常金鑫,彭伍胥*,王 珍,劉賀楠
(中國地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心,河北廊坊)
隨著國內(nèi)外技術(shù)的不斷進(jìn)步,精度較高的重力儀廣泛推廣,重力測量觀測值精度已大幅度提高。大地測量測地工作從之前地形圖定點(diǎn)發(fā)展到現(xiàn)在GNSS 定位中RTK 技術(shù)進(jìn)行定位,測地精度提高到現(xiàn)在的平面位置±1 m、高程±0.6 m 范圍之內(nèi),當(dāng)前影響布格重力異常總精度的重要因素就是地形改正的精度。
在重力調(diào)查中觀測精度一般在幾至幾十微伽以內(nèi),而山區(qū)地形復(fù)雜、起伏和高差很大,地形改正值可達(dá)幾十至幾百微伽,是觀測精度的數(shù)十倍乃至上百倍,因此地形改正的精度很大程度上決定了重力測量資料的成果。目前區(qū)域重力調(diào)查中近區(qū)地形改正方法主要為目估法,這種方法受人為影響比較大,改正精度相對較低?;谀壳爸亓φ{(diào)查中近區(qū)地形改正研究現(xiàn)狀以及區(qū)域重力測量實(shí)際工作的需要,本文采用目估法、輔助儀器法、GNSS 測高法三種方法[7],選取野外工作區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測量觀測點(diǎn)地形傾角值和測量高程,測量完畢后進(jìn)行地形改正值計(jì)算,對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的改正。在同一測點(diǎn)對比三種方法的優(yōu)缺點(diǎn),確定一種或兩種較好的近區(qū)地形改正方法在區(qū)域重力調(diào)查項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[3]。根據(jù)工作區(qū)內(nèi)山地丘陵地區(qū)地形變化大的特點(diǎn),近區(qū)地形改正試驗(yàn)點(diǎn)選在地形復(fù)雜的山區(qū),能夠更加明顯的對比出山區(qū)重力近區(qū)地形改正方法的選擇。
重力地形改正的目的就是要消除由于地形的起伏不平對觀測點(diǎn)重力觀測值的影響[1]。如圖1 所示,就是要消去通過重力觀測點(diǎn)O 的水平面以上的多余物質(zhì)(A、C)和低于水平面以下缺少的物質(zhì)(B),在O 點(diǎn)所產(chǎn)生的附加引力對O 點(diǎn)的重力觀測值的影響。與地形平坦的情況相比,高于O 點(diǎn)的地形,質(zhì)量對O 點(diǎn)產(chǎn)生的引力,其鉛垂方向的分力會使O 點(diǎn)的重力值減小;低于O 點(diǎn)的地形,由于缺少物質(zhì),也會使O 點(diǎn)的重力值降低。所以,不管O 點(diǎn)周圍地形是高還是低,相對于O 點(diǎn)周圍地形是平坦的情況下,其地形影響值都將使O 點(diǎn)的重力值變小,故地形改正值總是正的。無論是實(shí)地測量還是在地形圖上讀取地形模型,逼近實(shí)際地形越好,地形改正的精度就越高。
圖1 地形影響示意
試驗(yàn)點(diǎn)選取為高山地區(qū),選擇重力異常區(qū),計(jì)劃實(shí)測64 個(gè)測點(diǎn)(質(zhì)檢點(diǎn)8 個(gè))。采用三種方法: 目估法、輔助儀器法和GNSS 測高法[5],實(shí)測50 m 方域八方位的高程或者傾角,并按規(guī)范要求記錄地形改正表,然后進(jìn)行室內(nèi)統(tǒng)一計(jì)算整理。
依據(jù)地形改正記錄人員的經(jīng)驗(yàn),在重力測點(diǎn)中心以正北方向開始,利用手持羅盤儀相隔45°為一個(gè)方位目估50 m 處的傾角值,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 個(gè)方位,所得的近區(qū)地形改正范圍內(nèi)的地形傾角值或平均高程,如圖2 所示,記錄在近區(qū)地形改正記錄表上,并把測量用時(shí)記錄下來,回到室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一整理計(jì)算。
圖2 目估法測量示意
激光測距儀的優(yōu)點(diǎn)是能快速測量0~200 m 的平距,森林羅盤儀能夠快速的找準(zhǔn)8 個(gè)方位。借助激光測距儀和森林羅盤儀相配合使用可以測量坡度角±45°范圍,如圖3 所示,先量出森林羅盤儀距離地面的高度,而后將激光測距儀放置在森林羅盤支架上,以正北方向?yàn)槠瘘c(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 個(gè)方位。通過激光測距儀內(nèi)置的傾角傳感器能夠快速的讀取50 m 處的傾角值,記錄在近區(qū)地形改正記錄表上,并把測量用時(shí)記錄下來,回到室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一整理計(jì)算。
圖3 輔助儀器法測量示意
