浅谈GPS-RTK技术在某煤田地震勘探中的应用

浅谈GPS-RTK技术在某煤田地震勘探中的应用杨静（安徽省宿州学院10测绘工程专升本班，安徽宿州234000）摘要以河北范县白衣阁煤田地质勘探中的测量工作为例，介绍GPS-RTK技术在地震勘探中的应用，结论认为GPS-RTK技术非常适合煤田地震勘探等大规模的物探测量。关键词煤田地震勘探GPS-RTK控制测量二维放线炮点放样随着全球定位系统（GPS）技术不断完善及计算机技术和相应科学的发展，GPS-RTK技术在测绘领域中不断扩展应用范围。本文结合实践经验，以河北范县白衣阁煤田地质勘探中的测量工作为例，介绍GPS-RTK技术在地震勘探中的应用。1GPS-RTK技术测量原理及应用特点GPS技术的出现，对测绘界来说无疑是一场技术革命，特别是GPS-RTK技术在测量中的应用，使测量方法发生了质的变化，真正实现了测量的单兵作业，经济效益相当可观。RTK（RealTimeKinematic）技术，即载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，能够在野外实时地提供测站点在指定坐标系中三维坐标定点结果，并达到厘米级的精度，所需时间仅仅几秒钟。RTK分为基准站和移动站，在RTK作业模式下，基准站通过无线电，将基准站接收机实时的观测数据（伪距观测值、相位观测值）及已知数据，传输给移动站的接收机。移动站通过无线电接收来自基准站的数据，并且采集GPS观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，通过坐标转换参数转换得出移动站每个点的平面坐标X、Y和高程H。其计算方程式为：Rj0+λ(Njp0–Nj0)+λ(Njp–Nj)+φjp–φj0=[(Xj-Xp)2+(Yj–Yp)2+(Zj-Zp)2]1/2+Δdρ式中，Rj0为卫星到基准站的真正距离，Njp0表示用户接收机起始相位模糊度，Nj0为基准点接收机起始相位模糊度，Njp为用户接收机起始历元至观测历元相位整周数，Nj为基准点接收机起始历元至观测历元相位整周数，φjp为用户接收机测量相位的小数部分，φj0为基准点接收机测量相位的小数部分，（Xp,Yp,Zp）为经过改正后的移动站坐标，（Xj,Yj,Zj）为各卫星的地心坐标，Δdρ为同一观测历元各项残差。载波相位差分方法分为两类：一类是修正法，另一类是差分法。所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接受到的载波相位，再求解坐标。所谓差分法即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。可见修正法属于准RTK，差分法为真正RTK。2测区条件与任务2.1工程概况本次煤预查工作区是在2006年度白衣阁煤预查区的基础上，向北扩至杨庄、南王庄一线，向西扩至白衣阁、齐马厂一线，扩展后的普查区行政区划属于范县白衣阁乡、杨集乡及龙王庄乡，工区呈不规则形，南北长约15.9千米、东西宽约11.4千米，面积约135.40平方千米，其中新扩面积约90.9平方千米。具体部署图见图1。图1白衣阁(续作)工作部署图注：图中红色等高线为煤底板等高线。因原地震主测线与地层走向及主构造线方向夹角较小，所以本次地震测线布置调整为原地震联络方向变为地震主测线方向，具体是：向北延长DL1联络线布置DZ16主测线，测线北端要以控制白衣阁断裂（F10）为准，测线长6500米，物理点325个；DZ16向西2.5千米间距平行布置DZ21主测线，测线长11250米，物理点563个；平行DL15测线向北约3.3千米处布置联络线DL13，测线长3150米，158个物理点；延长DZ1测线向西布置联络线DL18，以控制白衣阁断裂为准，测线长4680米，计234个物理点。全区共布置主测线2条，联络线2条，测线总长度25580米，物理点1280个（表1）表1白衣阁煤预查区设计地震工作量一览表地震线号长度(m)物理点数备注DZ166500325南端点与DL1相接DZ2111250563DL133150158DL184680234东端点与DZ1相接合计2558012802.2工作区已有资料工作区已有国家GPS控制点三个，分别是DJ142（D级）、DJ140（D级）、DJ136（D级）（见图1，见表2）。