盧翔峰，蔚志國

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

針對礦區(qū)工程地形條件復雜，勘查設計難度大等問題，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要求。同時，由于傳統(tǒng)勘查作業(yè)，在獲取現(xiàn)場測量數據后，才能確定路徑，致使工人效率低、勞動強度大，由于受到現(xiàn)場測量的限制，一般確定的路徑缺乏整體性和全局觀，隨著路線的向前推移，會出現(xiàn)對已確定方案產生顛覆性影響，造成工期滯后、效率難以提升以及重復工作量巨大[1]。鑒于此，國內學者對新型勘測技術進行了大量的研究，文獻[2]采用RTK數字地形測量技術，利用首級RTM控制網，實施了研究區(qū)1:500數字地形測量，研究結果達到了期望的測量精度；文獻[3]對航空重力測量技術、航空放射性測量技術、航空電測探測技術、高精度航空磁測技術、深地震主動源剖面探測技術、天然地震流動臺陣技術、金屬礦地震勘探技術、井中地球物理測量技術、地面電磁測量技術等研究了分析，歸納總結了不同方法的使用范圍、基本原理、技術概況、技術特點以及應用效果，指導了礦區(qū)的勘查；文獻[4]研究了GPS技術在控制測量中的應用，利用GPS定位技術，組建了參考站，應用在控制測量系統(tǒng)中，取得了一定實際應用價值。本文采用數字航空測量技術，對平定縣龍泉山礦區(qū)進行精確測量，研究表明，該技術具有較好的實用性，并且取得了良好的勘測效果。

1 工程概況

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

測區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季少雨干旱多風，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，無霜期年平均210 d。平定縣礦產資源豐富，有無煙煤、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，其中以煤蘊藏量最大，有悠久的開采歷史。此次航測范圍分兩期劃定，最終成圖范圍為東至下盤石村、南至巖會村、北至槐樹梁村、西至東西線。東西長7.0 km，南北長5.7 km，面積約29.7 km2。測區(qū)范圍如圖1所示。

2 控制測量

2.1 選點與埋石

測區(qū)基礎控制采用D級GPS控制網[5-8]，按設計要求需布設12個控制點，并至少保證2點之間可以通視。根據實地踏勘情況，為對2個分區(qū)和全礦區(qū)有效控制，便于后續(xù)生產使用，兩礦區(qū)周邊點位盡量位于采區(qū)之外，同時交通方便利于使用，綜合考慮布設8個點。

測區(qū)南部主要考慮到后期場站設計，同時將進行1∶2 000地形圖航測作業(yè)，所以，設計4個點，2個一對，同時，盡量可與北部礦區(qū)周邊點通視。根據收集到的周邊高等級控制點分布情況和現(xiàn)場踏勘，決定選取離測區(qū)最近的2個省級C級GPS控制點進行聯(lián)測。由于控制點“陽泉市”離礦區(qū)距離太遠，為保證網形穩(wěn)固，提高觀測效率。在中間增設一臨時點作為聯(lián)測接續(xù)。所有控制點分布均勻，圖形結構良好，有效控制了整個測區(qū)。已知點數據見表1。

圖1 測區(qū)范圍示意Fig.1 Scope of the survey area

表1 已知點數據Tab.1 Known point data

在具體選點和埋石過程中，基本要求按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)執(zhí)行。選點時應盡可能避開樹木、高壓電線、無線電發(fā)射源，以保證衛(wèi)星信號的接收，同時有利于測量的擴展和聯(lián)測。點位選在土質堅硬、基礎穩(wěn)固，易于點的長期保存及利用，在天線截止高度角15°以上的空間沒有障礙物，滿足GPS觀測要求。相鄰點位之間通視良好，遠離大功率天線等電磁發(fā)射源，其距離大于200 m，并距離高壓輸電線大于50 m的開闊地帶。埋設的標石采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥預制混凝土標石，安放銅制測量標志。標石統(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。普通標石及蓋板規(guī)格如圖2所示。

標石埋設時，將基坑底部的土層夯實整平；標石安放端正，回填土前，清除基坑內的雜物；回填土的濕度應適中，沒有雜物，填土時在標石周圍同時進行分層夯實，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。選點埋石結束后，按照統(tǒng)一格式及要求繪制GPS點之記。本次點名按“太鋼”首字母“TG”，加區(qū)域“龍泉”山首字母“LQ”后接順序號，如“TGLQ12”，表示本測區(qū)12號點?？刂泣c網如圖3所示。

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

圖3 控制點網圖Fig.3 Control point network diagram

2.2 平面控制

(1)GPS網的觀測[9-11]。作業(yè)使用4臺I80型GPS接收機，經測前檢定，儀器各項精度、技術指標均達到規(guī)范要求，平面精度為±(2.5+1×10-6) mm。能夠滿足施測設計精度要求。為保證觀測精度，D級點均以邊點混聯(lián)方式構網，點名、天線高在測站直接置入儀器中，天線高讀取采用不同方向3次讀數，讀至mm，較差小于3 mm。取3次讀數平均數作為天線高。測前根據網上下載的星歷表，選擇良好的時段進行外業(yè)數據的采集，確保外業(yè)數據采集的質量。作業(yè)主要技術指標如下：衛(wèi)星截止高度角15°;同時觀測有效衛(wèi)星數≥4;有效觀測衛(wèi)星總數≥4;觀測時段數≥1.6;時段長度≥60 min;采樣間隔5～15 s。