GNSS 測高法采用GPS 測量中的RTK 模式,該方法應(yīng)用GPS 實(shí)時(shí)動態(tài)測量模式( RTK) ,精確測量點(diǎn)位高程[2]。首先在測點(diǎn)進(jìn)行測量,然后對該測點(diǎn)進(jìn)行放樣,通過放樣功能對測點(diǎn)8 方位的周圍50 m 處的高程進(jìn)行測量,如圖4 所示,記錄各個(gè)測點(diǎn)的高程值,室內(nèi)計(jì)算出相對測點(diǎn)的高差而后計(jì)算近區(qū)地形改正值。該方法有一些局限性,首先要有基站,還必須要有電臺信號才能正常工作(其他可用CORS 站的測量儀),山區(qū)一般易有信號遮擋的問題,可以考慮架設(shè)中繼站解決。
圖4 GNSS 測高法測量示意
本次試驗(yàn)在研究區(qū)完成了64 個(gè)地形改正點(diǎn)的測量,質(zhì)檢點(diǎn)8 個(gè)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比計(jì)算地形改正的精度,按12.5%的比例進(jìn)行重復(fù)測量質(zhì)檢地形改正數(shù)據(jù),利用均方誤差公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)各種方法的地形改正精度,精度對比見表1。從每個(gè)點(diǎn)效率及經(jīng)濟(jì)成本(人員、儀器)對比見表2。
表2 三種地形改正方法效率及經(jīng)濟(jì)成本統(tǒng)計(jì)對比
結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)從精度、效率、經(jīng)濟(jì)成本幾個(gè)方面對三種地形改正方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。精度方面:GNSS 測高法精度比較高,質(zhì)檢均方誤差0.003/10-5m/s2,其次是輔助儀器法精度較適中,質(zhì)檢均方誤差為0.006/10-5m/s2,最后是目估地改法精度較低,質(zhì)檢均方誤差0.008/10-5m/s2[6]。效率方面是目估地改法效率最高,2 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn),其次是輔助儀器法,7 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn),最后是GNSS 測高法,8 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)成本方面是目估地改法經(jīng)濟(jì)成本最低,1 人加手持羅盤可以完成,其次是輔助儀器法,1 人加森林羅盤儀和徠卡測距儀相結(jié)合完成,最后是GNSS 測高法,2 人加RTK 同步完成且在沒有信號的地方需要架設(shè)基站[4]。不同的地形改正方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),在野外實(shí)際工作中可根據(jù)項(xiàng)目精度要求、人員配置、經(jīng)費(fèi)多少等實(shí)際情況選擇適合的近區(qū)地形改方法[3]。
基于選取的64 個(gè)重力試驗(yàn)點(diǎn)用3 種近區(qū)地形改正方法進(jìn)行試驗(yàn)對比,通過對地形改正地改值的試驗(yàn)精度、效率及經(jīng)濟(jì)成本方面詳細(xì)的進(jìn)行對比分析[8],得出結(jié)論如下:
(1) GNSS 測高法精度比較高,但比較費(fèi)時(shí),平均8 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn),經(jīng)濟(jì)成本也比較高,需要2 人同步完成且在沒有信號的地方需要架設(shè)基站。
(2) 輔助儀器法精度相對適中,平均7 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn),經(jīng)濟(jì)成本相對適中,需要1 人將森林羅盤儀和徠卡測距儀相結(jié)合使用完成地形改正。但在植被覆蓋嚴(yán)重的叢林中、照射比較強(qiáng)烈的地方及有遮擋的地方會導(dǎo)致反射不回距離的情況發(fā)生,遇到此類情況需要估測,但也會比目估法的精度及準(zhǔn)確度要高。
(3) 目估法相對GNSS 測高法和輔助儀器法精度較低一些,但是效率比較高,平均2 min 完成一個(gè)地形改正點(diǎn),經(jīng)濟(jì)成本也比較低,1 人帶著手持羅盤就可以完成。
(4) 在野外工作中可根據(jù)設(shè)計(jì)精度、人員情況、經(jīng)濟(jì)成本、任務(wù)要求等實(shí)際情況選擇近區(qū)地形改方法。大比例尺重力調(diào)查精度要求高可采用GNSS 測高法,對中比例尺重力調(diào)查精度要求不是很高的且兼顧效率的情況下可采用輔助儀器法,區(qū)域重力調(diào)查一般工作量相對較大,在符合精度要求范圍內(nèi),為了提高效率降低經(jīng)濟(jì)成本可采用有經(jīng)驗(yàn)的地形改正人員進(jìn)行目估法地形改正。