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GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用综述

来源:www.dbkyw.com   时间:2021-12-21 08:41   点击:269  编辑:闵月   手机版

袁中智

(重庆市国土资源和房地产信息中心,重庆,400015)

摘要:GPS技术已广泛应用于各行业的数据采集、定位、导航、勘测等工作,随“金土工程”的实施,为构建“天上看地上查网上管”的管理新体系,GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用将出现新的高潮。为此,本文在探讨GPS技术在矿产资源勘查开发各环节中的应用基础上,分析了应用中存在的问题,展望GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用前景。

关键词:GPS;矿产资源;应用;综述

GPS广泛应用于土地变更调查、资源清查、滑坡变形监测、大型构筑物位移实时监测、地面沉陷监测、房地产测量,以及所有在室外进行的数据采集、定位、导航、勘测等工作。由于矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量,所以可以使用GPS技术提高作业效率。中国地质调查局制定的《战略性矿产远景调查技术要求》中也明确要求,在进行矿产地质填图、勘查、矿产检查时,应使用GPS进行定点、定位和测量等。

2006年4月5日,国土资源部建部以来第一次科技大会在京召开,大会将发展资源调查、监测技术和实施“金土工程”等作为重要任务进行了部署,这将掀起一场GPS技术在国土资源管理中广泛应用的高潮。由此,本文将探讨GPS技术在矿产资源勘查开发各环节中的应用情况、存在问题以及应用前景。

1 GPS 技术在矿产资源勘查开发中的应用

1.1 钻孔定位

将GPS技术应用于钻机钻孔定位,远优于操作人员的肉眼控制。即通过安装GPS和相关软件用于钻孔导向,随时了解钻孔位置和钻进情况。GPS用于钻孔定位可以减少现场测量工作,为提出更好的爆破设计创造条件,使炮孔布置精度更高、时间更短;可直接向装药车提供钻孔数据;同时还可以避免超钻和欠钻。

1.2 车辆设备监控调度

对大型采矿场,需随时了解卡车、电铲等设备的位置、状态信息,以便进行监控调度,使用传统的人工调度方法,调度员难以动态了解场内所有车铲的位置和状态,很难做出最优调度,所以调度指挥较为粗放,导致大型采运设备的效率难以充分发挥,生产潜力难以挖掘。使用GPS可以随时精确测定铲车标高,以便工作人员立即发现铲车是否在正确的位置作业。

在矿区,汽车安装GPS后,管理人员可以随时了解车辆在全矿区的运行路线,查看车辆卸载位置是否正确,了解车速,进行汽车调度。建立基于GPS/GIS技术的智能运输系统,可以在开采量一定的条件下,使用最少的卡车和电铲,实现最优调度,大大提高开采作业效率。系统可通过安装在卡车、电铲等工具上的车载终端(GPS接收设备、通信控制设备等),广泛收集各种数据,然后通过无线通信,将数据实时传送至中央计算机,由中央计算机根据矿山数据(作业计划、道路网)进行快速运算,解算出调度方案,同时将调度指令发送给装运设备,从而实现最优调度。

1.3 地表矿料堆体的测算

矿料、燃料是大型冶金、矿山等企业的重要资产,对这类资产的评估需进行体积和重量的测算,由于矿料、燃料一般分布广散(几km2 到几十km2),不仅形状复杂,而且瞬时进出变化大,给资产评估带来很大难度。国内外测算体积主要用航空摄影测量、地面立体测量以及门式装置的激光扫描等,但由于这些方法,或者设备昂贵、测量条件要求高,或者精度不能满足要求,测量周期长等条件限制,使得这些方法的推广应用受到一定限制。虽然电子全站仪同计算机相结合的空间三维快速测算方法具有准确、快速、灵活等特点,但需要投入的人力、物力较多,所需时间较长。

GPS-RTK技术是用来确定待测点三维空间坐标的一种方法,进行GPS-RTK测量,至少需要一台基准站和一台流动站,流动站通过接收基准站发送过来的改正参数和直接的卫星信号,可以快速确定测点位置,实践证明,将GPS-RTK技术应用于地上矿产资源测算,具有准确、灵活、快速、省钱、省时、省力等优点。同时GPS-RTK技术同地质雷达技术结合,还可以有效测算浅层地下矿藏储量。

