GPS技术在地质勘查中的应用课件

,编制：马永吉,中国地质大学（北京）2002级天津华勘局工程硕士班工程硕士学位论文答辩陈述,论文题目,GPS技术在地质勘查中的应用答辩人：马永吉导师：武法东教授,陈述纲要,一、前言二、GPS简介三、测区地方独立坐标系的选择四、基线向量解算的优化技术五、WGS-84平差坐标向测区地方独立坐标系的转换六、RTK作业时坐标系转换参数的确定七、GPS水准测量在地质勘查中的应用八、应用实例九、结束语,一、前言1、选题依据及研究意义,近几年，国家加大了地质勘查事业费的投入，各种来源的民营资本也积极参与矿产资源的勘探与开发，地质勘查市场处于火爆之中。地质勘查行业的掘起，对地勘测绘的工作效率提出了更高的要求，传统的测量手段与方法已经不能适应当前的地勘测绘任务，正逐步被以GPS测量为主的现代测绘方法所取代。作为一种新型的测量手段，在实际运用中有许多技术问题有待我们进一步探讨、论证和完善，有许多操作技巧和实践经验需要我们交流和沟通。,2、目前地质勘查测作的特点,（1）地质勘查测量范围小（50km2）；在国土资源交易大厅挂牌交易的探矿证和采矿证范围都比较小，一般只有几平方公里，大的也不过几十平方公里。（2）地质勘查测量要求工期紧、质量高；大多数的民营探矿权持有人为了尽快取得效益，避免不可预见的投资风险，要求地质勘查单位提交勘查报告的工期特别短。（3）为了确定探矿边界和采矿边界，把探矿证或采矿证上的界线拐点坐标在实地精确测定出来，不管勘查范围有多大，多数的民营矿权持有人都要求测区坐标系统和国家坐标系统联测。（4）勘查区一般地处偏远的山区，和国家控制网和水准网联测困难。,3、研究内容,（1）为了确定探矿边界和采矿边界，测区地方独立坐标系如何选择；（2）静态GPS相对定位中初次解算出的不各格基线如何进行优化处理；（3）如何完成高精度的GPS控制网WGS-84平差坐标向测区地方独立坐标系的转换；（4）GPSRTK的定位原理、工作流程是什么，工作中应注意哪些问题，它能完成哪些地质勘查测量任务，最重要的坐标系转换参数如何确定；（5）GPS水准方法在地质勘查高程测量中能达到什么样的精度。,二、GPS简介1、GPS卫星信号示意图,2、GPS相对定位原理示意图GPS卫星GPS信号接收机GPS信号接收机,三、测区地方独立坐标系的选择1、地质矿产勘查测量规范对坐标系统的要求对平面坐标系统的要求（1）测区坐标系应采用1980年西安坐标系，也可以使用1954年北京坐标系。当长度变形值不大于2.5cm/km时，应采用高斯正形投影国家统一3带的平面直角坐标系统。（2）长度变形值大于2.5cm/km时，可依次采用投影于高斯平面上的任意带的平面直角坐标系统或投影于测区平均高程面或任意高程面上的任意带的平面直角坐标系统。（3）小范围的地质勘查测区（50km2）可以使用独立坐标系，在地面上不经归化投影直接建立坐标系统。对高程系统的要求（1）测区高程控制网应采用1985国家高程基准，也可以使用1956年黄海高程系。（2）地质勘查范围不大的小测区，可使用独立高程控制网。,2、长度投影变形计算公式（1）地面实量边长归算到参考椭球体面上的变形影响，其值依下式算：公式（4-1）式中，Hm为归算边高出参考椭球面的平均高程；s为归算边的长度；R为归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径。（2）将参考椭球面上边长归算到高斯投影面上的变形影响，其值依算：公式（4-3）式中,S0SS1，即S0为投影归算边长；ym为归算边两端点横坐标平均值；Rm为参考椭球面平均曲率半径。,3、测区地方独立坐标系椭球面的选择抵偿高程面上的长度投影变形值为零。即：公式（4-5）于是当ym一定时，由上式可求得：公式（4-6）比如某测区平均高程Hm=2000m，最边缘中央子午线ym=100km，S=1000m时，则有：而S1S20.19m,长度投影变形值大于2.5cm/km。