孙勇，韩昱
（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）
在国家地质找矿的大背景下，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）作为一门相对于传统测量而言的新兴技术，在新世纪得到了快速发展，GPS 技术作业效率高、精度高的显著优点，在地质找矿方面也得到迅速的普及［1］。本文就GPS 技术在物探测量方面的应用，进行系统阐述，对其优缺点进行总结，为今后技术应用提出一点个人见解。
“安徽省怀远-蒙城一带金、铁多金属矿产调查评价”项目为安徽省2016 年度第二批公益性地质项目（皖国土资〔2016〕71 号），编号：2016-g-2-13。项目调查评价区（以下简称“评价区”）主要位于安徽省怀远县、蒙城县一带，东至固镇县城-凤阳县刘府一线，西至利辛县江集镇-马店镇一线，南至利辛县阚疃镇-怀远县马城镇一线，北至蒙城县小涧镇-固镇县城一线。包括阚疃集、尚塘集、乐土镇、常兴镇、龙亢镇、唐集镇、古城等27幅1∶50 000图幅，除查区东部怀远荆山、涂山等地有少量露头，其余均为覆盖区，总计面积约为6 924 km2。
区域内地形开阔、地势平坦，除东部荆山、涂山夹淮河而对峙外，其余均为平原，在平原地貌单元中，由于河流变迁、交互沉积和历次黄河南泛覆盖及人工开河筑坝等影响，局部地面不平整，具“大平、小不平”的特点。据此又分为湖地、岗坡地、湾地三种小类型。区内分布有北淝河、涡河、阜蒙新河、芡河、茨淮新河、涡河等河流，其中涡河、芡河在怀远流入淮河。区内地形等级据原地质矿产部地球物理地球化学勘查局编制的《全国1∶50 000地形图地形等级集》，综合地形等级为2.5级。
评价区地处平原，区内交通便利，S307 省道连接怀远、蒙城两县，S305 省道连接蒙城、利辛两县，G36宁洛高速、S203 省道、S308 省道等均从区内穿过，徐（州）—淮（北）—阜（阳）铁路、徐（州）—宿（州）—蚌（埠）—合（肥）高铁分别从调查区西北及东北角通过。村村通工程使得水泥路已覆盖区内所有行政村。
针对本次作业的精度要求，遵循“由整体到局部，由高级到低级，先控制后碎部”的原则［2］，根据测区实际情况，优先进行GPS 控制测量，求取7 个参数后，再进行RTK 碎部放样。本次在马店、刘圩、支子湖3 个区块部署了面积性重力测量，工作比例尺为1∶25 000，网度为250 m×50 m。面积性物探工作设计重力点位中误差≤±10 m，高程中误差≤±0.2 m，采用RTK 代入参数后，进行测点放样。在马店、刘圩、立仓三个区块部署了面积性地面高精度磁法测量，工作比例尺为1∶10 000，网度为100 m×40 m。采用手持GPS 代入参数后，完成测点放样。设计要求手持GPS点位中误差≤±10 m，高程中误差≤±10 m；
GPS 测点定位精度检查采用同精度检查，检查点数量不少于总点数的3%，三维坐标较差不大于测点中误差的2倍。主要测量参数为：根据测区地形图比例尺采用6°分带，坐标系采用1954 年北京坐标系统，高程采用1985 国家高程基准，投影采用高斯正形投影，根据测区经纬度中央子午线选为117°，GPS 坐标系统转换参数分别是RTK 7 个参数和手持导航型GPS5个参数等[3]。
GPS 控制测量主要为地面物探测点放样及高程测量提供物控点。考虑到筛选的重点区块相隔较远，在实际生产中，各区块独立组网施测。
3.1 马店区块
生产仪器为天宝r4-3 型GPS 双频接收机，通过了符合国家计量检定要求的质检单位的检定。
收集C 级控制点4 个，加密控制点1 个。加密控制点采用混凝土标石不锈钢十字丝标志，GPS 控制点名称按所在地名拼音首字母命名。
控制网布置采用图形强度较好和作业效率较高的边连式GPS 网，作业方法为GPS 静态定位测量。GPS 接收天线安置对中误差不大于3 mm（用钢尺在互为120°的三个方向上，测量后取平均值），卫星信号接收同步观测时间不小于60 min。观测卫星高度截止角大于15°，历元间隔5 s，野外观测数据GPS 自动记录。
共测GPS基准站5个，基线12条。网中平均基线长度为12.033 km。基线解为双差固定解。重复基线最大误差ds=6 mm，小于规范允许值17 mm［4］。
