GPS-RTK 在矿山测量中的应用

张 林 王家吉 龙泽伟 钟银富

（湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北 黄石 435100）

1 矿山开发简况

湖北三鑫金铜股份有限公司现有资产总额12 亿元，员工近1600人，其中专业技术人员近400人。年采选规模100 万吨，年产金1.4 吨,产铜1.2 万吨，采矿方式为地下开采，主副竖井开拓，采矿方法是分段中深孔嗣后阶段胶结充填法和上向水平分层胶结充填法，选矿工艺为混合浮选铜硫分离，尾矿回收硫和铁，尾砂主要用于井下充填，余下部分压滤干堆。

2 GPS原理

2.1 GPS-RTK 定位技术简介

实时动态测量 (RTK)Real Time Kinematic 定位技术是基于载波相位观测值的实时动态GPS定位技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态。

2.2 GPS-RTK 技术优点

与常规的测量方法比较，GPS-RTK 测量具有以下几个方面的优点：

(1)工作效率高:对一般的地形进行碎步测量，传统测量仪器（如全站仪）要在通视的情况下布设比较多的控制点，而且要不停的"搬站"，做控制点和搬站作业至少需要3人，也比较浪费作业时间。而RTK 作业范围比较大，一般的RTK 可以覆盖3-4km 半径的测区，质量好的RTK 可以覆盖5-10km 半径的测区，一般只要1-2人，在一般的电磁波环境下5秒钟就可获得限差内的固定坐标，作业速度快，劳动强度低，提高了劳动效率，节省了外业费用。

(2)定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累:只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。RTK 技术当前的测量精度：RTK 动态精度水平：10mm+1ppm(rms)，垂直：20mm+1ppm(rms)；静态后处理精度水平：5mm+0.5ppm(rms)，垂直：10mm+0.5ppm(rms)。

(3)降低了作业条件要求:RTK 技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足"电磁波通视"。因此，和传统测量相比，RTK 技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

(4)RTK 操作简便，测绘功能强大:目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而且RTK 手簿提供了非常多的应用软件，且功能强大，使测量工作远离以前复杂的计算作业，减少了测量内业工作量。

3 GPS-RTK的应用

3.1 尾矿库征地、大坝增高、坝体沉降观测

GPS-RTK 在信号强度比较好的地方，精度可达到mm 级，完全可以适用于尾矿库大坝的沉降观测。以前做一次沉降观测是一件很费时费力的事情，通常耗费3-5人，要两三天才能完成，一季度才计划做一次观测。现在用GPS进行沉降观测就比较方便。通常一个上午，两个人就可以完成，而且内业也比较省力，所有数据通过南方Cass 直接展图，与原来的数据对比就知道变化情况，现在的观测频率达到一月一次。

2010年尾矿库大坝加高扩容，涉及到征地范围。按照设计的标高，用GPS-RTK 将涉及的区域圈定下来。坝体坡度比设计1:2，中间有两个缓冲平台，GPS手簿拥有强大的计算功能，利用坡度比计算程序，可以非常快的检核大坝的坡度是否符合设计。应用GPSRTK 非常优质高效的完成了此次任务。

3.2 地表地形图测量

公司经过了三期的扩建发展，地表变化比较大，地域面积大，要经常更新地形图.过去一般用全站仪测地形图，先要在测区范围建立控制点，如果附近没有控制点，就必须花费大量人力和时间做控制点。在测站上测四周的地物地貌等碎部点时，要求碎部点都必须与测站通视，如果不通视就需要"搬站"，比较浪费时间，而且至少要求3-4人操作。现在采用RTK，在一般的地形地势下，设站一次就可测完以5公里（中海达GPS）为半径的测区，将基站放置在公司高楼顶部，外出作业仅需1-2人拿着移动站和手簿操作，在地形地貌碎部点上待5s 左右，获得限差内的固定解后，就得到该点的三维坐标值，同时输入地物编码，在测量过程中实时知道点位精度，这样使作业速度加快，节省了人力，也提高了劳动效率。RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级，并且误差没有累加，数据安全可靠。当一个测区测完后获得的数据通过Cass 成图软件就可以绘制输出所需求的地形图。