此时不改变中央子午线位置，而选择一个合适的高程参考面，使公式（4-5）成立，于是根据公式（4-6）可计算得Hm780m，即将地面实测距离归算到2000780=1220（m）高程面上（相应的地方独立椭球的长半轴为6379465m），此时两项长度改正得到完全补偿。事实上：即S1S20,四、基线向量解算的优化技术1、影响GPS基线解算质量的因素（1）起算点对基线解算的影响。基线解算时，需要一个点的WGS-84坐标作为起算，而该点的点位精度直接影响基线解算的精度，其影响可用下式计算式中，为起算点的坐标误差；b为以km为单位的基线长度；为因起算点误差而引起的基线向量误差。边长b=5km时，如果要使1mm，则要求3m。目前用测量型GPS接收机进行静态观测，绝对定位精度能达到或优于1m，可见，起算点的误差对基线解算的影响不会超过0.3mm。,（2）观测时段长短的影响。观测时段长短要根据所测基线长度合理选择。对于和国家坐标系统联测的观测时段要尽可能长一些，一般要大于1h，避免野外返工情况的发生；对于测区内各控制点之间的观测时段可根据具体情况在40min60min之间选择。在满足工期的前提下，要尽可能增加观测时间，特别是同步观测时间，只有在保证足够观测时间的前提下才能对初次解算取得浮点解的基线向量进行优化处理后得到固定解。（3）确定适当的历元间隔及卫星截止高度角。一般地，对于同步观测时间较短时，可适当增加历元间隔，让更多的数据参与基线解算；反之，可适当减少历元间隔，让更少的数据参与基线解算。既考虑到观测的时间长短又要顾及到历元间隔（采样率），通常静态观测的采样率以15s为宜。就基线解算而言，当观测到的GPS卫星数目足够多时，可适当调高卫星截止高度角，让更多的高空卫星数据参与解算；反之，可适当降低高度角，让更多的卫星数据参与解算，似乎有一定的益处。而实际上，增大高度角虽可提高相位观测值的精度，但会使卫星图形强度变弱，影响到坐标精度，因此调高高度角是徒劳的；降低高度角，可能有更小的中误差值，但此时对流层误差的影响特别严重，也会得不偿失。因此卫星截止高度角以15为好。,（4）为减弱多路径误差的影响，野外选点时应尽量避开高反射体，如大面积水域，平坦光滑的地面等。控制点要尽可能远离高压电线、无线电发射台等干扰源。（5）对流层和电离层折射改正模型的选择。对于短基线，通过选择适当的计算模型，基本上可消除对流层和电离层折射对基线解算精度的影响。在TGOffice1.61平差处理软件中，电离层改正可选择的模型有：广播模型（Broadcast），自由模型（Ionefree）和无电离层模型（None）；对流层改正模型有：霍普费尔特模型（Hopfield），戈得-古德曼模型（Goad-Goodman），萨斯塔莫宁模型（Saastamoinen），勃兰克模型（Black），赖勒模型（Niell）和无对流层模型（None）。实际应用中电离层和对流层改正模型也可酌情进行选择，电离层改正模型默认值为广播模型，对流层改正模型默认值为霍普费尔特模型。（6）卫星的周跳及星历误差的影响。卫星的周跳可在相位观测图中看出，当观测数据中包含有较多周跳时，可增长历元间隔，这样可跳过中断的数据而继续解算。尽管各种后处理软件都有处理周跳的功能，但还是不参加计算为好。如观测到的卫星较多，可删除该星，不参加基线解算。若卫星有较大的星历误差，必然与其他卫星不兼容，这在基线解算后的卫星残差曲线图中能反映出来。,2、基线解算质量分析（1）基线解摘要分析在基线解详细摘要（DetailedSummary）中能够获得基线解算的重要信息，如基线是否有固定解（Fixed）等。通常，只要方差比(Ratio)1.5，则认为基线就有双差固定解，否则为浮动解(Fload)。对于方差比（也称质量因子），该值越大说明基线质量越可靠，对于参考方差（也称参考变量）则数值越小越好。基线解详细摘要,（2）整周模糊度分析当基线无固定解时，在基线解摘要中可以进一步查看模糊度摘要(AmbiguitySummary)，其中列出了各颗卫星的模糊度值及其相应的误差。