GPS(RTK)在龙岩矿山矿界测量的应用研究

PAGEPAGE14题目：GPS(RTK)在龙岩矿山矿界测量的应用研究专业：测绘工程【摘要】随着科技的不断发展，传统的矿山矿界测量的方法逐渐被用GPS(RTK)测量取代。本论文是对所学到的GPS相关知识在实践中的一次具体应用，并在此基础对GPS（RTK）在矿山矿界测量中的若干关键问题进行研究。论文包括两个部分：普通部分、专题部分。目前，利用高精度的GPS接受机，采集和处理相应数据以建立控制网已成为一种趋势和发展方向。【关键字】矿山矿界、GPS(RTK)、高精度、发展方向GPS(RTK)在龙岩矿山矿界测量的应用研究1.引言 41.1传统矿山矿界测量的方法 41.2GPS(RTK)引入矿山矿界测量的意义 41.2.1GPS（RTK）在测量中的优点 41.2.2RTK的局限性和精度保障 41.3研究的内容 52.GPSRTK技术测量的技术方案 52.1作业依据 52.2技术方案流程图 63．控制测量 63.1搜集测区资料 63.2技术指标 63.3GPS点位选埋 63.4埋石 64.E级GPS控制点静态观测 94.1测区取值所使用仪器 94.2测区概略定位解的取值 94.3作业过程， 94.4内业计算及精度 95．RTK的作业过程 105.1基站选择 105.2启动基准站 105.3建立新工程，定义坐标系统 105.4点校正 105.5流动站开始测量 106．野外采集数据处理 116.1平面距离平差值 116.2高程拟合坐标 127结论 138致谢词 14参考文献 151.引言GPS（RTK）技术是一种新兴的矿区测量技术，本文通过对GPS（RTK）技术的工作原理和影响GPS(RTK)技术定位精度的因素进行分析，探讨了GPS(RTK)技术在矿山测量中的应用及其优越性。并就RTK在实际测量中可能遇到的问题提出有益的见解。1.1传统矿山矿界测量的方法以前，矿山矿界测量基本运用全站仪，矿山的矿界一般身处丘陵，山地或高山峻岭上，运用全站仪测矿界就得克服山路难行、通视不佳、气候恶略等困扰。而且传统矿山矿界测量中，还无法运用编码识别记录测量数据，所以必须画草图，而矿山矿界地形一般复杂多样，回来处理内业时容易混淆。1.2GPS(RTK)引入矿山矿界测量的意义1.2.1GPS（RTK）在测量中的优点工作效率高：在一般的地形地势下，高质量的RTK信号覆盖测区广，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数，移动站一人操作即可，大大提高了工作效率。定位精度高：只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km）RTK的平而精度和高程精度都能达到厘米级。全天候作业：RTK测量不要求基准站、移动站间光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此和传统测量相比，RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来难于开展作业的地区，只要满足RTK的基木工作条件，它也能进行快速的高精度定位，使测量工作变得方便简捷。RTK测量自动化、集成化程度高，数据处理能力强：RTK可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统，无需人工画草图，减少了辅助测量工作和人为误差，保证了作业精度。操作简单，易于使用：现在的仪器一般都提供中文菜单，只要在设站时进行简单的设置，就可方便地获得二维坐标。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便地与计算机、其他测量仪器通信。1.2.2当然RTK也有其局限性，会影响到执行上述测量任务的能力。所以我们更应该全面了解RTK在测量中的局限性。其主要局限性不在于RTK本身，而是在于整个GPS系统。如前所述，GPS是靠接收两万多公里外的卫星信号进行工作的。