陳 沖

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250109）

地質(zhì)測繪是地質(zhì)勘察工作中的核心，其專業(yè)性強，操作復(fù)雜。以往需要大量的時間和人力配合工作，而新時代新技術(shù)的發(fā)展突破了這一局限。將GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)引入地質(zhì)測繪工作無疑是對原有地質(zhì)測繪系統(tǒng)的一項技術(shù)革新。從現(xiàn)實角度看，GPS技術(shù)的應(yīng)用使地質(zhì)測繪變得更加精確、高效。本文重點針對GPS技術(shù)在地質(zhì)工程勘察測繪中的應(yīng)用展開論述[1]。

1 GPS技術(shù)分析

GPS測繪技術(shù)的基本原理：GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有抗干擾性強、定位準(zhǔn)確性高、可實時追蹤目標(biāo)位置信息等特點。GPS 測繪技術(shù)的原理是利用其精確的定位，測量某一確定位置與衛(wèi)星信號接收器之間的空間距離。需要設(shè)置多個不同的空間點位，再將多個的定位點的測量數(shù)據(jù)反饋至計算機進行集中自動化數(shù)據(jù)處理，獲取測繪目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。

具體而言，GPS技術(shù)系統(tǒng)的組成主要包括衛(wèi)星信號和軟件解算兩個部分。衛(wèi)星信號系統(tǒng)的作用是接收空間位置信息，其工作方式是首先設(shè)定一個固定的基準(zhǔn)站，并在勘察目標(biāo)周圍設(shè)置多點流動站。在基準(zhǔn)站和流動站點分別配置多臺GPS接收器，如此可快速、高效的接收主控站傳來的數(shù)據(jù)。 軟件解算系統(tǒng)則是完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，通過對接收到的衛(wèi)星信息相位與接收機產(chǎn)生的載波信號相位的比對得出具體的空間坐標(biāo)。借助GPS系統(tǒng)本身抗干擾性強、定位準(zhǔn)確的特性優(yōu)勢，進行軟件解算可以得到精確的測量數(shù)據(jù)且使數(shù)據(jù)誤差最小化甚至使測量結(jié)果誤差趨于零。

如今，利用GPS的靜態(tài)定位技術(shù)已在地質(zhì)勘察測繪中得到廣泛的應(yīng)用。這種短基線測量技術(shù)少受時間、人力的制約，隨時隨地可不間斷的觀測作業(yè)，獲取精準(zhǔn)的三維空間坐標(biāo)。高效地完成測量測繪工作。

2 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的布網(wǎng)控制原則

利用GPS技術(shù)進行地質(zhì)測繪工作，首先需要在地質(zhì)勘察測繪工作區(qū)域構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置測繪勘察活動區(qū)域。勘察地質(zhì)測繪帶的結(jié)構(gòu)，可以將網(wǎng)絡(luò)分層布局，從不同的勘測點分別構(gòu)成多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最后整合處理測量數(shù)據(jù)。

2.2 GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的測量精度要求

在構(gòu)建GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)與實際開展利用GPS技術(shù)測繪的過程中，可能會遇到各種不同的地形及其他影響因素。應(yīng)當(dāng)要針對不同的地質(zhì)條件及地質(zhì)測繪的實際需要，做好前期相關(guān)技術(shù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析工作，以確保實際運用GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)的測量時能夠發(fā)揮出GPS全球定位系統(tǒng)絕對優(yōu)勢，時刻保持其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性、精確性。

3 GPS技術(shù)對于地質(zhì)測繪的重要意義

3.1 傳統(tǒng)測繪方法的局限性

傳統(tǒng)測量方式多利用平板儀、手動標(biāo)尺進行三角測量、幾何測量。基本采用擴大地形圖比例尺的方法，對測量目標(biāo)地點進行測量后再通過一定比例計算獲取大致位置坐標(biāo)。而地質(zhì)測繪的工作地點大多在戶外，不定因素眾多，以上方法測量范圍有限，工作量大且操作程序繁瑣。對于簡單地形的勘察尚有效果，若遇到復(fù)雜地形，傳統(tǒng)測量方式便顯得落后許多。

除了以上的基礎(chǔ)測量，后期改進技術(shù)使用經(jīng)緯儀，再通過角度計算獲得坐標(biāo)。但這些傳統(tǒng)測量的方法始終是將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理，一旦測繪量增大，數(shù)據(jù)處理難度隨之增大，工作周期也隨之延長，給后續(xù)的繪圖工作帶來了極大影響。