模糊度的误差值越小越好，该值越小其解越可靠。小于1周较为常见，大于1周可初步判定可能含有粗差，数值更大者无疑是粗差，该星应删除。（3）卫星相位跟踪图分析从卫星相位跟踪图中可看出观测到多少颗卫星。若GPS接收机为单频接收机，则只能跟踪到L1；若为双频接收机则可同时跟踪到L1和L2。倘若卫星有周跳，则直线有间断点，但较长时间的间断不是周跳。,（4）卫星残差曲线图分析在TGOffice1.61软件中，基线解算完成后，通常情况下，除参考卫星外，两台接收机同步观测到的每颗卫星都有残差曲线图。每颗卫星的相位观测质量，可以通过残差曲线的观察分析得出正确的结论，决定是否删除该卫星数据，如果经分析认为该星数据误差较大则应删除，使其不参与基线解算，从而提高基线质量。在一条基线内，若某颗观测卫星的残差曲线图，其曲线在较小范围内波动且接近残差0线，说明该卫星的相位观测质量良好。若曲线呈倾斜状，或振幅较大的曲线，则说明该卫星的数据质量较差，可考虑是否剔除，重新处理基线。若所有的残差曲线形状相似且卫星的数据质量较差，则可能是参考卫星的数据质量存在问题，可考虑是否剔除该参考卫星或更换参考卫星后再重新处理基线。,观察各条基线的残差曲线图，若其中的某颗卫星虽在较小范围内波动，甚至几乎是直线，但在各条基线中的残差曲线图都明显偏离中央，则应删除该卫星后再解算基线。若残差曲线表明开机或关机时候的某一时间内的观测数据质量较差，如参考卫星也有显著的残差曲线图，则可裁剪时间，去掉质量差的部分再重新解算基线。根据笔者多年的探索，认为只要有较好的观测条件和足够的观测时间，即使是只有浮动解的基线，可以通过剔除某（几）颗卫星，或者对观测时间进行裁剪，大部分都能得到固定解。,五、WGS-84平差坐标向测区地方独立坐标系的转换GPS网无约束平差或最小约束平差可以得到精确WGS-84平差坐标。而我们真正需要的是测区地方独立坐标系的坐标。地方独立坐标系有它自己的参考椭球参数（长半轴和扁率）和高斯正形投影的中央子午线。如何实现高精度的WGS84平差坐标向地方独立坐标系坐标的转换。第一种方法：利用地面网多个已知点对GPS网进行约束平差。采用这种方法的缺点是需要确定投影基准面（地方独立椭球的长半径）和投影带的中央子午线，在约束平差前还须将WGS-84平差坐标投影转换到地面坐网标系中（需要概略确定高斯投影的北平移量和东平移量）。第二种方法：先对GPS网在WGS84坐标系中进行最小约束平差或无无约平差，再选取合适的椭球面和中央子午线进行高程基准面改正和高斯投影计算，最后利用地面网起始点的高斯坐标及起始方位角进行平移、旋转变换，最终得到属于地方独立坐标系的成果。,如何进行转换？笔者认为应根据起算点的数量、分布和精度，分下面几种情况选用不同的方法来进行。（1）如果起算点坐标也是属于测区地方独立坐标系的坐标成果，并且起算点成果精度可靠，能够控制整个测区。这时就可以利用多个已知点起算坐标对GPS网进行约束平差，从而求得属于地方独立坐标系的坐标成果。（2）虽然起算点坐标是属于测区地方独立坐标系的坐标成果，并且可以控制整个测区，但起算点之间精度不够，包含难以估计的固有误差，如果继续采用几个起算点强行约束平差的方法，会使GPS相对网形产生不同程度的扭曲和变形，从而不能保持GPS网应有的高精度，由此而建立的控制网充其量也只能达到与原有地面网大致相当的精度。这时，应采用第二种转换方法进行坐标系之间的转换。（3）在某些地区，由于自然和人为破坏，很难找到需要联测的国家控制点或只收集到一个国家控制点坐标数据。在这种情况下，也无法对GPS网进行强行约束平差，而应采用第二种转换方法进行坐标系之间的转换。,（4）起算点坐标成果精度可靠，能够控制整个测区，但起算点坐标成果不属于测区地方独立坐标系的坐标，比如在新测区建立E级GPS控制网只能采用地方独立坐标系（长度投影变形的影响）坐标，而起算点的坐标为1954年北京坐标系的坐标成果就属于这种情况。