浅析水工环地质勘察中的技术应用

　　摘要：随着科技水平的提高，应用高技术手段对提高水工环地质勘察工作效率具有重要的意义。本文简要论述了GPS、RTK技术在水工环地质中的应用情况，通过实际测量数据对RTK技术测量精度进行了浅析，并得出了一些有益的结论。
　　关键词：GPS,RTK,水工环,地质勘察
　　1GPS技术的基本原理
　　1．1GPS的基本原理
　　GPS卫星定位的基本原理是将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由3个以上地面已知点(控制站)交会出卫星的位置，反之利用3颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点(用户接收机)的位置。
　　用户使用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点(接收机天线中心)到3颗以上GPS卫星的距离，并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用交会法解算出测站点的位置。设时刻t在测站点使用GPS接收机同时测得测站点到3颗GPS卫星S1、S2、S3，的距离P1、P2、P3，通过GPS导航电文解译出该时刻3颗GPS卫星的三维坐标分别为(Xj，Yj，Zj)，j：1，2，3。用交会法求解测站点的三维坐标(x，Y，Z)的观测方程：
　　              
　　2RTK技术的基本原理
　　2．1RTK的基本原理
　　RTK技术采用差分GPS位置差分、伪距差分、相位差分3类中的相位差分。这3类差分方式都是由基准站发送改正数，由流动站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。
　　RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于流动站上，基准站和流动站同时接收同一时间、相同GPS卫星发射的信号，将基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值，然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传送给流动站，以求得流动站较准确的实时位置。流动站可处于静止或运动状态。
　　3仪器设备的发展
　　3．1国外的主要进展9O年代后，GPS仪器又有了一些新发展。相继推出了多态雷达系统、层析雷达系统。三维雷达技术具有明显提高解决浅层地质问题的能力，但却因耗时费力得不到普遍的应用。为此，FrankLehman等研制出空自动的组合地质雷达激光经纬仪系统。利用该系统，一人可在2h内完成25m×25m范围的三维数据采集。三个方向上的定位精度为士2．5cm。数据处理、成图可在1h内完成，比传统方法的效率提高5～10倍。
　　3．2国内的进展90年代我国引进了一批地质雷达仪器并将它用于工程和灾害地质调查。近年来，国内地质雷达仪器的研制也取得了较大的进展煤炭科学院西安分院物探所研制成功了适用于矿山防爆要求的DVL防爆型矿井雷达系列。原电子工业部第二十二研究所相继研究成功了LT一1，2，3型GPS。航天工业总公司爱迪尔国际探测技末公司推出了商品化的撂地雷达系列产品。国内外生产的多种类型的GPS仪器，一般都具有较好的性能，可供不同探测目标选用。
　　4数据采集与处理
　　4．190年代初，GPS资料由单点采集过渡到连续采集。使GPS技术的应用向前迈了一大步。
　　4．2地震资料处理的方式基本适用于GPS资料的处理。为了更好地将石油地震的先连技术；进到GPS领域，一些公司之间开展了合作。比如，1990年后SSI公司与地震图像软件公司(SISL)达成协议，SSI公司按地震资料输出格式设计PulseEKKOGPS系统将SISL公司开发的地震资料处理软件用于GPS资料的处理。这些软件包括各类滤波、反褶积及资料显示等。
　　4．3据SSI公司1998年底披露，该公司即将发行改进软件一EKKO三维2型软件。采用2型三维软件，用户可以在方便的条件下试验下述不同软件的组台处理，以便提高数据的立体特征。该三维软件包括去频率颤动、噪声滤波、背景清除、包络线和偏移。
　　4．4透射法取得的资料必须经过处理才能显示成解释所需的资料。SSI公司于1997年开发出可用于将GPS透射资料变换成可用于解释图像的软件。实施步骤包括：原始资料编辑和归类、采集波至、利用美国矿业局的地震层析软件对资料进行层析成像处理，绘制速度、衰减及波傲图件以及图像处理等。和数字模拟研究而对GPS资料解释研究不够的现状，雷林源提出了与GPS资料解释工作有关的基本理论和方法以及一些基本问题的求解。提出的基本问题包括电磁波在地层中传播的波阻抗：地层分界面上电磁波场强的反射与透射系数；地层中电磁波速度和反射波的相位以及GPS探测深度等。
　　5应用实例
　　GPS技术经过多年的发展，证明具有多方面的用途。国内刊物对一些普通的应用已给予了较多的介绍。这些应用包括在水文地质方面可以用于浅部地下环境调查；在工程地质勘察方面可用于调查地下埋藏物、隧道、岩溶等。
　　5．1
　　5．1．1一座建立在石灰岩地区的硝化纤维厂，由于污水的泄漏导致硝化纤维对地质环境的污染，为了探测地表至潜水面(约6am)岩溶结构可能捕获的硝化纤维，在18个30米深和7个50m深的钻孔中作了井中雷达探测。对收集到的资料作常规处理后，采用惠更斯一基尔霍夫(HK)叠加法绘制出三维雷达图。从深度为1Om的重建图像上可以看出几个受硝化纤维污染的位置在后来的开挖中，证示了GPS的探测成果。
　　5．1．2探测碳氢污染物试验多年来的野外试验已证明GPS具有调查地质环境污染的能力。国外专家在Im×04mX05m箱体中作了精心的试验，试图再一次验证GPS探测污染的能力，并用相关资料说明雷达响应与一些水文参数间的关系。通过试验和GPS数据的处理和解释得出结论：在污染物达到饱和对，利用GPS探不到潜水面在相邻未受污染区可探到潜水面对，GPS可用于监测潜水面上的污染物；小型实验有助于探测或验证砂质土壤的水文地质参数，如毛细作用水头、污染物羽状流的传播速度；GPS能成功探测石油污染。
　　5．2南极永；东场地安全检查在一个南极考查计划利用的场地内，发现地下O．3～O．5m位置的冰内有一些融水坑(据2000年初中央电视台报道，我国南极科考队也发现了与此相似的冰水湖)。它们将给场地的利用带来负面的影响。为此，利用GPS对场地进行了调查。通过对记录的绕射波结构及其他信息的分析，在3．5m左右深度发现一些有40m长、含分散水的冰层带，但含水量较少。
　　5．3区域水文地质调查雷达相图被定义为某一特定地层产生的雷达反射图像特征均总和，指的是雷达剖面资料上内眼可见的反射波的不同组合形式。雷达资料观测中，地质体的构造和结构特征会影响雷达响应并产生特征效应。这些特征效应被称为雷达相图元素。自1990年以来，荷兰TNO应用地学研究所在荷兰3O多个适合于GPS调查试验的点上作了测量，用于评价GPS对不同水文地质目标成像和描述目标特征的可能性。探查成果揭示出荷兰不同沉积环境下雷达相图元素的特征，该相图集对确定地下水文地质层序的位置有益。
　　6结束语
　　GPS、RTK技术已为测量界普遍地接受，并得到越来越广泛的应用，不断尝试新的方法，提高RTK观测精度，拓宽RTK的应用领域，是测量工作者一直努力的目标。