RTK技術(shù)原理及在水泥原料礦山測量管理中的應(yīng)用

  摘要：大型水泥原料礦山測量技術(shù)管理是一項系統(tǒng)、繁瑣又艱苦的測繪工作。傳統(tǒng)的測量儀器有經(jīng)緯儀、水準儀、測距儀、及全站儀等，測量方法有導(dǎo)線測量、交會測量等，其共同特點是測點和控制點間必須通視，因此不能進行大面積的測量工作，而且需要3個工作人員以上，費時費力，效率低下，常常受天氣影響不能有效工作。近十年來國產(chǎn)GPS系統(tǒng)不斷完善及硬件、軟件的提高，特別是“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)成功在亞太地區(qū)的應(yīng)用，RTK技術(shù)其簡單高效的特點被廣泛應(yīng)用于礦山地形圖測繪、各種工程放樣、控制測量以及礦區(qū)界址點尋找等方面，很受礦山測量管理人員歡迎。目前，RTK技術(shù)定位精度達到厘米級，能滿足礦山工程需要。

  一、GPS-RTK技術(shù)

  RTK（Real-Time  Kinematic）技術(shù)又稱載波相位差分技術(shù)，是以WGS-84坐標為基礎(chǔ)的全球通用的一種動態(tài)測量技術(shù)，實時處理基準站、移動站兩個測站載波相位觀測值的差分方法。

  是能夠在野外實時提供測量點在指定的坐標系中的三維坐標的厘米級定位精度的測量方法，是GPS在測量領(lǐng)域應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)與不斷完善為礦山工程帶來極高的外業(yè)作業(yè)效率。

  RTK測量系統(tǒng)一般由以下三部分組成：（1）GPS接收設(shè)備（2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備旣數(shù)據(jù)鏈，是實現(xiàn)實時動態(tài)測量的關(guān)鍵性設(shè)備。（3）軟件解算系統(tǒng)：對保障實時動態(tài)測量結(jié)果的精確、可靠具有決定性作用。

  RTK技術(shù)的作業(yè)原理是：基準站采集跟蹤的GPS衛(wèi)星載波相位觀測量通過調(diào)制解調(diào)器進行編碼和調(diào)試，經(jīng)電臺數(shù)據(jù)鏈發(fā)射出去，移動站在對GPS衛(wèi)星進行觀測并采集載波相位觀測量的同時，也接收來自基準站的電臺信號。移動站在對所接收的信號進行解調(diào)和實時分析處理，并根據(jù)給定的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，只要保證4顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的衛(wèi)星幾何圖形，移動站便可實時給出厘米級定位結(jié)果。

  我礦使用的南方靈銳S86 2013型設(shè)備是三星產(chǎn)品。旣接收“北斗”衛(wèi)星、美國GPS衛(wèi)星、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)信號。

  二、RTK測量精度驗證

  RTK測量過程中需要對三維坐標進行轉(zhuǎn)換，在各種工程測量中我們所要得到地方平面直角坐標系下的直角坐標，就必須把觀測的WGS-84坐標轉(zhuǎn)換到地方坐標系中，就必然存在模型轉(zhuǎn)換誤差，這是RTK測量誤差的第一個來源；在整個測量過程中，會受到電離層傳播延遲誤差，對流層傳播延遲誤差，及電臺和高層建筑物、樹林干擾等因素的影響，對差分結(jié)果造成誤差，也會成為RTK測量誤差的一部分；另外，對高程還存在高程擬合模型誤差，這些轉(zhuǎn)換模型誤差將影響到RTK測量精度。因此，必須對RTK進行質(zhì)量控制，其方法有：①已知點檢核比較法：利用一些靜態(tài)GPS或者全站儀實測的控制點；用RTK測量這些點進行坐標和邊長及高程比較檢核。②重測比較法：每次搬遷基準站或初始化成功后，先重測1-2個已測過的RTK點或高精度控制點進行坐標比較檢核。

  為此，我們利用南方靈銳S86 2013雙頻RTK儀器對我礦高等級控制點進行測量精度對比，儀器做好四參數(shù)后，測點坐標精度1-2厘米、高程精度3厘米以內(nèi)，各點位之間不存在誤差累積，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的弊病，可見RTK測量精度足以滿足礦山生產(chǎn)管理工作需要。由于RTK定位精度與所測衛(wèi)星空間幾何分布狀態(tài)不同有關(guān)，可能有部分測點PDOP值超限或精度因子超限，只有通過減小測距和增加測回數(shù)加以解決。

  三、RTK測量在礦山的主要應(yīng)用

  1、應(yīng)用于采場驗收測量。

  我礦屬于特大型水泥原料礦山，征地面積5.05km2,目前分南北兩大采區(qū)生產(chǎn)，距離1000多米。南采區(qū)有39、51、63、75、87、103米采場，北采區(qū)有87、99、111米采場和紗帽山171、159采場。由于礦石質(zhì)量搭配的需要，不同采場分采分爆，日本“小松”鏟需在不同采場位置和不同時間吃料，這就需要每月底每個采場進行收方測量，移動站必須把每個采場上下邊緣形狀測出來，內(nèi)業(yè)以CAD成圖形式反映出采場現(xiàn)狀，并與上月CAD圖比較后計算出本月采礦量，并在水平分層圖上計算出礦石量與廢石量，從而掌握采場情況，為調(diào)整月生產(chǎn)計劃提供依據(jù)，為完成年度生產(chǎn)計劃提供保證。