GPS控制网二维约束平差控制网使用4个已知点强制约束解算；
高程采用4个已知高程点参数拟合。
GPS 静态测量和RTK 测量使用仪器为天宝r4-3 型GPS 双频接收机，仪器标称精度：静态平面±3 mm+0.5 mm/km，静态高程±5 mm+0.5 mm/km；
动态平面±0.8 cm+1 mm/km，动态高程±1.5 cm+1 mm/km。其拟合解算结果见表1。
表1 马店区块约束平差、高程拟合解算结果Table 1.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Madian block
由表1 可知，水平残差小于规范要求的20 mm,垂直残差小于规范要求的40 mm。
3.2 支子湖区块
使用仪器及施测方法同上。收集C 级控制点4个，加密控制点2 个。共测GPS 基准站6 个，基线18条。网中平均基线长度为12.194 km。基线解为双差固定解。重复基线最大误差ds=15 mm，小于规范允许值28 mm。GPS控制网二维约束平差控制网使用4个已知点强制约束解算；
高程采用4 个已知高程点参数拟合，其拟合解算结果见表2。
表2 支子湖区块约束平差、高程拟合解算结果Table 2.Results of constrained adjustment and elevation fitting for the Zhizihu block
由表2可知，水平残差小于规范要求的20 mm，垂直残差小于规范要求的40 mm。
3.3 刘圩与立仓区块
使用仪器为广州市三鼎光电仪器有限公司产T66型卫星定位接收机5 台，全部仪器均经过法定计量检测检定合格，在作业期间，所有参与作业的仪器均在有效检定期内。
由于立仓工区范围已布设有E 级GPS 控制网（原西贾庄-罗集工区），且刘圩工区与立仓工区距离较近，故本次在原西贾庄-罗集工区E 级GPS 控制网基础上，对原控制网向东扩展并重新进行平差以取得适合本次作业的参数，网中包括拟作为平面起算的C 级GPS 控制点6 个，原E 级GPS 控制点13 个，新设GPS控制点4 个（K100、K200、K300、K400）。新增点均选择在视野开阔、交通便利、地基相对稳固的位置，点位周围无大功率电力及无线信号干扰且无大面积水域，所有新增点均埋设了普通混凝土标石。
作业时，以图形强度较好的大地四边形作为主要基本图形，使用4 台套GPS 接收机进行同步观测；
以单三角形作为辅助基本图形，使用3 台套GPS 接收机进行同步观测。观测过程中，高度截止角均大于15°，同步观测卫星数均大于4 颗，同步观测时间均大于40 min。GPS 网平差计算采用南方测绘仪器有限公司的GNSS 静态解算软件（版本号4.05.150324）。本次GPS 静态测网全网共有23 个测站点，按照规范中观测时段数≥1.6的要求，应观测37个测站数据，实际参与组网平差的测站数据共51个，观测数量满足规范要求。
全网最大边长为35 350 m，最小边长为3 426 m，平均边长为10 515 m。按照仪器精度计算的整网基线测量标准差σ＝10.6 mm,在此基础上放大一倍的高程网基线测量标准差σ＝21.2 mm。标准差计算公式如下：
式中：σ为标准差，mm；
a为固定误差，mm；
b为比例误差系数，10-6mm；
d为基线平均边长，km。
全网组网基线共75 条，解算模式选择双差固定解，解算结果均满足要求。重复基线共14 条，基线长度较差最大值为13.5 mm，对应重复基线长度较差允许值为42.9 mm。
按照3 层深度搜索模式得到三边闭合环总数122个，其中同步环49 个，异步环73 个，环内坐标分量闭合差最大为8.6 mm，对应环内坐标分量允许闭合差为16.7 mm；
环闭合差最大为19.9 mm，对应环允许闭合差为28.9 mm。
无约束平差中，基线分量改正数最大值为34.9 mm，对应基线分量改正数允许值为163.1 mm。约束平差中，基线分量改正数最大值为43.5 mm，对应基线分量改正数允许值为163 mm。平面最弱点为WK13 点，点位精度为±5.49 mm，高程拟合采用二次曲面拟合方式，内符合精度中误差为±59.1 mm；
最弱点为K400，高程拟合精度为±9.4 mm。以上所有结果均满足规范相应要求。
