２０１１年第３期 西部探矿工程 １０３ 地质工程测量中ＧＰＳ控制网的设计与观测资料分析 赵惠德 （山西省地质调查院，山西太原０３００００） 摘 要ｉ简单介绍了ＧＰＳ定位技术在地质工程测量中的应用；详细叙述了ＧＰＳ控制网的设计布设； 进一步论述了ＧＰＳ控制网的基线解算、平差过程和误差分析；最后提出了在地质工程测量中如何合 理地利用ＧＰＳ定位技术布设控制网，对以后类似的工作有一定的指导意义。 关键词：地质工程测量；ＧＰＳ；０ ２０００ 中图分类号：Ｐ６２３文献标识码：Ａ文章编号：１ＯＯ４—５７１６（２Ｏ１１）Ｏ３—０１０３—０４ －２００１）。适用于各种测绘的通用规范。 １概述 全球定位系统ＧＰＳ具有全天候、速度快、精度高、 成本低等特点，为测绘工作提供了一个崭新的定位测量 手段，近几年来已经广泛应用于各种基础、城市以及工 程测量中，取得了显著的经济效益，赢得了广大测绘工 作者的青睐。 在布设控制网前应按《设计》要求，确定使用上述哪 个标准。不同的标准对控制网的基线长度、观测时间、 解算精度、约束条件以及能否发展次一级网等不尽相 同。 ３ ＧＰＳ控制网的设计 ＧＰＳ控制网的设计虽然不像以往常规测量网的设 地质工程测量是为了地质找矿而做的基础工作，与 其它工程测量相比有其特殊性： （１）基本上都是在山区作业，通讯不便，交通困难； （２）各种成果仍然承继以往资料建立在ＢＪＺ５４系 统之下； （３）原国家等级三角点、导线点在山区破坏严重，高 计，需要考虑边长相近、点间通视、角度大小等众多因 素，ＧＰＳ网设计方便灵活，但也并不是说ＧＰＳ控制网不 用精心设计、可以随意连边成网，它同样也需要从多方 面考虑。 有关资料文献与多年的经验可知：布网时应尽可能 等级ＧＰＳ点、水准点在山区分布严重不足，使得布网困 难。 地选择国家一、二等三角点，最好是同边邻点，这样的点 位精度基本相同，能够很好地将ＷＧＳ８４坐标较严密地 转换到ＢＪＺ５４系统，而尽可能地少选用三、四等点。众 因此，讨论如何合理地利用ＧＰＳ定位技术布设控 所周知，三、四等点通常是一、二等锁网点内插所得，因 此不在同锁网内的三、四等点的精度不统一。如果选用 跨锁网的三、四等点，就会使得ＧＰＳ控制网在约束平差 时很难得到较为理想的精度。所以，收集起算约束点的 成果时要考虑这些因素。 为了求得较为精确的转换参数，约束点应均匀分布 在工区的外围。选用３个约束点［按《全球定位系统 （ＧＰＳ）测量规范》］的近似方形的小面积工区，点位理想 分布为以工区几何重心为中心的近１２０。形状（如图１所 制网，取得适宜的精度，达到地质工程的要求，显得尤为 重要。 ２地质工程测量的主要技术标准 （１）《地质矿产勘查测量规范》（ＧＢ／Ｔ１８３４１— ２００１）。是地质工程测量执行的主要标准，内容包括了 几乎所有的地质测量内容。 （２）《地质调查ＧＰＳ测量规程））（ＤＤ２００４－－０３）。是 为适用于中国地质调查局下发的各种地质调查项目。 （３）《物化探工程测量规范》（ＤＺ／ＴＯ１５３—９５）。是 为地质勘探中的物理、化学勘探两种专业规定的从控制 布网到测网布设的各项精度指标。 示）；选用３个约束点的近似带状的工区，２个约束点应 分布在长边两侧，一点位于中心（如图２所示）。选用两 个约束点（按其它地质测绘规范）的近似方形的小面积 工区，点位理想分布为以工区几何重心为对称点近 （４）《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》（ＧＢ／Ｔ１８３１４ ＊收稿日期：２０１０—１２—０２ 作者简介：赵惠德（１９７０－），男（汉族），山西原平人，工程师，现从事地质测绘技术工作。 １０４ 西部探矿工程 比例误差系数； ２０１１年第３期 １８０。等值直线形状（如图３所示）；选用两个约束点的近 似带状工区，２个约束点应分布在长边两侧，如图４所 示。 △ 相邻点的距离，ｋｍ。 