这时我们用两种转换方法都可以完成GPS网WGS84平差坐标向地方独立坐标系的转换，只是如果采用第一种转换方法要把已知起算点的坐标归化到测区地方独立坐标系上来，并且归化时最好以距离测区最近的控制点为中心进行；采用第二种转换方法，在AUTOCAD平台上通过平移和旋转进行测区定位时，也应该以距离测区最近的控制点为中心来进行。（5）对于起算点坐标不属于测区地方独立坐标系的坐标成果，并且起算点之间精度有限的情况。要完成高精度的GPS控制网WGS-84平差坐标向地方独立坐标系的转换一定要选用第二种转换方法。,六、RTK作业时坐标系转换参数的确定1、概述RTK（RealTimeKinematic）实时动态测量系统，它是集计算机技术、数字通讯技术、无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统，它是GPS测量技术发展中的一个新突破，RTK定位精度高，可以全天候作业，每个点的误差均为不累积的随机偶然误差，外业操作简单，只需要一个人，属于真正的一人操作系统。其水平标称精度达(10mm110-6D)，垂直标称精度达(20mm2106D)。利用RTK技术，能够满足快速求得厘米级整周模糊度固定解的要求，定位效率大大提高，在地质勘查测量中，利用RTK可完成地形图测量、图根控制点加密、工程放样、地质特征点采集、物化探测网、地质剖面测量等多种工作。,2、RTK的基本原量基准站把接收到的所有卫星信息（如基准站坐标、天线高等）都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接收基准站传递的卫星数据，在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求得未知点的坐标。,3、求定测区坐标转换参数地质勘查测量是在测区地方独立坐标系上进行的，这就存在WGS-84坐标和测区地方独立坐标系的坐标转换问题。由于RTK作业要求实时给出测区当地坐标，这使得坐标转换工作非常重要。根据测区已知控制点成果来源情况，求定测区转换参数可分为以下2种情况。（1）测区控制点坐标是GPS静态相对定位测量完成的，并且坐标成果既有测区独立坐标系的坐标，又有静态GPS作业控制网无约束平差时精确求得的WGS-84坐标，就可以利用多个控制点的2种不同坐标成果求解转换参数。（2）只知道测区地方独立坐标系的坐标成果，没有与控制点相对应的WGS-84坐标成果，这种情况下可在工程项目中临时求得转换参数。首先在对空视野开阔的地方设立基准站并采集单点定位WGS-84坐标，然后流动站联测2个以上的测区地方独立坐标系下的控制点，同样是利用多个控制点的2种不同坐标求解坐标系转换参数。注意：为提高转换参数的可靠性，最好选用3个以上的控制点在两种不同坐标系中的坐标数据来求解，这样可通过多种点的匹配方案，检验转换参数的正确性及精度。,4、RTK实测中注意的问题及对策（1）由于实时动态RTK的测量与卫星分布以及数据链的性能有关，而且各观测值都是独立观测的，那么在观测时如何判断观测数据的可靠性呢？在开始观测前先联测其他已知点进行对比，以确定基准站和流动站各参数设置是否正确，以及数据链通讯是否正常。在观测一段时间或仪器失锁以及观测结束前都要进行这一检测，这样可以有效地判断仪器是否处于正常状态，从而确保观测成果的可靠性。（2）RTK作业时，有时会出现数据链不稳定的现象。可能是由于流动站附近存在与电台频率相同的外界无线电，干扰了数据的传输，这时应通知基准站重新选择电台发射频率，流动站也重新选择接收频率；也可能是电台的电量不足，应及时充电。（3）在RTK测量过程中，有时会出现在某个区域或一个时间段里，解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。这可能是由于周围存在如反射性强的山体、水面等反射物引起多路径现象，可选择复位后重新观测记录；也可能是没有足够的卫星可用或卫星分布不利，可选择适当提高截止高度角（如10或15）或删星。