3.2 地質(zhì)測繪現(xiàn)狀

地質(zhì)測繪隨新時期生產(chǎn)力的發(fā)展，規(guī)模不斷擴大，技術(shù)不斷創(chuàng)新。地質(zhì)勘察對地質(zhì)測繪精確度的要求越來越高，然而實際地質(zhì)測繪工作中，測量結(jié)果往往受多種因素影響，傳統(tǒng)的測繪方式已經(jīng)無法滿足技術(shù)需求。為解決此類問題，地質(zhì)測繪工作近年來及進了多種智能自動化技術(shù)，如GPS技術(shù)、無人機技術(shù)、3S技術(shù)等，都在一定程度上給地質(zhì)測繪提供了新技術(shù)支持。

3.3 GPS技術(shù)在地質(zhì)測繪中的應(yīng)用重要意義

3.3.1 地質(zhì)測量工序得到優(yōu)化

地質(zhì)勘察工作環(huán)境大多為野外，受環(huán)境因素影響，不易采用過多的機械設(shè)備。GPS設(shè)備體積較小方便攜帶，小范圍區(qū)域測量時，僅需利用單一固定點便可完成。大范圍區(qū)域測量也只需手持GPS測量儀，分別定位各個流動站點采集數(shù)據(jù)。即使遇到山地類的復(fù)雜地形，也能充分發(fā)揮GPS技術(shù)價值，為勘測人員準(zhǔn)確繪制地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖提供技術(shù)支持。

GPS測繪技術(shù)已逐步成為我國地質(zhì)勘察工作中的關(guān)鍵，在實際操作中，優(yōu)化了地質(zhì)測量的工序，縮減了人工勞動量并進一步精確了測量數(shù)據(jù)[2-4]。

3.3.2 測量結(jié)果精確度提升

GPS測繪技術(shù)是結(jié)合地形勘測數(shù)據(jù)利用計算機處理，全過程采用自動化的儀器計算數(shù)據(jù)，無需人工計算轉(zhuǎn)換。避免了人工計算中可能會出現(xiàn)的失誤，同時也能夠更加精確得到相關(guān)數(shù)據(jù)。GPS測繪廣泛運用的背景下，在技術(shù)層面不斷完善，即使對較遠(yuǎn)的地形目標(biāo)進行測量，依然具有較高的精確度。如今測量誤差已縮減至厘米單位。若現(xiàn)實工作條件理想，或?qū)⑦_到零誤差。

3.3.3 有效的預(yù)測地質(zhì)自然災(zāi)害

隨著我國工業(yè)化現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，對自然環(huán)境的影響也逐漸加深，突如其來自然災(zāi)害如地震、泥石流等也不斷增多，人類的生命安全變成未知數(shù)而地質(zhì)測繪工作在其中便起到了防患于未然的作用。應(yīng)用GPS對城市和礦區(qū)地表移動進行動態(tài)三維監(jiān)測，對地表移動進行精細(xì)過程研究，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)反演地層移動參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)，并及時將信息反饋至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繪制建立地層變形模型，解決地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報問題。

4 GPS測繪技術(shù)在地質(zhì)測繪中的實踐應(yīng)用

4.1 野外地質(zhì)測繪

4.1.1 測繪選點

野外測繪是地質(zhì)測繪的主要工作內(nèi)容和工作場所，利用GPS技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確的找到觀測點。而結(jié)合地質(zhì)測繪工作的實際情況所選擇的測繪點應(yīng)遵循以下原則。第一，熟悉勘測區(qū)域的周邊環(huán)境，觀測是否有高壓線、核電站等影響因素可能會對GPS信號產(chǎn)生干擾。第二，勘測區(qū)域內(nèi)有湖泊、河流等水域，需要盡量與水面保持一定水平距離，注意水面對觀測結(jié)果的影響。第三，選擇站點時應(yīng)避免在觀測地質(zhì)目標(biāo)路徑有其他實物遮擋，并保持高度角大于15°，減小障礙物對于觀測目標(biāo)的影響。

4.1.2 測繪操作

受人為因素影響，即使GPS信息接收器保持固定位置不變，各個獨立接收機也無法保證能在絕對統(tǒng)一的時間內(nèi)開啟。因此實際在野外勘測工作中，還應(yīng)用GPS儀器對勘測區(qū)域內(nèi)的實時經(jīng)緯度及天氣變化實時記錄，以便后期數(shù)據(jù)處理時統(tǒng)籌考慮。