《地质调查ＧＰＳ测量规程》中规定：相同等级的 ＧＰＳ网，根据基线长度不同，应采用不同的数学处理模 一厶 厶 图１三点控制的近似方形工区 图２三点控制的近似带状工区 △ 图３两点控制的近似方形工区 图４两点控制的近似带状工区 这样设计的网型有利于较为准确地推算工区的坐 标转换参数，也利于以后工区控制网扩展、连接。 对于大面积工区控制网，则应较多地起用约束点， 且均匀分布，以求得最为接近工区的合理的转换参数。 控制网宜以边连接为主，辅以点连接，这样可减少 工作量，又可达到多检核的目的。但控制网外围应用边 连接，内部辅以点连接。对于带状工区则应布设为边连 接全面网，不应有点连接。 ４控制网的计算平差 ４．１基线解算 各《规范》规定等级网相邻点间弦长精度按下式表 示： 一土 式中： 标准差，ｍｍ； ｎ——固定误差，ｍｍ； 型：基线短于８ｋｍ时，须采用双差固定解。长度为８～ ３０ｋｍ的基线，可在双差固定解和双差浮点解中选择最 优结果。３０ｋｍ以上的长基线，可采用三差解作为基线 解算的最终结果。 《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》中规定在进行Ｃ 级以下各级ＧＰＳ网解算中，１５ｋｍ内的基线，须采用双 差固定解。１５ｋｍ以上的基线允许在双差固定解和双 差浮点解中选择最优结果。 《地质矿产勘查测量规范》与《物化探工程测量规 范》对多长的基线采用何种解算方法没有做强调。 通常ＧＰＳ商用软件在进行基线处理前要对基线处 理进行设置。ＧＰＳ处理软件默认的是双差固定解，合 格基线方差￣ｌ＇，（ｒａｔｉｏ）大于３．０，一般来说在基线１０ｋｍ 以内，基线方差比满足此条件，可以认为是符合《规范》 中等级网的测量要求的。随着基线长度的增加，其中误 差也相对会有所增加。对于在基线解算中失败的观测 数据，应先调节卫星高度截止角，调整采样间隔，删除周 跳太多的历元，更换参考卫星等方法重新解算，倘若经 这四种方法调整后解算仍不理想，应考虑到野外返工。 如果仅作为加密控制，或者要求较低的情况下也可以相 对放宽条件，将方差比设置为２．Ｏ，这也是可以的。 外业质量检核是确保平差精度要求的重要环节： （１）重复基线边检核。重复基线的长度较差 ≤ ２√２盯。其中 在不同的《规范》内表达意义不一样： 《地质矿产勘查测量规范》指相应级别规定的精度 （按实际平均边长计算）。 《地质调查ＧＰＳ测量规程》基线向量的弦长中误差 （按实际平均边长计算）， 式中的ａ、ｂ指布网的等级精 度。 《物化探工程测量规范》中指接收机的标称精度。 《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》指相应级别规定 的精度（按实际平均边长计算）。 对于有复测基线互差超限的，应重新检查基线的方 差比值，对于方差比值较小的，特别是临界的要重新设 置参数，重新解算，解算后仍然超限的，也暂时不要剔除 返工，应在异步环和同步环中进一步做分析，以确定哪 条基线含有粗差。 （２）同步环闭合差检核。各《规范》中对同步闭合环 的要求为： 《地质矿产勘查测量规范》：Ｖ ，ｗ ，ｗ ≤ ； ２０１１年第３期 西部探矿工程 真实质量。 １０５ 《地质调查ＧＰＳ测量规程》： ， ，ｗ ≤ ， 厶 ， ｗ≤ 再 ≤ Ｊ ； ０ ４．３约束平差 正如前面所述，地质工程测量的结果最后都要归算 到ＢＪＺ５４系统下，所以自由网要经ＢＪＺ５４坐标点的约 束才能将整个控制网点转换。而众所周知，国家ＢＪＺ５４ Ｕ 《物化探工程测量规范》： ， ，Ｗ ≤ ０ ； 《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》： ， ，ｗ ≤ 控制网是分级观测，分区平差的，所以导致了约束点精 √ －－ｕ 。Ｕ 对于闭合差超限的同步环应仔细分析原因：首先， 在一个同步环中的基线解算组合方案应相同，这样可以 取得最小的闭合差，反之，则容易超限；其次，按上述解 算基线的四种调整方法调整后重新解算，以求得最小的 闭合差；最后，对于仍不能求得最理想结果的，也暂时不 宜对环内的基线下不合格的结论，而应进一步在环 中继续分析。 （３）环（异步环，附和路线）闭合差检核。各《规 范》中对闭合环的要求为： 《地质矿产勘查测量规范》： ， ， ≤２￣／ ； 《地质调查ＧＰＳ测量规程》： ，Ｗ ，Ｗ ≤３√咒 ， ≤３ ； 《物化探工程测量规范》： ，ｗ ，Ｗ ≤３√７２盯（ 指 相应等级规定精度指标）； 《全球定位系统（ＧＰＳ）测量规范》： ， ，ｗ ≤ ３ ，ｗ。≤３ （ａ为相应级别规定的精度）。 对于闭合差超限的环也应仔细分析原因：首 先，环中是否包含有同步环超限的基线，若有，应重 新审查该基线观测段的星历预报，检查卫星分布状况是 否长时间近似成一直线运行，以及ＰＤＯＰ是否接近限 值，然后回忆野外观测时是否在不合理条件下强行观 测；若无，则将环中基线置于别的环中观察是否残 差太大，或利用重复基线进行判定，则可判断环中哪条 基线可能含有粗差。 ４．２无约束平差 在基线向量和各项质量检核符合要求后，用所有独 立基线组成的ＧＰＳ空间向量网，在ｗＧＳ一８４坐标系 内进行无约束平差。在无约束平差中，基线向量的改正 数绝对值应符合下式规定： ， ， ≤３ 三维无约束平差主要是评定ＧＰＳ网的内部符合精 度，三维无约束平差的结果完全反映了ＧＰＳ网的布设 的好坏、观测质量的情况，最后断定网中是否含有粗差 基线，对于判定有粗差的基线给予剔除补测。 到此，自由网平差结果的精度反映了ＧＰＳ测量的 度的不均匀性，因此如果不能选用好的约束点，强制约 束平差，将引起整个ＧＰＳ控制网的扭曲和变形，即使自 由网精度很高，而约束平差后的精度也并不见得理想。 约束平差达不到要求的有以下几个原因造成： （１）已知点精度不够高； （２）已知点不是整体网； （３）点位资料不正确； （４）点位位置不正确。 需要注意的是，在无约束平差后，得到的相对精度 是１：１０００００；而约束平差后得到的相对精度仅为 １：５００００，那么最高的使用精度结果也就是１：５００００。 因为无约束平差后的精度是网在ＷＧＳ一８４椭球系中 的三维边长精度，并不是投影转换到所要使用的平面坐 标系统中的边长精度。如果该次测量项目要求精度不 低于１：１０００００的话，那么要重新设计观测平差ＧＰＳ 网；如果该次测量项目要求的精度在１：１０００００与 １：５００００之间，则认为网本身的精度基本上已达到要 求，而要重新选择高精度约束点，因为是约束点本身的 精度低，强制约束导致了ＧＰＳ网扭曲变形太大，降低了 精度。 ４．４高程拟合 如前所述，地质工程测量区域大都在远离公路的山 区作业，而这些区域也是国家等级ＧＰＳ点和水准点分 布较少的地带，因此很难求出ＧＰＳ点的正常高与经平 差后的ＧＰＳ大地高之间的高程异常值，使得经三维平 差后的大地高转换到１９８５国家高程基准系统变得较为 困难。 按《地质调查ＧＰＳ测量规程》中要求一级点高程精 度为±０．１ｍ，如果只启用国家等级三角点的高程强制 拟合的话，内符合精度一般可以满足精度要求；如果按 中误差的２倍计算，可得外检核限差应为±０．２ｍ，而三 角点的高程只精确到了±０．１ｍ，所以要满足限差要求， 就要选择合适精度的点，否则难以达到。最好降到二级 网精度：点位高程中误差为±０．２ｍ，则外符合限差为 －＿＋－０．４ｍ，通常情况下是可以满足的。 按《地质矿产勘查测量规范》中要求控制点高程精 度为１／２０等高距，地质勘查比例尺通常为１／１万、１／５ 千、１／２千，因大多是山区，所以对应等高距为１０ｍ、 １０６ 西部探矿工程 ２０１１年第３期 ５ｍ、２ｍ，则相应的高程精度为：±０．５ｍ、－＋－０．２５ｍ、 ±０．１ｍ，可见作为１／１万、１／５千比例尺的高程控制网 针对不同的地质勘探工程，依据不同的《规范》、《规 程》制定最为合理的ＧＰＳ控制网，既要保证质量，也要 考虑缩短工天与减少费用，因此必须在外业施工前对工 区已有控制资料做外业踏勘与内业分析；观测结柬后， 精度较为容易满足，作为１／ｚ千的地质详查则相对较为 困难，与上述《地质调查ＧＰＳ测量规程》中要求高程精 度相等。