盧翔峰，蔚志國(guó)

(1.中晉環(huán)境科技有限公司，山西 太原 030032； 2.山西華冶勘測(cè)工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030032)

針對(duì)礦區(qū)工程地形條件復(fù)雜，勘查設(shè)計(jì)難度大等問(wèn)題，如果采用傳統(tǒng)勘查方式，不僅作業(yè)量大，也不符合政府的相關(guān)要求。同時(shí)，由于傳統(tǒng)勘查作業(yè)，在獲取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)后，才能確定路徑，致使工人效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，由于受到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的限制，一般確定的路徑缺乏整體性和全局觀，隨著路線(xiàn)的向前推移，會(huì)出現(xiàn)對(duì)已確定方案產(chǎn)生顛覆性影響，造成工期滯后、效率難以提升以及重復(fù)工作量巨大[1]。鑒于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)新型勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[2]采用RTK數(shù)字地形測(cè)量技術(shù)，利用首級(jí)RTM控制網(wǎng)，實(shí)施了研究區(qū)1:500數(shù)字地形測(cè)量，研究結(jié)果達(dá)到了期望的測(cè)量精度；文獻(xiàn)[3]對(duì)航空重力測(cè)量技術(shù)、航空放射性測(cè)量技術(shù)、航空電測(cè)探測(cè)技術(shù)、高精度航空磁測(cè)技術(shù)、深地震主動(dòng)源剖面探測(cè)技術(shù)、天然地震流動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)、金屬礦地震勘探技術(shù)、井中地球物理測(cè)量技術(shù)、地面電磁測(cè)量技術(shù)等研究了分析，歸納總結(jié)了不同方法的使用范圍、基本原理、技術(shù)概況、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用效果，指導(dǎo)了礦區(qū)的勘查；文獻(xiàn)[4]研究了GPS技術(shù)在控制測(cè)量中的應(yīng)用，利用GPS定位技術(shù)，組建了參考站，應(yīng)用在控制測(cè)量系統(tǒng)中，取得了一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文采用數(shù)字航空測(cè)量技術(shù)，對(duì)平定縣龍泉山礦區(qū)進(jìn)行精確測(cè)量，研究表明，該技術(shù)具有較好的實(shí)用性，并且取得了良好的勘測(cè)效果。

1 工程概況

平定縣龍泉山礦區(qū)平均海拔為+750 m，東西線(xiàn)從測(cè)區(qū)西部通過(guò)，娘白線(xiàn)、石太線(xiàn)鐵路從測(cè)區(qū)南部穿過(guò)，區(qū)內(nèi)交通較為便利。

測(cè)區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季少雨干旱多風(fēng)，夏季炎熱，冬季寒冷少雪。降雨天氣主要集中在6—9月份，年平均氣溫10.8 ℃，最低氣溫-21.8 ℃，最高氣溫39 ℃，年平均降水量505.1 mm。霜凍期為10月上旬至次年4月下旬，無(wú)霜期年平均210 d。平定縣礦產(chǎn)資源豐富，有無(wú)煙煤、高鋁黏土、硫鐵礦、白云巖、一般耐火黏土、玄武巖、石膏、石灰?guī)r等，其中以煤蘊(yùn)藏量最大，有悠久的開(kāi)采歷史。此次航測(cè)范圍分兩期劃定，最終成圖范圍為東至下盤(pán)石村、南至巖會(huì)村、北至槐樹(shù)梁村、西至東西線(xiàn)。東西長(zhǎng)7.0 km，南北長(zhǎng)5.7 km，面積約29.7 km2。測(cè)區(qū)范圍如圖1所示。

2 控制測(cè)量

2.1 選點(diǎn)與埋石

測(cè)區(qū)基礎(chǔ)控制采用D級(jí)GPS控制網(wǎng)[5-8]，按設(shè)計(jì)要求需布設(shè)12個(gè)控制點(diǎn)，并至少保證2點(diǎn)之間可以通視。根據(jù)實(shí)地踏勘情況，為對(duì)2個(gè)分區(qū)和全礦區(qū)有效控制，便于后續(xù)生產(chǎn)使用，兩礦區(qū)周邊點(diǎn)位盡量位于采區(qū)之外，同時(shí)交通方便利于使用，綜合考慮布設(shè)8個(gè)點(diǎn)。