(2)GPS數據處理。基線處理采用CGO靜態(tài)處理軟件，該軟件是目前國內較成熟的GPS隨機解算軟件之一。此次作業(yè)閉合環(huán)總數30個，其中同步環(huán)19個，異步環(huán)11個，閉合環(huán)最大節(jié)點數為3。最大邊長11 729 m，最小邊長647 m，平均邊長3 627 m。共測基線33條，最弱邊相對誤差最大1/634 444 3。重復基線3條，長度較差最大為0.001 8 m，相對誤差最大為1.22×10-6。本網作業(yè)采用邊聯(lián)結方式構網，使整個GPS網的精度大為提高。D級GPS控制網主要技術指標中，水平分量應≤20 mm，垂直分量≤40 mm。

(3)閉合環(huán)。①同步環(huán)相對閉合差最大4.07×10-6，最小0.06×10-6；②異步環(huán)相對閉合差最大2.21×10-6，最小0.35×10-6。經計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—坐標下進行經典自由網平差，再用1980西安坐標系平差，3°帶成果，中央子午線114°，以大地水準面為測區(qū)高程投影面，平差起算數據如下：①陽泉市，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坐標最弱點位誤差：X為3.942 mm，Y為3.948 mm；②最弱基線相對誤差為1/166 692 5；③約束平差后最弱基線相對誤差為1/103 011 3；④單位權中誤差為0.000 651 m；⑤平差后坐標最弱點位誤差：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：內符合精度中誤差±0.864 mm。

3 數字航空測量

3.1 航攝區(qū)和航線的確定

根據航攝工作范圍，采用2個航攝分區(qū)，在遙感影像圖上規(guī)劃航線[12-15]。航向重疊度70%，旁向重疊度65%，共7個飛行架次。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航空攝影測量系統(tǒng)(圖5)。CW-007C主要系統(tǒng)參數如下：類型固定翼；抗風能力6級風；翼展2 m；垂直方向定位精度3 cm；機身長度1.3 m；水平方向定位精度(1+1×10-6) cm；最大起飛質量6.8 kg；最高起飛海拔為4 500 m；任務荷載800 g ；實用升限5 000 m；續(xù)航時間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；動力類別為電動。

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

3.3 相機選擇

此次航空攝影測量所選用相機為無人機專用相機SONY_A7RⅡ，其基本參數：相機類型為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 航測作業(yè)

(1)地面控制測量。此次測量使用2臺徠卡動態(tài)GPS GS14 RTK，以SXCORS(山西省連續(xù)運行基準網及綜合服務系統(tǒng))為基準，使用RTK網絡模式進行圖根控制點測量，坐標誤差小于5 cm。該區(qū)像控點全部布設為平高點，北區(qū)布設9個點，南區(qū)布設18個點。在每個控制點采集之前對儀器進行初始化，固定解10″～15″后采集數據，重復測量3次，取3次測量平均值為結果，以保證控制點測量精度。區(qū)域網中布設控制點旁向不超過4～5條航線，按矩形布設。該測區(qū)北側呈凸形，拐角處布設點應能控制住有效測繪面積，自由圖邊的像片控制點必須布設在自由圖邊外。按區(qū)域網大小，每個區(qū)域網布設1個檢查點(平高點)。

(2)航空攝影測量。根據礦區(qū)范圍規(guī)劃攝影航線，以地面分辨率滿足1∶2 000地形圖要求設置航高為620 m，同一航線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，實際航高與設計航高之差小于50 m。航向重疊度75%，旁向重疊度65%。各姿態(tài)角均保持在5°以內。測區(qū)基準面高度750 m。

3.5 數字化成圖

本次攝影測量室內通過PhotoScan進行空中三角測量處理，生成數字高程模型和數字正射影像；并利用清華山維完成數字線劃圖的采集。高程注記點分布均勻，對地形特征點均注記了高程，高程注記為0.1 m。根據《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規(guī)范》(GB/T 15967—2008)要求，航測數字化測圖精度應滿足平地、丘陵地地物點中誤差為0.6 mm；山地、高山地地物點中誤差為0.8 mm。

高程中誤差要求見表3。根據對野外地形進行RTK重采樣檢查，此次航測精度為：平面中誤差0.572 m，高程中誤差0.191 m，完全滿足規(guī)范要求。本次航測數據為開放性入口，能讀取文本格式的原始數據，圖層分層清晰、線型和顏色庫管理合理，數字注記準確，并具備了齊全的測量符號庫。本次數字化成圖嚴格按照ISO標準的程序操作步驟進行?？蓾M足《低空數字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)規(guī)范要求。采集地物、地貌數據時切準地物、地貌的特征點，進行全要素檢查采集，做到不變形、不移位、無錯漏。采集依比例尺表示的地物符號時，應以測標中心切準輪廓線或拐點連線；采集不依比例尺表示的地物符號時，應以測標中心切準其定位點、定位線，對模型不清的構(建)筑物(如房角、電桿等)無法準確定位時，務必在相應位置上作“A”標記，進行外業(yè)補測或調查。

表3 高程中誤差 Tab.3 Error in elevation m

4 測量結果

GPS控制點成果見表4，以1980西安坐標系為例。

表4 GPS控制點成果Tab.4 GPS control point results

地形圖檢查點精度檢核見表5、表6，由于測量點較多，本文每隔20點，對檢測坐標、圖上坐標以及坐標差進行分析。由表6分析可知，監(jiān)測點坐標和圖上坐標之間的誤差很小，符合相關國家標準，也驗證該技術的實用性。

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

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

5 結語

以平定縣龍泉山礦區(qū)工程為背景，對控制測量進行了分析，依據航攝的工作范圍，采用2個航攝分區(qū)，在遙感影像圖上規(guī)劃航線，得到了GPS控制點成果表以及地形圖檢查點精度檢核表。研究表明，該技術具有很好的實用性，并且檢測點坐標和圖上坐標之間的誤差很小，符合相關國家相關標準及要求。