GPS 技術在安徽懷遠-蒙城一帶金、鐵多金屬礦產調查中的應用

孫勇，韓昱

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽合肥 230022）

0 引言

在國家地質找礦的大背景下，全球定位系統（Global Positioning System，GPS）作為一門相對于傳統測量而言的新興技術，在新世紀得到了快速發展，GPS 技術作業效率高、精度高的顯著優點，在地質找礦方面也得到迅速的普及［1］。本文就GPS 技術在物探測量方面的應用，進行系統闡述，對其優缺點進行總結，為今后技術應用提出一點個人見解。

1 評價區自然地理概況

“安徽省懷遠-蒙城一帶金、鐵多金屬礦產調查評價”項目為安徽省2016 年度第二批公益性地質項目（皖國土資〔2016〕71 號），編號：2016-g-2-13。項目調查評價區（以下簡稱“評價區”）主要位于安徽省懷遠縣、蒙城縣一帶，東至固鎮縣城-鳳陽縣劉府一線，西至利辛縣江集鎮-馬店鎮一線，南至利辛縣闞疃鎮-懷遠縣馬城鎮一線，北至蒙城縣小澗鎮-固鎮縣城一線。包括闞疃集、尚塘集、樂土鎮、常興鎮、龍亢鎮、唐集鎮、古城等27幅1∶50 000圖幅，除查區東部懷遠荊山、涂山等地有少量露頭，其余均為覆蓋區，總計面積約為6 924 km2。

區域內地形開闊、地勢平坦，除東部荊山、涂山夾淮河而對峙外，其余均為平原，在平原地貌單元中，由于河流變遷、交互沉積和歷次黃河南泛覆蓋及人工開河筑壩等影響，局部地面不平整，具“大平、小不平”的特點。據此又分為湖地、崗坡地、灣地三種小類型。區內分布有北淝河、渦河、阜蒙新河、芡河、茨淮新河、渦河等河流，其中渦河、芡河在懷遠流入淮河。區內地形等級據原地質礦產部地球物理地球化學勘查局編制的《全國1∶50 000地形圖地形等級集》，綜合地形等級為2.5級。

評價區地處平原，區內交通便利，S307 省道連接懷遠、蒙城兩縣，S305 省道連接蒙城、利辛兩縣，G36寧洛高速、S203 省道、S308 省道等均從區內穿過，徐（州）—淮（北）—阜（陽）鐵路、徐（州）—宿（州）—蚌（埠）—合（肥）高鐵分別從調查區西北及東北角通過。村村通工程使得水泥路已覆蓋區內所有行政村。

2 作業技術安排

針對本次作業的精度要求，遵循“由整體到局部，由高級到低級，先控制后碎部”的原則［2］，根據測區實際情況，優先進行GPS 控制測量，求取7 個參數后，再進行RTK 碎部放樣。本次在馬店、劉圩、支子湖3 個區塊部署了面積性重力測量，工作比例尺為1∶25 000，網度為250 m×50 m。面積性物探工作設計重力點位中誤差≤±10 m，高程中誤差≤±0.2 m，采用RTK 代入參數后，進行測點放樣。在馬店、劉圩、立倉三個區塊部署了面積性地面高精度磁法測量，工作比例尺為1∶10 000，網度為100 m×40 m。采用手持GPS 代入參數后，完成測點放樣。設計要求手持GPS點位中誤差≤±10 m，高程中誤差≤±10 m；GPS 測點定位精度檢查采用同精度檢查，檢查點數量不少于總點數的3%，三維坐標較差不大于測點中誤差的2倍。主要測量參數為：根據測區地形圖比例尺采用6°分帶，坐標系采用1954 年北京坐標系統，高程采用1985 國家高程基準，投影采用高斯正形投影，根據測區經緯度中央子午線選為117°，GPS 坐標系統轉換參數分別是RTK 7 個參數和手持導航型GPS5個參數等[3]。

3 GPS控制測量

GPS 控制測量主要為地面物探測點放樣及高程測量提供物控點?？紤]到篩選的重點區塊相隔較遠，在實際生產中，各區塊獨立組網施測。

3.1 馬店區塊

生產儀器為天寶r4-3 型GPS 雙頻接收機，通過了符合國家計量檢定要求的質檢單位的檢定。

收集C 級控制點4 個，加密控制點1 個。加密控制點采用混凝土標石不銹鋼十字絲標志，GPS 控制點名稱按所在地名拼音首字母命名。

控制網布置采用圖形強度較好和作業效率較高的邊連式GPS 網，作業方法為GPS 靜態定位測量。GPS 接收天線安置對中誤差不大于3 mm（用鋼尺在互為120°的三個方向上，測量后取平均值），衛星信號接收同步觀測時間不小于60 min。觀測衛星高度截止角大于15°，歷元間隔5 s，野外觀測數據GPS 自動記錄。