  2、應(yīng)用于采場標高及采準測量

  每個采場由于采礦設(shè)備作業(yè)水平不同，需要經(jīng)常測量采場標高以保持采場平整度。由于我礦產(chǎn)量大，每天爆破次數(shù)多，更需要對每個爆區(qū)高度和位置進行測量，才能控制采礦進度和爆破設(shè)計施工質(zhì)量。

  3、應(yīng)用于礦山邊界界址點管理

  我礦周圍有8個村莊，礦山與村莊有127個界址點。為便于我礦管理和避免礦產(chǎn)資源丟失，公司曾多次努力用水泥樁加鐵絲網(wǎng)把邊界圍起來，由于個別村莊干擾都沒有完成這項工作，甚至筑起的磚墻也部分被少數(shù)農(nóng)民拆掉，經(jīng)常越界到我礦盜采礦石。雖經(jīng)唐山市公安局東水分局派出所和我礦合力制止，起到一定效果但仍然加重測量難度，需要經(jīng)常尋找邊界點解決糾紛，維護我礦正當?shù)牟傻V權(quán)益。

  4、應(yīng)用于礦山各種工程放樣

  采用RTK測量技術(shù)進行放樣（包括點、線、面）只需根據(jù)需要設(shè)置好基準站，并將所要放樣的坐標輸入RTK手薄中，便可手持移動站點位校正后根據(jù)系統(tǒng)提示確定出放樣的點位等，無需沿途布設(shè)控制點，節(jié)約經(jīng)費、節(jié)省時間。由于測點間無需通視等優(yōu)點和可以單人作業(yè)更顯示出其優(yōu)越性。我礦修建道路、圖紙上已知礦體坐標放樣是經(jīng)常性工作。

  5、應(yīng)用于礦山邊坡監(jiān)測管理

  經(jīng)過30余年的開采，馬頭山采區(qū)已形成長1200米、最大垂高123米的巨大邊坡，每12米一個臺段，邊坡按技術(shù)要求形成，由于邊坡較緩（40°）內(nèi)邊坡已成為天然排廢場以緩解礦床排廢壓力。外邊坡已被農(nóng)民亂采亂挖，因此必須在邊坡上做若干個固定監(jiān)測點，以防雨季、雪季發(fā)生滑坡，基本上每半年檢測一次。南采大蓋山采區(qū)的馬蹄山、東大蓋山、西大蓋山目前已完全連在一起，經(jīng)過18年的開采，形成長500米、最大垂高156米的邊坡，其南端形成排廢場，也存在滑坡的危險，必須設(shè)若干個固定監(jiān)測點，每半年檢測一次，發(fā)現(xiàn)問題及時加固。以此確保邊坡穩(wěn)定性。

  四、RTK技術(shù)在礦山應(yīng)用的體會

  1、RTK應(yīng)用于礦山的優(yōu)勢：

  ①作業(yè)速度快，效率高。通常情況下利用RTK測量1秒鐘即可獲得一個點的三維坐標；②定位精度高。RTK測量各點間的精度基本上是獨立的，減少了測量誤差積累，這不同于導(dǎo)線測量和GPS網(wǎng)測量成果中點的精度；③操作簡便，容易使用。隨著GPS接收機的不斷改進，自動化程度越來越高，體積小、重量輕；④全天候全天時作業(yè)。

  2、基準站設(shè)置要合理。避免選擇在強電磁波干擾源附近，及大功率無線電發(fā)射設(shè)施，高壓輸電線等，基準站站址及數(shù)據(jù)鏈電臺發(fā)射天線必須具備一定的高度。最好在辦公樓頂或山坡上。使移動站在一定范圍內(nèi)能清晰的高質(zhì)量接收基準站發(fā)出的數(shù)據(jù)。

  3、RTK應(yīng)用于礦山的不足：

  ①對于影響GPS衛(wèi)星信號接收的遮蔽地帶或在三期廠區(qū)礦石均化庫、煤庫、及其他庫房內(nèi)測量，應(yīng)使用全站儀、水準儀、測距儀等儀器，野外采用5顆或者更多衛(wèi)星也可能因衛(wèi)星信號不好而難以得到“固定解”，這就需要掌握好符合RTK使用時間范圍②對厘米級以下的高精度測量（如水準測量、設(shè)備抄平等）不能應(yīng)用③不能達到100%可靠度，RTK確定整周模糊度的可靠性為95~99%，在穩(wěn)定性上不及全站儀。

  五、結(jié)束語

  目前RTK測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地形測繪、公路、水利等部門。水泥礦山多位于山地、丘陵等，這就為RTK測量提供了良好條件，將成為今后礦山測量主要的技術(shù)手段，我們將不斷總結(jié)經(jīng)驗，加強同行間的交流。

  主要參考文獻：

  1、全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范（國家測繪局發(fā)布CH/T2009-2010測繪行業(yè)標準）

  2、南方靈銳S86  2013RTK測量系統(tǒng)使用手冊及工程之星3.0軟件用戶手冊

  3、數(shù)字化地形地籍成圖系統(tǒng)CASS9.1參考手冊（廣東南方數(shù)碼科技有限公司）

  4、地形測量學(xué)（冶金工業(yè)出版社）