保存完好，质量可靠，可作为本次测量工作的平面及高程起算数据。坐标采用1954年北京坐标系，高程采用1985年国家高程基准，中央子午线为117度，按6度带投影。我单位自制白衣阁1:25000工作部署图一份。表2E级GPS网起算数据点名称X(m)Y(m)H(m)备注DJ1363966089.50520365913.31545.338D级DJ1403973078.23520364434.43446.211D级DJ1423969302.59620359195.58846.843D级注：此国家GPS控制点由河南省范县国土局提供。2.3仪器设备美国产三台Trimble(天宝)5800和一台Trimble(天宝)5700ReceiverGPS接收机,配置一台35W的Pacificcrest电台,标称覆盖范围20公里。该仪器于2009年8月8日被签发合格证书,仪器性能合格。3GPS控制测量本工程采用GPS静态定位技术进行平面控制测量。3.1GPS控制网观测技术指标卫星高度角：150；数据采集间隔：20s；观测时间：≥45min；点位几何强度因子（GDOP）：≤6；观测时段：2；有效卫星总数：≥4。3.2技术依据（1）《煤炭资源勘探工程测量规程》煤炭部1987年版；（2）《全球定位系统（GPS）测量规范》，GB/T18314-2001，国家质量技术监督局，2001-3。技术等级：E级。3.3操作要求（1）天线圆盘上得定向标志应依罗盘指向正北，其误差在100以内；（2）在对中正平仪器时，天线与标志中心的对中误差不大于3mm；（3）测站在开、关机前后各量一次天线高，其差值小于5mm；（4）内业处理的均方差要小于0.03m。3.3布网及方案实施以DJ142、DJ140、DJ136三个已知点作为起算点，联测到测区构成由4个点组成的三角网，最大基线边长10公里，最小基线边长2公里。（图2）图2控制点展点图G1点采用木桩和石灰构成，选择在非耕地处，以利于长期保存，且交通便利。点位附近无大面积水域，高压线，微波塔及其他影响接受信号的障碍物。使用GPS接收机进行静态观测。有效观测时段100分钟。总共观测4个测站，有效观测时段数为1.2。高程采用GPS拟合高程。加密的4个基站点采用快速静态测定。（表3）内业处理采用天宝TGO商用后处理软件进行基线解算及网平差，然后采用北京54坐标系的大地成果进行匹配处理，获得G1点的平面坐标成果（表4）。平差后基线边相对中误差为1：9万至1：27万之间，高程拟合精度0.3m。表3白衣阁二维地震勘探E级加密点成果表点号Y(m)X(m)H(m)备注T013964922.05020364316.49344.936木桩T023963398.18720361999.67246.126木桩T033968652.20220361872.08745.992木桩T043969339.17020364399.63146.361木桩表4二维地震勘探E级GPS成果表点号Y(m)X(m)H(m)备注G120365440.7483961921.82246.488木桩4RTK放样采用GPS实时差分测量（RTK）放样，使用一个E级GPS控制点配合3个流动站作业。工地校正平面残差最大0.025M,垂直残差最大0.025M。放样前将测线端点和终点坐标输入测量控制器（手簿）内，建立直线放样。放样一般从小号开始，3个流动站分段向前放样。基站随测线移动，基站距离流动站的基线长度均不大于4公里，每次发展的参考站均采用已放样点进行检核。实地放样点均为固定解。测线点位采用线号加桩号来表示，如：DZ21-108，DZ21表示线号，108表示桩号。从起点开始每隔20米放一个物理点，物理点采用石灰加木桩表示。测线经过村庄不能实地放样时,在木桩上表明线偏距离，并在附近墙壁上喷红漆注明点号与偏心距离。测量工作日报按要求均在现场填写完整。