共測GPS基準站5個，基線12條。網中平均基線長度為12.033 km?；€解為雙差固定解。重復基線最大誤差ds=6 mm，小于規范允許值17 mm［4］。

GPS控制網二維約束平差控制網使用4個已知點強制約束解算；高程采用4個已知高程點參數擬合。

GPS 靜態測量和RTK 測量使用儀器為天寶r4-3 型GPS 雙頻接收機，儀器標稱精度：靜態平面±3 mm+0.5 mm/km，靜態高程±5 mm+0.5 mm/km；動態平面±0.8 cm+1 mm/km，動態高程±1.5 cm+1 mm/km。其擬合解算結果見表1。

表1 馬店區塊約束平差、高程擬合解算結果Table 1.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Madian block

由表1 可知，水平殘差小于規范要求的20 mm,垂直殘差小于規范要求的40 mm。

3.2 支子湖區塊

使用儀器及施測方法同上。收集C 級控制點4個，加密控制點2 個。共測GPS 基準站6 個，基線18條。網中平均基線長度為12.194 km?；€解為雙差固定解。重復基線最大誤差ds=15 mm，小于規范允許值28 mm。GPS控制網二維約束平差控制網使用4個已知點強制約束解算；高程采用4 個已知高程點參數擬合，其擬合解算結果見表2。

表2 支子湖區塊約束平差、高程擬合解算結果Table 2.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Zhizihu block

由表2可知，水平殘差小于規范要求的20 mm，垂直殘差小于規范要求的40 mm。

3.3 劉圩與立倉區塊

使用儀器為廣州市三鼎光電儀器有限公司產T66型衛星定位接收機5 臺，全部儀器均經過法定計量檢測檢定合格，在作業期間，所有參與作業的儀器均在有效檢定期內。

由于立倉工區范圍已布設有E 級GPS 控制網（原西賈莊-羅集工區），且劉圩工區與立倉工區距離較近，故本次在原西賈莊-羅集工區E 級GPS 控制網基礎上，對原控制網向東擴展并重新進行平差以取得適合本次作業的參數，網中包括擬作為平面起算的C 級GPS 控制點6 個，原E 級GPS 控制點13 個，新設GPS控制點4 個（K100、K200、K300、K400）。新增點均選擇在視野開闊、交通便利、地基相對穩固的位置，點位周圍無大功率電力及無線信號干擾且無大面積水域，所有新增點均埋設了普通混凝土標石。

作業時，以圖形強度較好的大地四邊形作為主要基本圖形，使用4 臺套GPS 接收機進行同步觀測；以單三角形作為輔助基本圖形，使用3 臺套GPS 接收機進行同步觀測。觀測過程中，高度截止角均大于15°，同步觀測衛星數均大于4 顆，同步觀測時間均大于40 min。GPS 網平差計算采用南方測繪儀器有限公司的GNSS 靜態解算軟件（版本號4.05.150324）。本次GPS 靜態測網全網共有23 個測站點，按照規范中觀測時段數≥1.6的要求，應觀測37個測站數據，實際參與組網平差的測站數據共51個，觀測數量滿足規范要求。

全網最大邊長為35 350 m，最小邊長為3 426 m，平均邊長為10 515 m。按照儀器精度計算的整網基線測量標準差σ＝10.6 mm,在此基礎上放大一倍的高程網基線測量標準差σ＝21.2 mm。標準差計算公式如下：

式中：σ為標準差，mm；a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數，10-6mm；d為基線平均邊長，km。

全網組網基線共75 條，解算模式選擇雙差固定解，解算結果均滿足要求。重復基線共14 條，基線長度較差最大值為13.5 mm，對應重復基線長度較差允許值為42.9 mm。

按照3 層深度搜索模式得到三邊閉合環總數122個，其中同步環49 個，異步環73 個，環內坐標分量閉合差最大為8.6 mm，對應環內坐標分量允許閉合差為16.7 mm；環閉合差最大為19.9 mm，對應環允許閉合差為28.9 mm。

無約束平差中，基線分量改正數最大值為34.9 mm，對應基線分量改正數允許值為163.1 mm。約束平差中，基線分量改正數最大值為43.5 mm，對應基線分量改正數允許值為163 mm。平面最弱點為WK13 點，點位精度為±5.49 mm，高程擬合采用二次曲面擬合方式，內符合精度中誤差為±59.1 mm；最弱點為K400，高程擬合精度為±9.4 mm。以上所有結果均滿足規范相應要求。