3.3 土方量计算

三鑫公司的不断发展，地表基建工作比较多，涉及填挖土方量的计算。在工程施工前，用GPS-RTK 测绘工程区域内的地形图，在工程完成后再测绘一次施工区域的地形图，将两次的数据导入到南方Cass 软件中，利用软件中的DTM 法、断面法、方格网法等功能来计算体积，既节省大量人力，也比较准确。

3.4 鸡笼山控制测量

兄弟单位鸡笼山矿业公司井下保有储量面临枯竭，开始国家危机矿山接替项目，进行周边外围探矿。而外围的探矿区域都是山高林密，荆棘密布，用全钻仪将矿区内的控制点导到探矿区域，几乎是不可能的事情。我公司测量技术人员利用GPS-RTK的静态模式进行控制测量，花费三天时间，在探矿区域共施放了8个控制测量点，数据采集时PDOP 值小于等于6，并且持续显示为固定解.为保证采集数据的可靠性，每点独立初始化二次，采集数据点位较差小于2 厘米，其相对误差均小于1/4000 规范要求。

3.5 寻找老钻孔、井下采空区注浆封堵

2010年3月的雨季，井下-160m 出现重大突水事故，并且携带大量泥沙，表明地表水与井下间隙水联通。为保证安全生产，杜绝井下突水隐患，首先寻找塌陷区附近的钻孔封闭情况，对封闭不良的钻孔要重新封堵，然后对井下老采空区进行注浆封堵。

将设计好的点位标定出来，常规的放样方法如经纬仪交会放样、全站仪的边角放样等，放样时要来回移动目标，反复测设水平角和距离，而且要2-3人操作，存在一定人为误差，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，有时放样过程遇到困难的情况要借助于很多方法才能放样，如距离较远时还必须支测点，从而使误差累加影响放样点的精度。而利用GPS-RTK的点放样功能很容易实现，在手簿中输入设计坐标，根据手簿指示就可找到封闭不良钻孔位置和找到井下采空区对应地表的范围，放样精度比较高，仅需1-2人操作。整个工程分为副斜井注浆止水工程、桃源民采区注浆帷幕堵水工程、浅部老空区和井巷充填及注浆工程。工程历时13个月，完成钻孔46个，累计完成钻孔深度4230米，充填量（水泥配比尾砂）28000 立方米，注浆量（水泥）4172 立方米注浆量。

3.6 地表物探

2009年与北京科技大学合作研究探测矿区-300m以上溶洞和民采空区的分布情况。历时约40天的时间，协助北京科技大学物探研究队进行物探工作，利用GPS-RTK的点放样、线放样和碎步测量功能，施放23、22b、22……16b、16线等15条勘探线和5条临时线，共计20条线，累计采集测点坐标近500个，极大的推动了工作进度。

4 GPS-RTK的不足与改进

4.1 受卫星状况限制

当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在林区、居民区、山地等复杂地区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。为解决此问题可以选用GPS+GLONASS的双星双频系统，在不久的将来还可以选用我们的北斗定位系统。

4.2 数据链传输受干扰和限制

RTK 数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。另外，当RTK 作业半径超过一定距离 (电台一般为几公里，GPRS作业半径可达10公里)时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上，或者结合全站仪，用RTK将控制点施放在附近信号比较好的地方，再用全站仪测设受信号干扰严重的区域。

4.3 初始化能力和所需时间问题

在山区、一般林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，容易造成失锁，采用RTK 作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK 机型。

4.4 电量不足问题

使用内置GPRS传递数据链，电池可以工作十小时左右，但如果使用电台传递数据链，RTK 耗电量较大，需要大容量电池才能保证连续作业，一般选用汽车用电瓶。

4.5 精度和稳定性问题

RTK 测量的精度较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响。不同质量的RTK 机型，其精度和稳定性差别较大。要解决此类问题，首先要选用精度和稳定性都较好的高质量机种，然后要在布设控制点时多布置一些“多余”控制点作为RTK 测量成果质量控制的检核点。我公司就布设了"多余"控制点，每次外出作业都要检核精度。

结语

2月25日凌晨0时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。按照北斗卫星，北斗导航系统"三步走"的发展战略，2012年中国还将会陆续发射多颗北斗导航组网卫星，不断地扩大覆盖区域，提升系统服务性能。2020年左右，将会建成由30 多颗卫星组成的北斗卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。在不久的将来，可以用上我们自己的GPS导航系统。届时，笔者认为GPS会有更加广阔的使用前景。

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