00321:374689E0091563.79440.0027-110.26500.00261567.67710.00381:417727MK03-1801.26280.0031-1356.62870.00272254.99200.00411:548681MK04-1274.13580.0031-1471.78870.00271946.68540.00411:473665E006E007120.45120.0019-190.73780.0018225.58680.00271:84910E0101531.04100.0029491.46050.00321607.98630.00431:376313E0111730.33350.0028671.87870.00281856.19900.00401:469786E007E0101410.58980.0027682.19830.00301566.89440.00411:385233E0111609.88230.0025862.61650.00261826.42500.00361:512653KD22469.40750.0022-609.31300.0022769.15910.00311:245465E008E009346.78580.0018-121.38010.0019367.41460.00261:141593E010-883.37980.0029-728.54130.00261145.04680.00391:296861E011-684.08730.0022-548.12310.0020876.59250.00301:297074GPS7-105.48750.0025-1258.86070.00261263.27270.00361:353761E009E011-1030.87300.0027-426.74310.00261115.71000.00371:302852GPS7-452.27320.0029-1137.48070.00301224.09700.00421:290370E010E011199.29250.0022180.41820.0024268.82750.00331:82245GPS7777.89230.0023-530.31940.0027941.46430.00361:264124KD22-941.18230.0031-1291.51130.00361598.06930.00481:334069E011GPS7578.59980.0020-710.73760.0023916.47460.00311:299996KD22-1140.47480.0029-1471.92950.00311862.05780.00431:436581MK03MK04527.12700.0000-115.16000.0000539.55970.00001:248538356.2高程擬合坐標(biāo)GPS得到的是在WGS84坐標(biāo)系下的大地高高程，而一般國家所用的高程數(shù)據(jù)，是正常高高程，兩者之間存在高程異常，可以通過擬合的方式進行高程異常的結(jié)算，從而用大地高取代正常高進行使用。其中高程擬合表如表：6-2表6-2高程擬合坐標(biāo)站點高程(m)改正值(m)E001573.12840.0033E002594.09770.0042E003584.48990.0030E004617.31510.0047E005618.01120.0053E006495.29160.0038E007491.59930.0029E008784.45880.0034E009817.14610.0040E010662.67080.0044E011633.87150.0031GPS7593.8770KD22664.80440.00