相对而言，这些信号频率高、信号弱，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不良影响。有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。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。有些物体如树木会对卫星信号产生阻挡，反射和折射作用。GPS信号的接收在树林茂密的地区会很差。树林中有时会有足够的卫星信号，但信号清晰度难以达到厘米水平的精确定位。因此，RTK在林区作业有一定的局限性。这并不是说，GPS（RTK）只适用于四周对空开阔的地区。RTK测量在部分障碍的地区也可以是有效而精确的。其奥秘是能观测到足够的卫星来精确可靠地实现定位。在任何时间、任何地区，都可能会有7到10颗GPS卫星可用于RTK测量。RTK系统的工作并不需要这么多颗卫星。如果天空中有5颗适当分布的卫星，就可作精确可靠的定位。有部分障碍的地点只要可以观测到至少5颗卫星，就有可能做RTK测量。在树林或大楼四周作测量时，只要该地留有足够的开放空间，使RTK系统可观测到至少5颗卫星，RTK测量就有成功的条件。在论述RTK技术的原理时，我们知道,RTK测量的关键是确定整周未知数，能否连续地、可靠地接收基准站播发的信号，是RTK能否成功的决定因素。在实际应用中，来自各方面的干扰，降低了RTK的可靠性和精度。研究表明，为了保证地物点的测量精度，我们在选点时要采取以下措施:1、点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔、视场内周围障碍物高度角应小于15°(如可以选在最高建筑物的顶楼)。2、点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站、微波通道等)，其距离不小于200m；远离高压电线，距离不小于50m。3、点位附近不应有大面积的水域或强烈干扰卫星信号接收的物体。4、点位选择要充分考虑到与其它测量手段联测和扩展。5、点位要选在交通方便的地方，以提高工作效率。6、点位要选在地面地基坚硬的地方，易于点的保存。除此之外，为了保证地物点的测量精度，我们还要对接收机天线进行校验，选择有削弱多路径误差的各种技术的天线。同时，我们还要不断利用新的数据处理技术，以削弱各种误差带来的影响。利用GPS（RTK）技术灵活应用性比较大,可以随时测定界桩,确定矿山区域界限使用范围,计算矿山用地面积,这对于身处丘陵,山地或高山峻岭,而又缺少GPS控制或国家控制点的矿山矿权实地核查,应用RTK移动站勘测定界放样快捷简便,矿界内面积量算,由GPS软件中的面积计算功能直接计算,并进行检核。避免了常规解析法放样的复杂性,简化矿山矿权核查勘测定界的工作程序,大大提高了工作效率。1.3研究的内容本论文主要介绍GPS(RTK)的基本原理、系统组成、技术特点、误差来源和使用方法及操作步骤，并利用GPS(RTK)在矿山矿界测量中测定界桩，界址点，引入实测数据，对测量结果进行精度分析。通过对矿山界址点的精度分析，得出了GPS(RTK)的测量精度是可以达到界址点测量的精度要求的结论，并且通过工程实例说明了GPS(RTK)具有工作效率高、定位精度高、全天候作业、数据处理能力强和操作简单易于使用等特点。2.GPSRTK技术测量的技术方案根据作业依据，编写技术方案，总结以往在收集数据与处理内业过程中遇到的问题和解决的方法制定工作流程，依据规范要求编写技术方案。2.1作业依据GB/T18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》，简称《GPS规范》GB50026-2007《工程测量规范》GB/T7929-1995《1:500,1:1000,1:2000地形图图式》，简称《图式》GB14804-93《1:500,1:1000,1:2000地形图要素分类与代码》FCB001-2005《福建省1:500,1:1000,1:2000基本比例尺数字地形图测绘技术规定》GB/T18316--2001《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》本项目的《技术设计书》2.2技术方案流程图矿山矿界测量的一般工作流程见:图2-1矿山界址点选点埋石矿山界址点选点埋石野外数据采集野外数据采集与计算机通讯与计算机通讯出图内业编制成图出图内业编制成图图2-1数字化测图的工作流程3．