可做进一步分析：因为ＧＰＳ有其常规测量手 段不具备的优越性：就是基线边较长，点位不需要通视， 通常布设完控制首级网和加密网后，不需要布设图根控 制网，按《地质矿产勘查测量规范》规定，图根点是测制 地形图和进行地质勘探工程测量的依据，而图根点相对 在基线解算及网平差有不理想的情况下，应仔细分析资 料，缩小怀疑问题范围，因为地质工程绝大部分是山区 作业，控制网点基本上是布设在山顶，补测工作较为费 工费时。 地质工程后续性较强，许多工区一做就是几年甚至 几十年，因此在布设ＧＰＳ控制网时应做远景设计规划， 不应只考虑当时单一的工种，而依照某一《规范》布设控 制网，致使日后再做重复工作。 于邻近基本控制点的高程中误差不大于１／１０等高距， 即Ｏ．２ｍ，则可适当将首级网和加密网的高程精度降到 高程中误差不大于１／１０等高距即可，也可满足地质工 程高程精度要求。 因为地质工程测量中ＧＰＳ控制网基线边长较长， 按《物化探工程测量规范》中精度要求最高的是精 不利于测距边长投影后对比，另外高等级高程点也较 测剖面，要求其点位相对高程中误差为图上±０．６ｍｍ， 少，所以无论是平面网还是高程网一定要有外检核，才 精测剖面比例尺为１／２千，则相对高程中误差为１．２ｍ， 能做最可靠的精度评定。 这样的精度对ＧＰＳ高程测定是很宽泛的，因此这里不 再叙述。 参考文献： 当然，最简捷的办法是收集国家高精度的 ＣＱＧ２０００，可对ＧＰＳ大地高做一次性转换，快速而且精 ［１］国家质量技术监督局．平面控制测量、高程控制测量和地 形测量［Ｓ］．中国标准出版社，２００１：３－２８． ［２］中国地质调查局．加密控制测量ＩＳ］．中国标准出版社， ２００４：４－１０． 度均匀可靠。ＣＱＧ２０００精度为：±０．３～±０．５ｍ。 近年来，许多省份进行了更高精度的大地水准面精 化，点位内插精度可达厘米级，不过收集费用较高，对于 要求高于上述《规范》、《规程》的，可采用该种方法高精 度转换。 ５几点体会与建议 ［３］ 中华人民共和国地质矿产部．物化探ＧＰＳ定位测量［ｓ］．中 国标准出版社，１９９５：７－９． ［４］国家质量技术监督局．网的技术设计、选点与数据处理 ［Ｓ］．中国标准出版社，２００１：３－５；１１—１５． （上接第ｌＯ２页） 通过对黔西北地区夜郎组地层分层特征与岩相古 地理的分析可以看出，区内三叠纪以台地相粘土质沉积 开始，经过碳酸盐沉积（石灰岩、白云岩）最后到近海湖 沼砂质沉积结束，形成一个完整海进到海退沉积的全过 程。在沉积全过程中，由于沉积环境周期性变化，又组 成了下部粘土岩，中部石灰岩，上部白云岩的次一级相 多旋回特征。 在夜郎组所属的早三叠世，海水漫人区内，“Ｓ”形边 的淀晶一鲕粒石灰岩成为该层位岩性、厚度稳定的标志 层。 参考文献： ［１］息烽幅１：２０万区域地质调查报告［Ｒ］．贵州省地质局， １９８０． ［２］ 毕节幅１：２０万区域地质调查报告ＪＲ］．贵州省地质局， １９７６． 缘堤初露出角，呈水下隆脊出现，但早期控制作用不显 著，区内在海水正常畅通，生物较繁盛、在气候温暖环境 下沉积了粘土岩与石灰岩。晚期水下隆脊作用加强，曾 度阻碍了区内海水与外界的畅通，形成半封闭一封闭、 海水咸化、生物衰退、气候炎热环境下沉积了自云岩。 一［３］胡广成，鲍志东，张震，等．贵州桐梓松坎剖面中、下三叠统 岩石学特征及沉积环境分析口］．古地理学报，２００９，１１（２）： １９５—２００． ［４］钱守荣．蠕虫状灰岩成因新解［Ｊ］．淮南矿业学院学报， １９９５，１５（３）：１５—１９． ［５］王树恒，周华，梁红平．松辽盆地北部西斜坡姚家组分层特 从夜郎组岩石组合特征上看，第二段上部约厚２０ｍ 征及其成因分析口］．地层学杂志，２００８，３２（３）：３２７—３３２．