,七、GPS水准测量在地质勘查中的应用1、在测量中常用的高程系统及相互关系（1）大地高系统：大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。（2）正高系统：正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。（3）正常高系统：正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。高程系统之间的转换关系：大地水准面到参考椭球面的距离，称为大地水准面差距，记为hg。似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为。大地高与正高之间的关系可以表示为：H=Hghg大地高与正常高之间的关系可以表示为：H=Hr,2、GPS水准高程方法由于GPS水准测量得到的是地面点的大地高，而我国的国家高程系统为正常高系统，它是与正高系统非常接近，在实际中又能严格和精确求定的，因此，为了得到某点的正常高，须知道该点的大地高H和高程异常。（1）等值线图法从高程异常图查出各点的高程异常，然后采用下式可计算出正常高Hr。Hr=H（2）地球模型法地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常用的地球模型有EGM96（GLOBAL）。根据笔者这几年的经验，EGM96（GLOBAL）地球模型在测区不大的情况下比较适合于我国。（3）地球模型法如果已知某点的正常高，且利用GPS观测该点的大地高，则可精确求得该点的高程异常，考虑到地质勘查测量控制网的范围较小，似大地水准面的变化较平缓，因此，可利用一些联测水准的GPS点，求得各点的高程异常值，再用曲面拟合的方法来逼近似大地水准面，以求得其他GPS点的高程异常，从而达到高程系统转换的目的。,3、GPS水准高程在地质勘查测量中的应用在小范围的地质勘查测量项目，用GPS水准高程方法完全可以取代传统方法建立测区的高程系统。如果测区采用独立高程系统，各控制点间的高程精度完全能够达到四等水准测量的精度。如果测区高程系统采用GPS水准测量方法和国家高程网联测，在联测点精度满足三等水准精度并且联测距离10km的情况下，也能达到四等水准测量的要求，在联测精度满足四等水准精度并且联测距离在1020km的范围内，能达到等外水准的精度。根据笔者近几年的经验，采用EGM96（GLOBAL）地球模型法能够很好地完成精确的WGS-84大地高程向测区高程系统的转换。实际上，在GPS静态相对定位中，只要在建立项目属性的坐标系统时，为项目选择大地水准面模型为EGM96（GLOBAL），在GPS网完全约束平差的过程中就可以同时完成高程系统的转换。在TGOffice1.61随机商务平差软件中进行高程转换的过程和GPS网完全约束平差的步骤完全相同，具体步骤在论述GPS静态相对定位的完全约束平差时本文就已提前给出。,八、应用实例河北丰宁县黑山嘴镇东沟金矿为民营开采，采矿权多次转让，新矿主为了大采矿权范围，委托我单位测绘矿区地表1：1000地形图，面积约1.6km2，为了确定采矿界线，坐标系统要求和国家坐标系统联测。我单位采用GPS静态相对定位方法布设测区首级控制网，布网采用边连接方式，共布设E级GPS控制点4个。GPS的数据采集使用4台Trimble4600LS单频接收机作业。GPS网观测时的PDOP值均小于6，保证了卫星的几何结构和数据采集质量。观测时段为60min，卫星高度角均大于15，数据采样率为15s，观测有效卫星数均多于5颗。对中误差均在3mm以内。天线高测前、测后旋转天线位置用专用钢卷尺分别丈量3次，取中数使用。基线向量解算及平差在TGOffice1.61软件上进行。