GPS 靜態測量和RTK 測量使用儀器為南方T66型衛星定位接收機GPS雙頻接收機，儀器標稱精度：靜態平面為±3 mm+1 mm/km，靜態高程為±5 mm+1 mm/km；動態平面為±1cm+1mm/km，動態高程為±2cm+1mm/km。

4 碎部測量

控制測量完成后，馬店、劉圩、支子湖三個區塊所需7 個參數分別都帶入RTK 中，每個區塊選取基站點后，用RTK手簿自帶軟件，做控制點測量，從最近已知點引點至基站位置，分別從2個已知點引點至基站，選取得到的2 個基站坐標平均數，作為最終基站坐標。最終坐標合格率都為100%。針對1∶25 000 面積性重力測量高程中誤差≤±0.2 m的精度要求，采用RTK單基站模式進行設計點位的點放樣。為方便測量后質檢，采用竹簽定點，懸掛小紙旗或紅布條作為臨時標記。

GPS 測量基準站的架設有專人看守，負責維護基準站，保證儀器狀態良好，確保各流動站全天正常工作。流動站RTK 測點觀測衛星數不少于4 顆，PDOP值小于6，高度截止角大于15°，移動站與基準站距離一般不大于10 km。移動站和基站數據鏈采用中國移動的GPRS網絡模式。

工作中若遇密集建筑物、大片水域或其他不利地形等情況，一般在1/2點距范圍內可作適當位移，超出此范圍作棄點處理。

點位、高程、重力測點質量檢查采用“一同三不同”的方法隨野外生產進度同步展開，質量檢查點在時間上和空間上分布基本均勻。各項指標均優于設計精度。各工區統計結果見表3。

表3 重力測點質量檢查統計Table 3.Statistics of gravity survey point quality inspection

全區統計測地平面中誤差為±0.057 m，優于設計10 m 要求；高程中誤差為±0.025 m，優于設計0.2 m 要求。由表3 可知，平面和高程中誤差均小于設計2 倍中誤差的要求，質量檢查率小于設計3%。

RTK質檢所采用公式［5］分別為：

（1）RTK定位平面中誤差εg的計算公式如下：

式中：εxi，εyi為第i點x和y方向原始觀測與檢查觀測之差；i為檢查點號，i=1，2，…，n。

（2）RTK定位高程中誤差εh的計算公式如下：

式中：δhi為第i點高程原始觀測與檢查觀測之差；n為檢查點數，i=1，2，…，n。

針對在馬店、劉圩、立倉三個區塊部署的1∶10 000面積性地面高精度磁法測量，采用帶入參數后的手持GPS 進行測點放樣［5］。首先計算手持GPS 測量所需參數，用WGS84坐標系X、Y、Z、A、F值，減去我國坐標系的對應值，得出實現坐標系轉換的5個參數，即DX、DY、DH、DA、DF，所需WGS84 坐標和平差后的目標坐標由E級GPS控制測量得到。

參數驗證：將求得的5 個參數輸入手持GPS 中，在應用區域內選擇2 個以上控制點進行實測，所測坐標與已知坐標比對，如果最大誤差不超過15 m，平均誤差不超過10 m，則計算參數可以應用。實際測量誤差最大為5 m，平均誤差值為4 m滿足以上條件。

手持GPS 質量檢查也采用同精度“一同三不同”方式進行，隨工作進度隨機進行，統計結果見表4。由表4 可知，三個工作區塊質檢檢查率最小的馬店也大于設計3%的要求，平面和高程中誤差均小于設計精度。

表4 磁法測量質量檢查統計Table 4.Statistics of magnetic survey quality inspection

5 結束語

本次測量工作根據設計和規范要求結合物探測量的特點，有針對性地安排了GPS控制測量和碎部測量，從精度上來說完全滿足設計要求，控制測量點的數量和密度滿足設計規范要求，分布完全覆蓋3 個測區，但是由于GPS數據具有偶然性和信號易受各種因素干擾，所以每次測量觀測3次取平均數為最終結果。RTK 單基準站模式下，流動站坐標是由一個基準站來確定的，因此可靠性較差，所以每次測量完成后進行質檢時，質檢會選擇另一個基站（坐標已知），通過質檢測量數據表可知誤差符合規范要求。手持GPS 測量主要是注意避開影響信號的障礙物和大范圍水面等因素?？偟膩碚f，GPS 測量在工作中操作簡單，效率高。相信通過不斷總結經驗和技術改進，GPS 技術一定能更好地為物探測量提供服務。