实时动态测量任意基准站技术在地球物理勘探测量中的应用

宁卫远

(河南省煤田地质局物探测量队,河南郑州450009)

0 引 言

GPS测量技术的进步给地球物理勘探测量带来了一次技术革命,为地球物理勘探技术的发展作出了突出的贡献。近年来GPS卫星技术的应用表明,卫星定位技术完全能够满足物探测量的要求,它几乎已经取代了常规测量方法,使传统物探测量发生了重大的技术变革。GPS测量技术被广泛用于物探测量中从控制网的布设到物理点测量,产生了良好的社会和经济效益,起到了基础性和保障性的作用。

1 RTK测量任意架设基准站的原理及方法

由GPS RTK技术的原理可知,常规的GPS RTK基准站只能架设于已知点上,但对于有些作业条件不太良好的已知点,就极大地削弱了基准站电台的发射效果和流动站电台的接收功能,在丘岭或山区一个RT K基准站往往只能覆盖2 km左右的范围,大大地降低了RTK的作业效果。RTK任意架设基准站方法是一种比较灵活常用的作业方法,如果能够根据其原理灵活地运用并熟悉其优缺点,便可起到事半功倍的作用。

1.1 任意基准站方法的原理

RTK技术是在两台GPS接收机间加一套无线电通讯系统,基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息(如基准站的坐标、天线高等),通过无线电通讯系统传送到流动站。在流动站完成初始化后,将基准站传送来的载波观测信号和本身收到的载波观测信号进行差分处理,实时求解出两站间的基线值,进而由基准站的坐标求得流动站的WGS-84坐标,通过坐标转换,即可实时求得实用的坐标并给出相应的点位精度。

基于RTK的工作原理,流动站与基准站是一种相对的关系,流动站的绝对精度取决于基准站的绝对精度,而地方格网坐标与 GPS工作坐标(WGS-84坐标)也是一种相对关系。因此,任意基准站法就是在不需要精确WGS-84坐标的时候利用这种相对关系。任意基准站法分两种情况:已有坐标转换关系和没有坐标转换关系。

1)已有坐标转换参数的情况下的任意基准站法

在已有坐标转换关系的情况下,我们可以利用流动站反求基准站坐标。基准站同流动站的设置均无需改动,在选好基准站的位置后,首先让基准站单点定位获取坐标发射数据,待流动站初始化达到相应精度后则选取一已知点测量并记录坐标,同已知坐标进行比较,将差值代入基准站,求得基准站正确坐标,将正确坐标输入基准站并发射数据,然后再次校正已知点,如此反复迭代。一般一次即可。

2)无坐标转换参数,只有地方格网坐标的情况下的任意基准站法

在没有坐标转换关系的情况下,则采用地方格网坐标与WGS-84坐标的相对关系,求取临时转换关系。

首先选好位置架设基准站,基准站同流动站都设置为GPS的默认WGS-84坐标,基准站依然采取单点定位法测得一个坐标值,该坐标为WGS-84坐标,然后以当前坐标参与基准站的工作。待流动站初始化达到精度后采集至少两个已知点的WGS-84坐标,最好已知三个点到四个点的格网坐标,以方便校核。利用同名点在流动站内求取转换参数,基准站无需求取转换参数,若有其他多台流动站同时工作,只需将求取的转换参数传输到其他流动站即可。

当流动站超过基准站工作范围,基准站位置需重新选择时,在未移动基准站时可以采用流动站采集位置,将WGS-84坐标输入基准站,然后将基准站架设在所采集的位置上。

1.2 华测RTK任意架设基站的作业方法

RTK作业时,基站可根据需要任意架设在不同位置,可以在空旷的位置、地势相对比较高的位置或者是离测区或控制点比较近的位置,不需要严格对中整平,只要把基站固定即可,移动站通过做点校正或者是“重置当地坐标”,然后进行RT K测量。

RTK测量启动基站时一般用手簿启动,也就是用手簿连接基站主机,然后去启动基站,而任意架站也是要用手簿启动,直接用当时单点定位获取的坐标启动基站。这样做比较繁琐,每次要用手簿去启动基站,启动完了移动站才能去测控制点或去测区。华测公司根据需求设计了基站自启动功能,即把基站设置为自启动功能后,开机即可发射差分数据,移动站收到数据就开始差分,然后做点校正或重置当地坐标,就可以开始后面测量过工作了。自启动基准站原理是:基准站主机设置为“自启动基准站”之后,基准站主机开机后,搜索卫星,内部达到3D解(单点定位)后,主机会自动按这个单点定位的坐标发射差分数据,就相当于用这个坐标启动的基准站,无需用手簿进行连接,方便简单;而对于移动站,收到差分数据后,进行差分,达到差分解(浮动解或者固定解),然后做点校正或重置当地坐标,即可开始测量或放样工作了。

2 物探RTK测量的质量控制

2.1 快速静态比较法

在进行RTK观测的同时,对某些RTK点再做一次快速静态观测,事后对这些点的RTK成果和快速静态成果进行比较分析,从而检查RTK成果是否有质量问题。采用这种方法作快速静态时,需要流动站和基准站约定好同时记录原始观测数据,因为在正常的 RTK观测时,基准站并不记录原始观测数据。快速静态的采样间隔可以采用RTK的采样间隔。观测时间视基线的长短可以为5～10 min或更长的时间。石油物探测量规范要求,在物探测线端点必须采用快速静态测量方式复测端点坐标以保证测线端点放样的质量。