（1）测区地方独立坐标系的选用和起算点精度分析由于测区平均高程为780米，且位于国家统一3带中央子午线117以西20.8km。经计算，每公里地面实量长度由高程引起的,长度投影变形为1.222m，由经差引起的长度投影变形为0.005m。总体投影变形为0.217m，不符合规范要求，所以将测区独立坐标系的投影面选在测区的平均高程面780米上，投影的中央子午线采用117。测区附近可利用的国家三角点有帽子山和王拐子沟东山。帽子山位于测区东北约5km，为国家三等点，标石保存完好；王拐子沟东山位于测区东北约10km，为国家二等点，标石已遇破坏，只留下了盘石。两个点坐标系统为1954北京坐标系，高程系统为1956年黄海高程系。起算点坐标成果见表4-1。利用GPS静态相对定位观测数据在1954年北京坐标系椭球面上对两个国家三角点坐标进行了检查，在固定帽子山坐标和高程的条件下检查王拐子沟东山，发现X0.010mm，Y0.053mm，H0.556m，高程相差比较大，主要是因为王拐子沟东山控制点最上层的标石遭破坏所致。可见，两个国家控制点坐标数据精度可靠，能够作为测区E级GPS控制网的起算数据。,（2）基线向量解算初次解算基线向量，有二条基线向量没有得到双差固定解。选取这两条不合格的基线向量进行了优化处理，裁剪了开机和关机观测过程中不稳定的时段，同时剔除了一颗观测时间很短的卫星数据，经优化处理后的基线得到了固定解。E级GPS控制网全部基线向量处理结果及精度见表4-2。,（3）GPS网最小约束平差以3维基线向量及其相应的方差协方差阵作为观测信息进行GPS网最小约束平差，最小约束平差采用帽子山的单点伪距定位结果进行定位。网平差通过了2测试，并且各观测值也通过了粗差检测的检验，证明网本身的内符合精度以及基线向量之间没有系统误差和粗差。最后求得GPS网点在WGS-84坐标系中的3维平差坐标（表4-3）。（4）GPS网约束平差两个国家三角点所在坐标系统和测区地方独立坐标系统比较，尽管它们投影所采用的中央子午线都是117，但它们的投影面不同，前者是采用1954年北京坐标系参考椭球面，后者是采用测区平均高程面。所以，要把两个国家点坐标以帽子山（它距测区只有5km）为中心归化到测区平均高程面上，然后再进行GPS网约束平差，完成高精度的WGS-84平差坐标向测区地方独立坐标系坐标的转换。GPS网强行约束平差得到的测区控制点坐标见表4-4。,为了检验测区控制点间理论边长与实地测量边长的一致性，我们用TOPCON7001全站仪（测距精度为(2mm+2ppm.D),测角精度1）对测区控制点间相互通视的边长进行了实测，经气象、加乘常数、倾斜改正后得到的结果列于表4-5。另外，我们还用TOPCON7001全站仪对测区控制点间相互连通的夹角进行了检测，结果列于表4-6。,从以上两个检测表可看出，我单位施测的E级GPS控制网坐标准确可靠，完全满足测区施测大比例尺地形图和工程施工放样的要求。为下一步用全站仪施测1：1000地形图，采用了JAVDA公司的HiperproGD双频RTK测量系统进行了图根点加密，共布设图根点28个。同时，利用RTK还对测区的地质特征点（探槽的端点、坑口位置）进行了坐标采集。,RTK测量时的坐标转换参数是用首级GPS控制点在两种不同坐标系（WGS-84坐标系和测区地方独立坐标系）的坐标求得的，为保证转换参数的精度，通过不同点组合的匹配方案，选择残差较少、精度较高的一组参数为最终启用参数。并对转换参数进行了检查，检核结果见表5-1、表5-2。为了检核RTK布设的图根控制网精度，我们对同一图根点在不同时间段进行重复RTK测量，坐标较差见表5-3。,我们还对相邻图根点间全站仪实测距离和RTK实测距离进行了抽样检查，结果见表5-4。通过以上检查比较，可知图根点的精度符合有关规范要求。根据工作情况来看，RTK作业既可以实时提供点位坐标和高程，又可实时知道测量点位精度，能够极大地提高工作效率。同时从测量结果来看，RTK测量点位精度达厘米级，能够满足地质勘查测量工作的需要。,九、结束语