RTK技術(shù)原理及在水泥原料礦山測(cè)量管理中的應(yīng)用

  摘要：大型水泥原料礦山測(cè)量技術(shù)管理是一項(xiàng)系統(tǒng)、繁瑣又艱苦的測(cè)繪工作。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、及全站儀等，測(cè)量方法有導(dǎo)線測(cè)量、交會(huì)測(cè)量等，其共同特點(diǎn)是測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)間必須通視，因此不能進(jìn)行大面積的測(cè)量工作，而且需要3個(gè)工作人員以上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，常常受天氣影響不能有效工作。近十年來(lái)國(guó)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(jiǎn)單高效的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于礦山地形圖測(cè)繪、各種工程放樣、控制測(cè)量以及礦區(qū)界址點(diǎn)尋找等方面，很受礦山測(cè)量管理人員歡迎。目前，RTK技術(shù)定位精度達(dá)到厘米級(jí)，能滿足礦山工程需要。

  一、GPS-RTK技術(shù)

  RTK（Real-Time  Kinematic）技術(shù)又稱(chēng)載波相位差分技術(shù)，是以WGS-84坐標(biāo)為基礎(chǔ)的全球通用的一種動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)處理基準(zhǔn)站、移動(dòng)站兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)值的差分方法。

  是能夠在野外實(shí)時(shí)提供測(cè)量點(diǎn)在指定的坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)的厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，是GPS在測(cè)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(lái)極高的外業(yè)作業(yè)效率。

  RTK測(cè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵性設(shè)備。（3）軟件解算系統(tǒng)：對(duì)保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)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(zhǔn)站采集跟蹤的GPS衛(wèi)星載波相位觀測(cè)量通過(guò)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行編碼和調(diào)試，經(jīng)電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈發(fā)射出去，移動(dòng)站在對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并采集載波相位觀測(cè)量的同時(shí)，也接收來(lái)自基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào)。移動(dòng)站在對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和實(shí)時(shí)分析處理，并根據(jù)給定的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，只要保證4顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的衛(wèi)星幾何圖形，移動(dòng)站便可實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)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(guó)GPS衛(wèi)星、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)信號(hào)。

  二、RTK測(cè)量精度驗(yàn)證

  RTK測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在各種工程測(cè)量中我們所要得到地方平面直角坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)，就必須把觀測(cè)的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中，就必然存在模型轉(zhuǎn)換誤差，這是RTK測(cè)量誤差的第一個(gè)來(lái)源；在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，會(huì)受到電離層傳播延遲誤差，對(duì)流層傳播延遲誤差，及電臺(tái)和高層建筑物、樹(shù)林干擾等因素的影響，對(duì)差分結(jié)果造成誤差，也會(huì)成為RTK測(cè)量誤差的一部分；另外，對(duì)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(cè)量精度。因此，必須對(duì)RTK進(jìn)行質(zhì)量控制，其方法有：①已知點(diǎn)檢核比較法：利用一些靜態(tài)GPS或者全站儀實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)；用RTK測(cè)量這些點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)和邊長(zhǎng)及高程比較檢核。②重測(cè)比較法：每次搬遷基準(zhǔn)站或初始化成功后，先重測(cè)1-2個(gè)已測(cè)過(guò)的RTK點(diǎn)或高精度控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比較檢核。

  為此，我們利用南方靈銳S86 2013雙頻RTK儀器對(duì)我礦高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量精度對(duì)比，儀器做好四參數(shù)后，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)精度1-2厘米、高程精度3厘米以內(nèi)，各點(diǎn)位之間不存在誤差累積，克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的弊病，可見(jiàn)RTK測(cè)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(cè)衛(wèi)星空間幾何分布狀態(tài)不同有關(guān)，可能有部分測(cè)點(diǎn)PDOP值超限或精度因子超限，只有通過(guò)減小測(cè)距和增加測(cè)回?cái)?shù)加以解決。

  三、RTK測(cè)量在礦山的主要應(yīng)用

  1、應(yīng)用于采場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)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(chǎng)，北采區(qū)有87、99、111米采場(chǎng)和紗帽山171、159采場(chǎng)。由于礦石質(zhì)量搭配的需要，不同采場(chǎng)分采分爆，日本“小松”鏟需在不同采場(chǎng)位置和不同時(shí)間吃料，這就需要每月底每個(gè)采場(chǎng)進(jìn)行收方測(cè)量，移動(dòng)站必須把每個(gè)采場(chǎng)上下邊緣形狀測(cè)出來(lái)，內(nèi)業(yè)以CAD成圖形式反映出采場(chǎng)現(xiàn)狀，并與上月CAD圖比較后計(jì)算出本月采礦量，并在水平分層圖上計(jì)算出礦石量與廢石量，從而掌握采場(chǎng)情況，為調(diào)整月生產(chǎn)計(jì)劃提供依據(jù)，為完成年度生產(chǎn)計(jì)劃提供保證。