測(cè)區(qū)南部主要考慮到后期場(chǎng)站設(shè)計(jì)，同時(shí)將進(jìn)行1∶2 000地形圖航測(cè)作業(yè)，所以，設(shè)計(jì)4個(gè)點(diǎn)，2個(gè)一對(duì)，同時(shí)，盡量可與北部礦區(qū)周邊點(diǎn)通視。根據(jù)收集到的周邊高等級(jí)控制點(diǎn)分布情況和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，決定選取離測(cè)區(qū)最近的2個(gè)省級(jí)C級(jí)GPS控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。由于控制點(diǎn)“陽(yáng)泉市”離礦區(qū)距離太遠(yuǎn)，為保證網(wǎng)形穩(wěn)固，提高觀測(cè)效率。在中間增設(shè)一臨時(shí)點(diǎn)作為聯(lián)測(cè)接續(xù)。所有控制點(diǎn)分布均勻，圖形結(jié)構(gòu)良好，有效控制了整個(gè)測(cè)區(qū)。已知點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 測(cè)區(qū)范圍示意Fig.1 Scope of the survey area

表1 已知點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Known point data

在具體選點(diǎn)和埋石過(guò)程中，基本要求按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)執(zhí)行。選點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡可能避開(kāi)樹(shù)木、高壓電線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射源，以保證衛(wèi)星信號(hào)的接收，同時(shí)有利于測(cè)量的擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)。點(diǎn)位選在土質(zhì)堅(jiān)硬、基礎(chǔ)穩(wěn)固，易于點(diǎn)的長(zhǎng)期保存及利用，在天線(xiàn)截止高度角15°以上的空間沒(méi)有障礙物，滿(mǎn)足GPS觀測(cè)要求。相鄰點(diǎn)位之間通視良好，遠(yuǎn)離大功率天線(xiàn)等電磁發(fā)射源，其距離大于200 m，并距離高壓輸電線(xiàn)大于50 m的開(kāi)闊地帶。埋設(shè)的標(biāo)石采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥預(yù)制混凝土標(biāo)石，安放銅制測(cè)量標(biāo)志。標(biāo)石統(tǒng)一行先行制作，其上頂面15 cm×15 cm，下底面25 cm×25 cm，高60 cm。普通標(biāo)石及蓋板規(guī)格如圖2所示。

標(biāo)石埋設(shè)時(shí)，將基坑底部的土層夯實(shí)整平；標(biāo)石安放端正，回填土前，清除基坑內(nèi)的雜物；回填土的濕度應(yīng)適中，沒(méi)有雜物，填土?xí)r在標(biāo)石周?chē)瑫r(shí)進(jìn)行分層夯實(shí)，加蓋30 cm×30 cm混凝土蓋板，最后全部回填至高出地面20 cm左右。選點(diǎn)埋石結(jié)束后，按照統(tǒng)一格式及要求繪制GPS點(diǎn)之記。本次點(diǎn)名按“太鋼”首字母“TG”，加區(qū)域“龍泉”山首字母“LQ”后接順序號(hào)，如“TGLQ12”，表示本測(cè)區(qū)12號(hào)點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)網(wǎng)如圖3所示。

圖2 普通標(biāo)石及蓋板規(guī)格Fig.2 Ordinary mark stone and cover plate specifications

圖3 控制點(diǎn)網(wǎng)圖Fig.3 Control point network diagram

2.2 平面控制

(1)GPS網(wǎng)的觀測(cè)[9-11]。作業(yè)使用4臺(tái)I80型GPS接收機(jī)，經(jīng)測(cè)前檢定，儀器各項(xiàng)精度、技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，平面精度為±(2.5+1×10-6) mm。能夠滿(mǎn)足施測(cè)設(shè)計(jì)精度要求。為保證觀測(cè)精度，D級(jí)點(diǎn)均以邊點(diǎn)混聯(lián)方式構(gòu)網(wǎng)，點(diǎn)名、天線(xiàn)高在測(cè)站直接置入儀器中，天線(xiàn)高讀取采用不同方向3次讀數(shù)，讀至mm，較差小于3 mm。取3次讀數(shù)平均數(shù)作為天線(xiàn)高。測(cè)前根據(jù)網(wǎng)上下載的星歷表，選擇良好的時(shí)段進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，確保外業(yè)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。作業(yè)主要技術(shù)指標(biāo)如下：衛(wèi)星截止高度角15°;同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)≥4;有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)≥4;觀測(cè)時(shí)段數(shù)≥1.6;時(shí)段長(zhǎng)度≥60 min;采樣間隔5～15 s。

(2)GPS數(shù)據(jù)處理。基線(xiàn)處理采用CGO靜態(tài)處理軟件，該軟件是目前國(guó)內(nèi)較成熟的GPS隨機(jī)解算軟件之一。此次作業(yè)閉合環(huán)總數(shù)30個(gè)，其中同步環(huán)19個(gè)，異步環(huán)11個(gè)，閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為3。最大邊長(zhǎng)11 729 m，最小邊長(zhǎng)647 m，平均邊長(zhǎng)3 627 m。共測(cè)基線(xiàn)33條，最弱邊相對(duì)誤差最大1/634 444 3。重復(fù)基線(xiàn)3條，長(zhǎng)度較差最大為0.001 8 m，相對(duì)誤差最大為1.22×10-6。本網(wǎng)作業(yè)采用邊聯(lián)結(jié)方式構(gòu)網(wǎng)，使整個(gè)GPS網(wǎng)的精度大為提高。D級(jí)GPS控制網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)中，水平分量應(yīng)≤20 mm，垂直分量≤40 mm。