控制测量3.1搜集测区资料测区位于龙岩市东南部，东经约117°04′，北纬约25°00′，距离市区约15公里。国道G319线、漳龙高速公路贯穿区内，矿区内有多条简易公路，交通尚属方便。区内通行普通话。测区海拔400～800米，植被茂密，属山地及高山地类型。测区存在许多老探井、探槽，通行通视困难；测区原有许多露天采场，地形较破碎，并且工期一个月，给作业带来实际的难度与安全风险。3.2技术指标坐标系统:平面坐标系统采用1954北京坐标系，高斯-克吕格投影，3度分带第39带，中央子午线为117°；高程系统采用1985年国家高程基准。3.3GPS点位选埋⑴GPS待定点采取先于1∶5000图上初步选出，再赴实地最后选定。全网各点相互间至少保证邻近两点通视，点位均选在基础稳定，土质坚实的地上，方便长期保存利用。⑵便于安置接收机设备和信号接收，视场内障碍物的高度角均小于15°以下。⑶远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离大于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m。⑷附近无强干扰卫星接收的物体，并尽量避开大面积水域。⑸GPS点位选定后，测区外的点提交点之记。如图（3-3）3.4埋石3.4.1埋石点号编写E级GPS点的编号除利用旧点外，都冠以“E”，后面加数字编号，如：E09、E10……E24。点的编号在路线中尽量做到顺序连号，避免产生混乱。E级GPS标石面均刻制点号“Ei”，并统一用油漆描红。3.4.2点位埋设规格见：图3-1图3-1（单位：cm）3.4.3点位中心标志点位中心标致均为:Φ5cm×0.5cm的不锈钢顶盖，中间焊接10cm长Φ0.8cm的实心不锈钢螺丝，底部有螺丝帽。不锈钢顶盖中间有球面隆起，并刻有“＋”字叉，不锈钢标志面上部刻有“龙岩山水测绘”，下部刻有点号。如下图3-2：图3-2（单位：cm）GPS点点之记日期:2011年10月03日点名及种类点名:E10平面等级:E高程等级:通视情况E10与E11通视埋石情况数码相片所在地福建马坑矿业股份有限公司矿区土质水泥交通路线从龙岩出发，沿319国道往适中方向行驶到马坑村从左岔路行驶到中煤矿山建设集团七十一工程处(马坑铁矿项目部)，其余见略图。所在图幅概略位置X:2765977Y:509157略图及说明施测单位龙岩市山水测绘有限公司接收单位福建马坑矿业股份有限公司测量员许财源记录者陈伟强校对者许财源图3-34.E级GPS控制点静态观测4.1测区取值所使用仪器本区使用华测X20型5台套以上接收机同步观测一组卫星。4.2测区概略定位解的取值为东经：117°00′、北纬：25°00′。观测作业时PDOP强度因子均小于或等于4，观测段均具有同步的4颗以上的可见卫星，卫星高度角均大于15°。4.3作业过程，光学对点器均按要求进行检校，作业中各测站均进行严格对中和整平；天线定向标志线指向正北；天线高的量测，按规定要求采用特制专用测高尺，每测站观测前后各量取天线高一次，两次量高之差小于3mm，取平均值作为最后天线高。观测时听从统一的调度指挥，并编好作业时段和时间计划安排表，外业观测每站每时段均记录手簿。4.4内业计算及精度4.4.14.4.2a.计算同一时段观测值的数据剔除率，其值均小于10﹪；b.计算同步边各时段平差值的中误差与相对中误差，GPS基线相对中误关计算公式：σ=EQ\R(,(a2+(b·d)2))式中：σ标准差，mm；a固定误差≦10mm；b比例误差系数≦4.4.3同一条边任意两个时段的成果互差，均小于接收机标称精度的2倍。4.4.4若干个独立观测边组成闭合环时，各坐标分量闭合差均符合下式规定Wx≤3；Wy≤3；Wz≤3；式中；n闭合环中的边数；ó相应级别规定的精度（按平均边长计算）。