2.2 重测比较法

重测比较法是在每次重新初始化成功后,先重测附近已测过的RTK点1～3个,并现场比较其成果,从而判断这次的初始化是否正确可靠。确认初始化没有问题以后,才进行新的RTK观测。石油物探测量规范中明确规定:

1)实时动态测量有下列情况之一应复测两个以上物理点检核后才能进行施工。

—每日施工前;

—搬迁至新的参考站:

—接收机或电子手簿内的数据或参数更新后。

2)每条测线的均匀复测率应达到该测线物理点数的1%;

3)复测点与原测点的坐标互差限差为

Δx≤0.6 m;Δy≤0.6 m;Δh≤0.1 m

2.3 穿线比较法

这种方法和重测比较法略有不同,是在某一部分测区的RTK基本完成后,重新布测一条RTK测量链,用于整个测区内的 RTK成果质量控制。该测区内每一条RTK测量链上取一个RTK点组成一条新的RTK测量链,新布设的这条RT K测量链穿过整个测区。通过比对这条测量链上的RTK成果,来判断该测区内全部的RTK测量链是否有质量问题。这种方法进行质量控制的实时性不如重测比较法,但可以一次检查多条RTK测量链的成果质量,所以一般适用于主管部门进行RTK测量成果质量检查和成果验收。

2.4 电台变频法

该方法需在测区内建立两个或两个以上的基准站,每个基准站采用各自不同的频率发射差分改正数据,流动站RTK观测时,其电台配备有变频开关,可以选择接收不同的基准站发射的差分改正数,从而在每个RTK观测点上获得多个RTK成果。实时地比较多个RTK成果数据就可以判断这次观测有无质量问题。这种方法的最大优点是可以完全实时地对某个RTK点进行质量控制,但需要有两个或两个以上的基准站,流动站的电台用需要有变频选择功能。

3 RTK任意架设基准站技术在物探测量中的应用

根据中石化股份有限责任公司2010年度鄂尔多斯盆地旬邑-宜君区块地震勘探的部署要求,决定在鄂尔多斯盆地旬邑-宜君工区实施二维地震勘探。旬邑-宜君区块面积2028.9 km2,构造位置位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南缘与渭北隆起交界部位,该区块属典型山地地形,山体最大落差达百米以上,岩石出露,砂泥岩互层(砂厚泥薄)。东部少部分黄土塬地貌,黄土厚度由几米到30 m,黄土塬常年受雨水冲刷,形成树枝状沟谷,塬上村庄、农田、果园连片分布。山中灌木丛生,森林覆盖率达46.2%,纵横交错的沟谷和直立山体、茂密的植被等给施工带来困难。西部的测线多位于深山中,山体落差极大、不容易攀爬,植被主要是针叶林(松柏树)和灌木林,树木高度约在6 m以上,且密度大,穿行其间极为困难。根据前期控制作业实验,山顶 RTK信号尚可,半山坡和山谷中由于受植被、山体的影响,接收信号极为困难或者接收不到信号,流动站能接收到基准站的有效距离最大不超过2 km。

根据项目施工设计要求和测区实际情况,物探放样测量作业决定采用华测天骄X90(实时动态(RTK)水平精度±(10+1×10-6×D)mm,垂直精度±(20+1×10-6×D)mm)任意架设基准站技术与常规测量方法相结合的作业模式,对于密林、沟底等无法进行RTK作业的地方,采用全站仪放样、定测。RTK基准站架设尽量选择无电磁干扰、地势高的地方,以提高电台信号的传输距离,并提高电台的发射功率,以扩大流动站的作业范围,使信号不易失锁。通过这样的作业方式提高了RTK测量的作业速度,保证了作业质量。任意架设基准站技术,主要有以下优点:

1)提高精度:基准站可架设在测线附近或测区中间,缩小基线距离,提高定位精度;

2)基准站架设方便,可选择更安全,更方便,更有利,更空旷的地理位置,特别是控制点上面有觇标或环境不好的已知点,会影响基站的架设或卫星信号;

3)不需要严格对中整平,方便快捷,省时省力,减少了对中误差的影响;

4)不用手簿启动,开机即可发射,避免启动的繁琐,方便快捷。任意架设基准站技术,能极大提高作业效率。每个放样点只需要停留5～10 s的时间,仪器仅需一人操作,作业速度快,劳动强度低,节省了外业费用,提高了劳动效率。在一般的地形条件下,RTK设站一次即可测完4 km半径的测区,同常规RTK作业模式相比,大大减少了所需的控制点数量和传统测量仪器的“搬站”次数。

表1,2为该工程中部分实际工作理论数据与放样数据、测线起点与终点RTK放样与静态检查数据对比,该项目的质量控制措施主要为快速静态比较法和重测比较法。

表1 理论数据与放样数据对比表

表2 RTK放样测定坐标与快速静态观测数据对比表

4 结 论

通过对以上数据对比分析可以看出,放样测定点的坐标与理论坐标值都在规定限差以内,RTK放样坐标与静态检查坐标比较,差值最大0.11 m这样的精度则完全可以满足《石油物探测量规范》要求。实践证明:RTK任意架设基准站作业模式,能进一步提高测量作业效率,降低了劳动强度,节省了测量费用,使测量变得更轻松容易,但是,在利用RTK技术的同时,我们自己也要做到因地制宜、结合实际、将各种测量手段合理运用起来,在生产中做到“高效率、高质量、高利益”。GPS任意基准站法的优越性在于灵活机动,应用方便,高效且相对精度高。这种方法在物探测量中所能达到的精度及适用条件,完全满足物探测量技术要求,并为同类作业提供参考。

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