(3)閉合環(huán)。①同步環(huán)相對(duì)閉合差最大4.07×10-6，最小0.06×10-6；②異步環(huán)相對(duì)閉合差最大2.21×10-6，最小0.35×10-6。經(jīng)計(jì)算各分量閉合差限差為0.575 m。同步環(huán)和異步環(huán)的誤差分析見(jiàn)表2。

表2 同步環(huán)和異步環(huán)的誤差分析Tab.2 Error analysis of synchronous loop and asynchronous loop

(4)約束平差。約束平差采用CGO靜態(tài)處理軟件，為了使解算精度更高，先在WGS84—坐標(biāo)下進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差，再用1980西安坐標(biāo)系平差，3°帶成果，中央子午線(xiàn)114°，以大地水準(zhǔn)面為測(cè)區(qū)高程投影面，平差起算數(shù)據(jù)如下：①陽(yáng)泉市，X、Y、H分別為4 190 929.430，38 463 912.812，678.365；②巨城，X、Y、H分別為4 201 127.118，38 475 374.299，573.641。

(5)平差后精度分析。①平差后WGS84坐標(biāo)最弱點(diǎn)位誤差：X為3.942 mm，Y為3.948 mm；②最弱基線(xiàn)相對(duì)誤差為1/166 692 5；③約束平差后最弱基線(xiàn)相對(duì)誤差為1/103 011 3；④單位權(quán)中誤差為0.000 651 m；⑤平差后坐標(biāo)最弱點(diǎn)位誤差：dx為3.741 mm，dy為3.154 mm。

2.3 高程控制

高程采用GPS擬合，高程擬合：內(nèi)符合精度中誤差±0.864 mm。

3 數(shù)字航空測(cè)量

3.1 航攝區(qū)和航線(xiàn)的確定

根據(jù)航攝工作范圍，采用2個(gè)航攝分區(qū)，在遙感影像圖上規(guī)劃航線(xiàn)[12-15]。航向重疊度70%，旁向重疊度65%，共7個(gè)飛行架次。航區(qū)劃分如圖4所示。

圖4 航區(qū)劃分Fig.4 Navigation area division

3.2 航攝儀選擇

本研究攝影采用CW-007C航空攝影測(cè)量系統(tǒng)(圖5)。CW-007C主要系統(tǒng)參數(shù)如下：類(lèi)型固定翼；抗風(fēng)能力6級(jí)風(fēng)；翼展2 m；垂直方向定位精度3 cm；機(jī)身長(zhǎng)度1.3 m；水平方向定位精度(1+1×10-6) cm；最大起飛質(zhì)量6.8 kg；最高起飛海拔為4 500 m；任務(wù)荷載800 g ；實(shí)用升限5 000 m；續(xù)航時(shí)間60 min；起飛方式直升；最大速度100 km/h；著陸方式直降；巡航速度65 km/h；動(dòng)力類(lèi)別為電動(dòng)。

圖5 CW-007C航空攝影測(cè)量系統(tǒng)Fig.5 CW-007C Aerial Photogrammetry System

3.3 相機(jī)選擇

此次航空攝影測(cè)量所選用相機(jī)為無(wú)人機(jī)專(zhuān)用相機(jī)SONY_A7RⅡ，其基本參數(shù)：相機(jī)類(lèi)型為SONY_A7RⅡ；像素為7 952×5 340；像素大小為4.5 μm；CCD大小為35.9 mm×24 mm；焦距為35 mm。

3.4 航測(cè)作業(yè)

(1)地面控制測(cè)量。此次測(cè)量使用2臺(tái)徠卡動(dòng)態(tài)GPS GS14 RTK，以SXCORS(山西省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)網(wǎng)及綜合服務(wù)系統(tǒng))為基準(zhǔn)，使用RTK網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行圖根控制點(diǎn)測(cè)量，坐標(biāo)誤差小于5 cm。該區(qū)像控點(diǎn)全部布設(shè)為平高點(diǎn)，北區(qū)布設(shè)9個(gè)點(diǎn)，南區(qū)布設(shè)18個(gè)點(diǎn)。在每個(gè)控制點(diǎn)采集之前對(duì)儀器進(jìn)行初始化，固定解10″～15″后采集數(shù)據(jù)，重復(fù)測(cè)量3次，取3次測(cè)量平均值為結(jié)果，以保證控制點(diǎn)測(cè)量精度。區(qū)域網(wǎng)中布設(shè)控制點(diǎn)旁向不超過(guò)4～5條航線(xiàn)，按矩形布設(shè)。該測(cè)區(qū)北側(cè)呈凸形，拐角處布設(shè)點(diǎn)應(yīng)能控制住有效測(cè)繪面積，自由圖邊的像片控制點(diǎn)必須布設(shè)在自由圖邊外。按區(qū)域網(wǎng)大小，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)1個(gè)檢查點(diǎn)(平高點(diǎn))。