在每日施工前，搬迁至新的参考站；接收机、控制器内的数据或参数更新后；接收机或控制器出现断电、死机或参考站断电造成流动站失锁等故障恢复后，均须详细检查基准站和流动站的有关数据，并复测2个以上已放样点或复测两次单个控制点进行检核。符合要求后，才能进行施工。为了使放样的物理点成果尽可能接近理论设计值，为了控制物理点点位放样精度,设置报警半径为5m，数据记录半径为0.5m（CQ值），实时差分流动站距参考站的距离控制在4千米以内，采用后援软件对物理点放样实测值与设计值进行比较如下：0.00m≤Fs≤0.50m:数量：1225占百分比：95.70%0.50m≤Fs≤1.00m:数量：42占百分比：3.28%1.00m≤Fs≤2.00m:数量：13占百分比：1.02%放样测线道距为20m，均满足煤炭物探测量规范不大于1/10道距的误差要求。工作完成后，要对物理点进行复测检验。对全工区73个检核点互差比较如下：0.00m≤ΔX≤0.20m:数量：51占百分比：69.86%0.20m＜ΔX≤0.40m:数量：12占百分比：16.44%0.40m＜ΔX≤0.60m:数量：10占百分比：13.70%0.00m＜ΔY≤0.20m:数量：47占百分比：64.38%0.20m＜ΔY≤0.40m:数量：15占百分比：20.55%0.40m＜ΔY≤0.60m:数量：11占百分比：15.07%《煤炭物探全球卫星定位系统动态测量技术规范》规定,实时载波相位差分测量（RTK）复测、检核的物理点与原测点的成果互差最大限差为:�ΔX≤0.6m；ΔY≤0.6m，从以上检核点互差比较,全部成果符合要求。对工区RTK放样点精度统计如下（表5）：表5检核点精度统计表放样点总数检核点总数检核点占总点数百分比（%）点位中误差（m）1280735.7Mx=0.09mMy=0.10m《煤炭物探全球卫星定位系统动态测量技术规范》规定,物理点点位中误差：ΔX≤0.3m；ΔY≤0.3m，从以上精度统计表明,放样物理点中误差远远小于规范要求。从以上各表数据统计表明：RTK虽然是一种动态作业，但系统比较稳定，应用于煤田地震勘探，其精度远远高于煤炭物探测量行业标准，高精度满足煤炭地震物探的要求。根据大量事实表明，流动站相对于基准站来说，RTK放样点的精度控制在60cm范围内是完全能够达到的。5应用体会通过本次GPS-RTK在煤田地震勘探测量中得应用，得出如下体会：（1）GPS-RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。GPS仅需一个人操作，在待放样点上经1~2秒即可获得该点坐标，然后根据给出的坐标差，迅速接近放样点，一般只需3~4次便可完成放样。整个作业过程全由电脑控制，自动记录，自动数据预处理，自动平差计算。（2）GPS-RTK采集的定位坐标数据是WGS-84坐标，如在其它坐标系统内进行RTK作业，则需要求取定位坐标转换参数。转换参数质量的好坏直接影响RTK的测量精度。（3）GPS-RTK技术受到基准站传播差分改正数有效范围的限制，在大区域实施作业时，应注意其控制的有效范围，RTK的范围尽量不超过10Km为原则，否则解算速度和精度都大受影响。（4）GPS-RTK作业不受通视条件影响，单站测量控制范围广，操作简单，可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。但当有浓密遮挡物时，如树林，房屋等，其接收卫星及基准站电台信号会受到极大地影响，这在某种程度上制约了其广泛应用。参考文献[1]许绍铨，等.GPS测量原理及应用[M].湖北：武汉大学出版社，2008.[2]全球定位系统（GPS）测量规范[S].[3]煤炭资源勘查工程测量规程[S].[4]MT/T897-2000,煤炭煤层气地震勘探规范[S].[5]刘峰，廖方兴.浅谈GPSRTK在某煤田勘探工程测量中得应用[J].新疆有色金属，2009，（4）：5-6.[6]张兆龙等.GPSRTK作业模式原理及其实用技术[J].四川测绘，2001，（2）.[7]丁翔宇.实时动态GPS测量技术在石油物探三维地震勘