  2、應(yīng)用于采場(chǎng)標(biāo)高及采準(zhǔn)測(cè)量

  每個(gè)采場(chǎng)由于采礦設(shè)備作業(yè)水平不同，需要經(jīng)常測(cè)量采場(chǎng)標(biāo)高以保持采場(chǎng)平整度。由于我礦產(chǎn)量大，每天爆破次數(shù)多，更需要對(duì)每個(gè)爆區(qū)高度和位置進(jìn)行測(cè)量，才能控制采礦進(jìn)度和爆破設(shè)計(jì)施工質(zhì)量。

  3、應(yīng)用于礦山邊界界址點(diǎn)管理

  我礦周?chē)?個(gè)村莊，礦山與村莊有127個(gè)界址點(diǎn)。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(lái)，由于個(gè)別村莊干擾都沒(méi)有完成這項(xiàng)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(cè)量難度，需要經(jīng)常尋找邊界點(diǎn)解決糾紛，維護(hù)我礦正當(dāng)?shù)牟傻V權(quán)益。

  4、應(yīng)用于礦山各種工程放樣

  采用RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行放樣（包括點(diǎn)、線、面）只需根據(jù)需要設(shè)置好基準(zhǔn)站，并將所要放樣的坐標(biāo)輸入RTK手薄中，便可手持移動(dòng)站點(diǎn)位校正后根據(jù)系統(tǒng)提示確定出放樣的點(diǎn)位等，無(wú)需沿途布設(shè)控制點(diǎn)，節(jié)約經(jīng)費(fèi)、節(jié)省時(shí)間。由于測(cè)點(diǎn)間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)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(biāo)放樣是經(jīng)常性工作。

  5、應(yīng)用于礦山邊坡監(jiān)測(cè)管理

  經(jīng)過(guò)30余年的開(kāi)采，馬頭山采區(qū)已形成長(zhǎng)1200米、最大垂高123米的巨大邊坡，每12米一個(gè)臺(tái)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(chǎng)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(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以防雨季、雪季發(fā)生滑坡，基本上每半年檢測(cè)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(guò)18年的開(kāi)采，形成長(zhǎng)500米、最大垂高156米的邊坡，其南端形成排廢場(chǎng)，也存在滑坡的危險(xiǎn)，必須設(shè)若干個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每半年檢測(cè)一次，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)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(huì)

  1、RTK應(yīng)用于礦山的優(yōu)勢(shì)：

  ①作業(yè)速度快，效率高。通常情況下利用RTK測(cè)量1秒鐘即可獲得一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；②定位精度高。RTK測(cè)量各點(diǎn)間的精度基本上是獨(dú)立的，減少了測(cè)量誤差積累，這不同于導(dǎo)線測(cè)量和GPS網(wǎng)測(cè)量成果中點(diǎn)的精度；③操作簡(jiǎn)便，容易使用。隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，體積小、重量輕；④全天候全天時(shí)作業(yè)。

  2、基準(zhǔn)站設(shè)置要合理。避免選擇在強(qiáng)電磁波干擾源附近，及大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)施，高壓輸電線等，基準(zhǔn)站站址及數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)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(dòng)站在一定范圍內(nèi)能清晰的高質(zhì)量接收基準(zhǔn)站發(fā)出的數(shù)據(jù)。

  3、RTK應(yīng)用于礦山的不足：

  ①對(duì)于影響GPS衛(wèi)星信號(hào)接收的遮蔽地帶或在三期廠區(qū)礦石均化庫(kù)、煤庫(kù)、及其他庫(kù)房?jī)?nèi)測(cè)量，應(yīng)使用全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)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(hào)不好而難以得到“固定解”，這就需要掌握好符合RTK使用時(shí)間范圍②對(duì)厘米級(jí)以下的高精度測(cè)量（如水準(zhǔn)測(cè)量、設(shè)備抄平等）不能應(yīng)用③不能達(dá)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(yǔ)

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

  主要參考文獻(xiàn)：

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

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

  4、地形測(cè)量學(xué)（冶金工業(yè)出版社）