(2)航空攝影測(cè)量。根據(jù)礦區(qū)范圍規(guī)劃攝影航線(xiàn)，以地面分辨率滿(mǎn)足1∶2 000地形圖要求設(shè)置航高為620 m，同一航線(xiàn)上相鄰像片的航高差小于30 m，最大航高與最小航高之差小于50 m，實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差小于50 m。航向重疊度75%，旁向重疊度65%。各姿態(tài)角均保持在5°以?xún)?nèi)。測(cè)區(qū)基準(zhǔn)面高度750 m。

3.5 數(shù)字化成圖

本次攝影測(cè)量室內(nèi)通過(guò)PhotoScan進(jìn)行空中三角測(cè)量處理，生成數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像；并利用清華山維完成數(shù)字線(xiàn)劃圖的采集。高程注記點(diǎn)分布均勻，對(duì)地形特征點(diǎn)均注記了高程，高程注記為0.1 m。根據(jù)《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》(GB/T 15967—2008)要求，航測(cè)數(shù)字化測(cè)圖精度應(yīng)滿(mǎn)足平地、丘陵地地物點(diǎn)中誤差為0.6 mm；山地、高山地地物點(diǎn)中誤差為0.8 mm。

高程中誤差要求見(jiàn)表3。根據(jù)對(duì)野外地形進(jìn)行RTK重采樣檢查，此次航測(cè)精度為：平面中誤差0.572 m，高程中誤差0.191 m，完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。本次航測(cè)數(shù)據(jù)為開(kāi)放性入口，能讀取文本格式的原始數(shù)據(jù)，圖層分層清晰、線(xiàn)型和顏色庫(kù)管理合理，數(shù)字注記準(zhǔn)確，并具備了齊全的測(cè)量符號(hào)庫(kù)。本次數(shù)字化成圖嚴(yán)格按照ISO標(biāo)準(zhǔn)的程序操作步驟進(jìn)行?？蓾M(mǎn)足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)規(guī)范要求。采集地物、地貌數(shù)據(jù)時(shí)切準(zhǔn)地物、地貌的特征點(diǎn)，進(jìn)行全要素檢查采集，做到不變形、不移位、無(wú)錯(cuò)漏。采集依比例尺表示的地物符號(hào)時(shí)，應(yīng)以測(cè)標(biāo)中心切準(zhǔn)輪廓線(xiàn)或拐點(diǎn)連線(xiàn)；采集不依比例尺表示的地物符號(hào)時(shí)，應(yīng)以測(cè)標(biāo)中心切準(zhǔn)其定位點(diǎn)、定位線(xiàn)，對(duì)模型不清的構(gòu)(建)筑物(如房角、電桿等)無(wú)法準(zhǔn)確定位時(shí)，務(wù)必在相應(yīng)位置上作“A”標(biāo)記，進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)或調(diào)查。

表3 高程中誤差 Tab.3 Error in elevation m

4 測(cè)量結(jié)果

GPS控制點(diǎn)成果見(jiàn)表4，以1980西安坐標(biāo)系為例。

表4 GPS控制點(diǎn)成果Tab.4 GPS control point results

地形圖檢查點(diǎn)精度檢核見(jiàn)表5、表6，由于測(cè)量點(diǎn)較多，本文每隔20點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)坐標(biāo)、圖上坐標(biāo)以及坐標(biāo)差進(jìn)行分析。由表6分析可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和圖上坐標(biāo)之間的誤差很小，符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)用性。

表5 地形圖檢查點(diǎn)精度檢核Tab.5 Topographic map checkpoint accuracy check

表6 坐標(biāo)差統(tǒng)計(jì)Tab.6 Coordinate difference statistics

5 結(jié)語(yǔ)

以平定縣龍泉山礦區(qū)工程為背景，對(duì)控制測(cè)量進(jìn)行了分析，依據(jù)航攝的工作范圍，采用2個(gè)航攝分區(qū)，在遙感影像圖上規(guī)劃航線(xiàn)，得到了GPS控制點(diǎn)成果表以及地形圖檢查點(diǎn)精度檢核表。研究表明，該技術(shù)具有很好的實(shí)用性，并且檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和圖上坐標(biāo)之間的誤差很小，符合相關(guān)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求。