GPS 静态测量和RTK 测量使用仪器为南方T66型卫星定位接收机GPS双频接收机，仪器标称精度：静态平面为±3 mm+1 mm/km，静态高程为±5 mm+1 mm/km；
动态平面为±1cm+1mm/km，动态高程为±2cm+1mm/km。
控制测量完成后，马店、刘圩、支子湖三个区块所需7 个参数分别都带入RTK 中，每个区块选取基站点后，用RTK手簿自带软件，做控制点测量，从最近已知点引点至基站位置，分别从2个已知点引点至基站，选取得到的2 个基站坐标平均数，作为最终基站坐标。最终坐标合格率都为100%。针对1∶25 000 面积性重力测量高程中误差≤±0.2 m的精度要求，采用RTK单基站模式进行设计点位的点放样。为方便测量后质检，采用竹签定点，悬挂小纸旗或红布条作为临时标记。
GPS 测量基准站的架设有专人看守，负责维护基准站，保证仪器状态良好，确保各流动站全天正常工作。流动站RTK 测点观测卫星数不少于4 颗，PDOP值小于6，高度截止角大于15°，移动站与基准站距离一般不大于10 km。移动站和基站数据链采用中国移动的GPRS网络模式。
工作中若遇密集建筑物、大片水域或其他不利地形等情况，一般在1/2点距范围内可作适当位移，超出此范围作弃点处理。
点位、高程、重力测点质量检查采用“一同三不同”的方法随野外生产进度同步展开，质量检查点在时间上和空间上分布基本均匀。各项指标均优于设计精度。各工区统计结果见表3。
表3 重力测点质量检查统计Table 3.Statistics of gravity survey point quality inspection
全区统计测地平面中误差为±0.057 m，优于设计10 m 要求；
高程中误差为±0.025 m，优于设计0.2 m 要求。由表3 可知，平面和高程中误差均小于设计2 倍中误差的要求，质量检查率小于设计3%。
RTK质检所采用公式［5］分别为：
（1）RTK定位平面中误差εg的计算公式如下：
式中：εxi，εyi为第i点x和y方向原始观测与检查观测之差；
i为检查点号，i=1，2，…，n。
（2）RTK定位高程中误差εh的计算公式如下：
式中：δhi为第i点高程原始观测与检查观测之差；
n为检查点数，i=1，2，…，n。
针对在马店、刘圩、立仓三个区块部署的1∶10 000面积性地面高精度磁法测量，采用带入参数后的手持GPS 进行测点放样［5］。首先计算手持GPS 测量所需参数，用WGS84坐标系X、Y、Z、A、F值，减去我国坐标系的对应值，得出实现坐标系转换的5个参数，即DX、DY、DH、DA、DF，所需WGS84 坐标和平差后的目标坐标由E级GPS控制测量得到。
参数验证：将求得的5 个参数输入手持GPS 中，在应用区域内选择2 个以上控制点进行实测，所测坐标与已知坐标比对，如果最大误差不超过15 m，平均误差不超过10 m，则计算参数可以应用。实际测量误差最大为5 m，平均误差值为4 m满足以上条件。
手持GPS 质量检查也采用同精度“一同三不同”方式进行，随工作进度随机进行，统计结果见表4。由表4 可知，三个工作区块质检检查率最小的马店也大于设计3%的要求，平面和高程中误差均小于设计精度。
表4 磁法测量质量检查统计Table 4.Statistics of magnetic survey quality inspection
本次测量工作根据设计和规范要求结合物探测量的特点，有针对性地安排了GPS控制测量和碎部测量，从精度上来说完全满足设计要求，控制测量点的数量和密度满足设计规范要求，分布完全覆盖3 个测区，但是由于GPS数据具有偶然性和信号易受各种因素干扰，所以每次测量观测3次取平均数为最终结果。RTK 单基准站模式下，流动站坐标是由一个基准站来确定的，因此可靠性较差，所以每次测量完成后进行质检时，质检会选择另一个基站（坐标已知），通过质检测量数据表可知误差符合规范要求。手持GPS 测量主要是注意避开影响信号的障碍物和大范围水面等因素。总的来说，GPS 测量在工作中操作简单，效率高。相信通过不断总结经验和技术改进，GPS 技术一定能更好地为物探测量提供服务。
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