同時，GPS技術(shù)能夠有效利用靜態(tài)和動態(tài)觀測，對周邊環(huán)境實時監(jiān)控，防止突發(fā)情況，使野外測繪工作更加安全、穩(wěn)定的進行。

4.2 測繪數(shù)據(jù)處理

4.2.1 GPS技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在開展GPS地質(zhì)勘測完成后，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先完善測量所取得的原始技術(shù)數(shù)據(jù)，進行簡單的邏輯編輯計算。需要以此為依據(jù)，計算平均差，通過獨立的基線組成一個閉合圖形。根據(jù)三維基線以及相應(yīng)的方差協(xié)作作為觀測信息，不考慮外界影響因素情況下，建立二維坐標(biāo)，選取測區(qū)子午線為坐標(biāo)系的中心。采集、傳輸數(shù)據(jù)后去除無效信息，為精密數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，確保觀測數(shù)據(jù)的有效性。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

對GPS技術(shù)精密數(shù)據(jù)的過程分為基線向量計算和基線向量網(wǎng)平差計算。一般來說，以上計算過程均以預(yù)處理數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，遵循數(shù)據(jù)處理工作的操作規(guī)范，科學(xué)準(zhǔn)確的得出最終測繪結(jié)果。

4.3 GPS水下地質(zhì)測繪

地質(zhì)形態(tài)多變，勘測工作也包括水域下的地質(zhì)測繪。以往常用經(jīng)緯儀加計算機輔助經(jīng)常測量，對設(shè)備要求高，操作復(fù)雜。但GPS技術(shù)支持在水中接收信號，通過基站設(shè)置自動校正。測量時只需將正確的坐標(biāo)參數(shù)輸入計算機，通過接收周期性的信號，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，同樣可控制誤差，保證精確度。

4.4 實時動態(tài)測繪

多臺GPS接收器同時運轉(zhuǎn)，基準(zhǔn)站點和流動站點結(jié)合自身觀測數(shù)據(jù)，能夠及時將實時監(jiān)測到的信息傳輸進數(shù)據(jù)庫，自動計算出兩點之間的相對位置，獲得各個流動站點的準(zhǔn)確空間坐標(biāo)并進行現(xiàn)場的實時同步測繪。

4.5 GPS技術(shù)的具體應(yīng)用

以下對某一生態(tài)環(huán)境的綜合改善工程為例進行分析，工程全長為140km。工程前期需要做一系列的原始數(shù)據(jù)分析。由于其工程規(guī)模巨大，對測繪質(zhì)量要求高，布置三角網(wǎng)的傳統(tǒng)測繪方式在短期內(nèi)難以達到這樣的水平。且三角網(wǎng)的導(dǎo)線布置受地形影響較大，測量范圍小，實際測繪工作中無法有效的實施。出于地質(zhì)測繪工作高效準(zhǔn)確的需求，選用GPS技術(shù)靜態(tài)測量方法為最佳。

如圖一所示為GPS平面控制網(wǎng)圖布局圖。通過GPS接收機定點測量，將GPS接收機的信號源看做不受時間變化影響的定量，接收來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)變量，對測量區(qū)域布置平面控制網(wǎng)，對比多組數(shù)據(jù)獲取特定位置。GPS信號接收機直接在各自的定點獨立接收衛(wèi)星信號，測站點直接不用相互通視。只需選取關(guān)鍵點設(shè)置覘標(biāo)，提高了工作效率。

圖1 GPS平面控制網(wǎng)圖

5 結(jié)束語

綜上所述，科技在不同領(lǐng)域的發(fā)展使得地質(zhì)測繪在技術(shù)層面有了質(zhì)的飛躍。GPS技術(shù)的應(yīng)用對地質(zhì)勘察測繪有著舉足輕重的意義。GPS技術(shù)的引入，不僅大幅度的解放了勞動力，省去了大量繁瑣的測量工作，提高了測繪結(jié)果的精確度和測繪工作的高效性。而且能夠?qū)崟r監(jiān)測地質(zhì)運動，在地質(zhì)災(zāi)害來臨之際為人們敲響警鐘。以上都是符合地質(zhì)測繪發(fā)展需要的，未來還應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮GPS的數(shù)字自動化優(yōu)勢，優(yōu)化GPS控制網(wǎng)設(shè)計，實現(xiàn)地質(zhì)測繪的現(xiàn)代化長遠(yuǎn)發(fā)展。