4.4.5Wx≤35σ；Wy≤35W=EQ\R(,W2x+W2y+W2z)≤3σ/54.4.64.4.74.4.8同步环闭合差0.31～15.44ppm、异步环闭合差1.38～11.82ppm、复测基线的向量较差1.99～5.31ppm，均符合规范要求。起算数据及平差结果准确，输出成果资料齐全，测量精度符合《GPS规范》要求。E级GPS控制网平面点位中误差±0.007m～±0.015m，高程点最大点位中误差±0.01m,控制网精度良好。5．RTK的作业过程5.1基站选择基准站点位应便于安置接收设备和操作,视野开阔,周围无高度角超过10度的障阻物,以保证GPS观测顺利进行。基准站须远离高压输电线路,基准站附近不得有强烈干扰接收卫星信号的物体,基准站周围无GPS信号反射物。基准站应尽量布设在相对较高的位置,GPS电台的功率和覆盖能力应获得最大的数据通讯有效半径,方便发送差分改正信号。5.2启动基准站将基准站架设在上空开阔、没有强电磁干扰、多路径误差影响小的控制点上，正确连接好各仪器电缆，打开各仪器，将基准站设置为动态测量模式。5.3建立新工程，定义坐标系统新建一个工程，即新建一个文件夹，并在这个文件夹里设置好测量参数[如椭球参数、投影参数等。这个文件夹中包括许多小文件，它们分别是测量的成果文件和各种参数设置文件，如*.dat、*.cot、*.rtk、*.ini等。5.4点校正CPS测量的为WCS84系坐标，而我们通常需要的是在流动站上实时显示国家坐标系或地力独立坐标系下的坐标，这需要进行坐标系之间的转换，即点校正。点校正可以通过两种方式进行。(1)在已知转换参数的情况下。如果有当地坐标系统与WCS84坐标系统的转换七参数，则可以在测量控制器中直接输入，建立坐标转换关系。如果上作是在国家大地坐标系统下进行，而且知道椭球参数和投影方式以及基准点坐标，则可以直接定义坐标系统，建议在RTK测量中最好加入1-2个点校正，避免投影变形过大，提高数据可靠性。(2)在不知道转换参数的情况下。如果在局域坐标系统中工作或任何坐标系统进行测量和放样工作，可以直接采用点校正方式建立坐标转换方式，平面至少3个点，如果进行高程拟合则至少要有4个水准点参与点校正。5.5流动站开始测量(1)单点测量：在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”,再选择“测量点”选项，即可进行单点测量。注意要在“固定解”状态下，才开始测量。单点测量观测时间的长短与跟踪的卫星数量、卫星图形精度、观测精度要求等有关。当“存储”功能键出现时，若满足要求则按“存储”键保存观测值，否则按“取消”放弃观测。(2)放样测量：在进行放样之前，根据需要“键入”放样的点、直线、曲线、DTM道路等各项放样数据。当初始化完成后，在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”,再选择“放样”选项，即可进行放样测量作业。在作业时，在手薄控制器上显示箭头及目前位置到放样点的方位和水平距离，观测值只需根据箭头的指示放样。当流动站距离放样点就距离小于设定值时，手薄上显示同心圆和十字丝分别表示放样点位置和天线中心位置。当流动站天线整平后，十字丝与同心圆圆心重合时，这时可以按“测量”键对该放样点进行实测，并保存观测值。6．野外采集数据处理6.1平面距离平差值2ppm、复测基线的向量较差1.99～5.31ppm，均符合规范要求。范起点止点北向(x)/中误差东向(y)/中误差平距中误差相对误差(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高程拟合坐标GPS得到的是在WGS84坐标系下的大地高高程，而一般国家所用的高程数据，是正常高高程，两者之间存在高程异常，可以通过拟合的方式进行高程异常的结算，从而用大地高取代正常高进行使用。其中高程拟合表如表：6-2表6-2高程拟合坐标站点高程(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