GPS手持机在矿山监测中的应用

[摘要]随着国民经济的迅猛发展，国家对矿山资源的监测与监管也越来越重视。过去传统的矿山监测手段落后、精度不高以及工作效率低已不能满足现在的监测与监管要求，本文探讨了手持GPS接收机的特点、参数校正后定位精度、矿山监测中标定采区点、计算多边形面积以及补点等方面的应用及其注意事项，提出了将GPS手持机绝对定位结果标定在地形图上的一个简单而新颖的方法，大大增强了GPS手持机在矿山监测与监管中的实用性。

[关键词]GPS手持机定位精度 标定采区点

中图分类号： P228.4 文献标识码： A

全球定位系统(GPS：Global Positioning System)是美国国防部从20世纪70年代开始研制的，主要用于军事导航定位的系统。GPS基于运行在6个轨道上的24颗人造地球卫星，可以迅速而精确地获取空间任意点的二维或三维坐标和实时导航。目前，空间轨道上的24颗卫星已经基本覆盖了全球范围，这种GPS全球定位网已完全投入运行。在地球上任何地方、任何时间同时接收到4颗以上卫星的信号就可以进行定位工作。现今，GPS已经广泛应用于大地测量、工程测量、运载工具导航、地壳运动变形、资源勘察、地球动力学等诸多学科。

1 手持GPS接收机的特点

相对于传统的GPS，手持式GPS体积小、功耗低、携带方便、存点快捷、捕捉卫星信号的灵敏度高、定位速度快、单点实时定位精度高。同时，手持GPS不受天气、行政界限的约束，可以计算出当地的国际标准时间，指出正北方向。手持GPS还可以将曾经历过的点和路线记录在机器内部，为使用者起到提示作用，同时当观测时间达到5分钟时，手持GPS接收机的定位精度可以稳定在5 m左右，因此被广泛应用于地质勘测、国土监测等方面的野外工作中。

2 手持GPS接收机参数校正及参数验证

2.1 手持GPS接收机参数校正

参数解算其实就是求得不同坐标系之间的转换参数。对于既有旋转、缩放，又有平移的2个空间直角坐标系的坐标转换，存在着3平移参数和3个旋转参数以及1个尺度变化参数，共计有7个参数，要求得这7个转换参数，至少需要3个公共点[2]，且需知道3个公共点的3套不同坐标值，这在现实中很难做到，亦无需做到，因为手持GPS即便有精确的7参数设置也无法达到高精度(厘米级)的定位。

实际应用中，一般需求得5个转换参数，分别为：DA、DF、DX、DY、DZ，其中DA为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球长半轴的差值，即与54坐标系差值为 -108，与80坐标系差值为 -3；DF为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球扁率的差值，即与54坐标系差值为 -0.000000480795, 与80坐标系差值为 -0.0000000025。从上述可知DA、DF为固定值，真正需解算的只有3参数DX、DY、DZ，这样即可利用一个控制点的3套坐标求得。

2.2 参数验证

以下以陕西省耀州区为例，介绍手持GPS的3参数解算。该区平面坐标采用80坐标系，高程控制采用1985国家高程基准。在该区进行3参数解算时所采用的控制点为陕西省地理信息中心提供的C级GPS点，成果属3°投影带，中央子午线108°，高斯平面直角坐标。经参数校正后用手持GPS实地检测其余控制点坐标，X差值最大1.3米，Y差值最大1.8米，H差值最大3米，定位精度完全满足作业要求。

3 矿山监测中标定采区点

3.1标定采区点

国土部门对于矿山主要监测的主要目的是看其是否存在越界超层开采，为了提高单点定位的精度和可靠性，避免粗差的出现，当周围的环境对观测不利时，可以在一个测点上进行多次观测并求其平均值(一些手持GPS接收机已经内置了此功能)。

在监测一些大型矿山时，需要沿着开采面的线路进行特征点（主要是拐点）的标定。利用手持GPS接收机，可以在完成第一个特征点的定位后，将改点储存到航点表中。这样，在标定下一个特征点时，就可以获得现在所处位置相对于第一点的距离和方位。完成第二个点后每次重复这个过程，就可以方便准确地确定每个特征点的位置了。

3.2 計算多边形面积

在实际的工程工作中，有时需要知道图上某个采区的实际面积。利用已经存储的边界航点，手持GPS可以非常容易地计算出这些航点组成的多边形的面积。计算方法为：

S-)

式中：S为多边形面积，x 、y为第i个航点的平面坐标。计算的精度取决于多边形的航点数量，航点越多则多边形面积越精确。

3.3补点

在标定采区点工作完成以后，对于点位密度没有满足要求的区域要进行补点工作。利用手持GPS接收机的“最近航点” 的功能，就可以在航点稀疏的区域随时检查当前位置是否是最佳的补点位置。相对于传统依靠经验的补点方法，这种方法省时省力，可以避免多次返工或者补点过多造成的浪费。

4 使用手持GPS接收机进行采区标定时的注意事项

(1)观测成果要注意复核。GPS测量具有显著的实时、快捷等优点，但其初始化(整周模糊值)的置信度通常为95％ 一99％ ，且作业中缺乏检核条件，个别点可能会出现粗差。为了保证实测精度和可靠性，作业中必须注重成果的复核。成果的复核分为作业前复核和作业中复核。作业前复核是先在已知点上检测，新测坐标与已知坐标较差符合要求后，再进行测量；作业中复核一般是采用不同起算点测定部分重合点，或在同一点上采用两次或多次观测法观测。

(2) 手持型GPS从野外应用来看，具有方便携带、定位速度快等优点，但是精度不高，且误差易受外界条件干扰。同时卫星在运动过程中不停地发送信号，接收机接到信号后也在不停地运算，所以将手持机放在空旷的地方不动，定点后，其坐标数据仍会波动，并且高程的波动值要比经纬度波动值大。实际定位操作中，GPS开机后不宜立即读数，应按GPS手持姿态要求运行几分钟后再读数。

5 结束语

国土部门对矿山的监测主要内容看其是否存在越界超层情况，对开采区的标定及其与矿区边界、高程的关系十分重视。因此，本文着重论述了手持GPS接收机参数校正及参数验证和使用手持GPS接收机进行开采区标定时的注意事项，使手持GPS接收机能更好的为矿山监测提供较高精度的数据成果，便于国土部门对矿山进行更好的监管。

[1] 黄丁发，熊永良 全球定位系统(GPS)—— 理论与实践[M]．成

都：西南交通大学出版社，2006

[2]何寿福，舒树兰，何书跃.手持GPS在矿区地质勘查工作中的应用及误差分析[J].青海大学学报：自然科学版，2009，27（5）.

[3] 程新文，陈性义．手持式GPS定位精度研究[J]．测绘通报，

2004(9)：20—22．

[4]李征航 黄劲松 ，GPS测量与数据处理， 武汉 ，武汉大学出版社，2005

作者简介：宋继光（1968-07-03），男，陕西铜川市，1988毕业于陕西煤炭工业学校，煤田地质与勘探专业，助理工程师 ，从事工程测量工作。