1.4 矿山环境监测

矿产资源勘探开发过程中常产生环境问题,如废弃的物质和能量会造成水土污染、空气污染(粉尘和有毒有害气体污染)、噪音污染、光污染、辐射污染等环境危害;压占、破坏土地资源、水资源、森林草地等自然环境资源;造成水土流失、土壤侵蚀、土地沙化、地质景观破坏等地质环境破坏;诱发崩塌、滑坡、泥石流、地面开裂、地面沉降、地面塌陷、河堤溃决、海水入侵等地质灾害。随采矿业的发展,采矿对环境污染日益严重,对大型矿区来说,不仅需要对环境进行连续监测,而且要求有效管理和迅速处理各种监测数据,以便及时采取应对措施。而GPS与GIS结合构成环境监测与分析系统,可实现对环境的时时监测与处理。将各种环境传感器(如瞬时光谱仪、红外辐射仪、温度计、酸碱度测定仪、噪声仪等)与GPS接收机构成一起,传感器采集的数据与GPS数据一起输入到数据库中,使用GIS对监测数据进行展示和分析。这不仅便于监测数据的组织管理,图形的直观、形象表达,而且便于对监测数据的分析,了解其影响范围、发展规律,为进一步预测灾害,防灾减灾提供决策依据。

1.5 物、化探勘查

地球化学勘查中需要进行土壤地球化学测量的测网布设、水系沉积物中的采样点定位,以及岩石测量的定位等。常规的测网布设方法是,先由测量人员做好控制和基线,然后用罗盘仪和测绳布设测网,而水系沉积物和岩石测量的定位常根据地形图和标志物进行定位。常规方法费时费力,而且工作难度较大,若使用GPS技术进行测量,可以绕开控制测量环节,在节省测量时间的同时,降低了施测条件的要求,减轻了工作强度。同样,对于区域物探调查中的重力测量,传统的重力点点位高程测量使用气压测高和航片刺点的方法,不仅操作复杂,而且内业工作量较大,精度较低。使用GPS技术不仅能提高测点点位精度,降低工作强度,而且可以解决在通视条件较差的条件下目测定点困难的问题。

1.6 形变监测

矿区开采,难免使开采区发生地表移动与变形,如建筑物、构筑物的位移、倾斜、沉降,以及矿区的整体下沉等,因此对矿区进行变形监测十分必要。常规的监测技术是应用水准测量的方法监测地基的沉降;应用三角测量的方法监测地基的位移和整体倾斜。由于被监测物体通常几何尺寸较大,监测环境复杂,监测技术要求高,因此应用常规技术监测,不仅时间长、劳动强度大,而且自动化程度低。GPS技术以其在连续性、实时性和自动化程度高等优点,在变形监测中发挥着传统测量无法比拟的重要作用。

矿区GPS变形监测主要有两种方法,一是定期在监测点安置GPS接收机进行变形监测,并分期进行数据处理,根据多期监测数据进行变形分析。二是应用GPS实时监测,即在变形监测点上安置GPS接收机,全天候进行GPS监测,也可根据实际情况,每天施测几个时段,并直接将观测数据传入GPS解算软件,解算出基线变化量与三维坐标变化量。实践表明,GPS实时测量,能够监测出地表的非线性变形,并准确建立地表移动的动态运动模型。

1.7 矿区范围划定

在矿产资源管理中,常需要矿区范围划定,为了防止矿界纠纷,需要准确测定矿区拐点坐标,由于矿区大多地处偏僻,地形条件复杂,使用传统的测量方法既费时又费力,而使用GPS技术进行测量能减少大量人力,提高工作效率。一般来说,GPS 单点定位在30m~100m,虽然工作简单易行,但其定位精度太低,不能满足定位需求;GPS静态测量虽然精度较高,但寻找已知控制点较难。相对而言,使用手持式GPS测量系统更便于野外作业,而且具有观测时间短、精度高、无需通视等特点。

手持式测量包括基准站系统和移动系统。基准站系统一般设置在办公地,天线置于屋顶,移动系统则随待测点移动,其基本原理是基准站系统与移动系统同步观测GPS卫星载波相位信号,利用差分定位原理消除电离层、对流层等带来的误差,提高测量精度,通过随机软件进行基线解算和坐标转换参数解算,求出待测点的坐标。实践证明,手持式GPS测量系统的定位精度在30km范围内可达0.5m,完全满足矿区定界的要求。

1.8 矿区控制网建立

矿区控制网是矿区测绘、勘探、设计和生产建设的基础。运用GPS技术布设矿区控制网,不仅精度高,而且点位精度分布均匀;GPS控制网基本不受边长的限制,边长可以相差较大,较常规的三角网方便灵活,且点间无需通视。经研究表明,采用GPS技术建立平面控制网,所需作业人员仅为同级常规测量控制网的40%,所需作业时间为21%,所需作业经费为35%。

1.9 水文地质调查

在矿区水文地质调查中,需要确定每个调查点的位置,利用罗盘及地形地物定点效果较差,应用手持GPS进行测量定点,可以大大提高点位精度。实践表明,利用手持GPS接收机进行水文地质调查工作,其单点定位精度能控制在5m以内,完全满足工作需要,较好地解决了不同地形及艰险条件下地质填图中点位精度问题。

1.10 地质测绘

地质勘查中需要进行地质填图测量、物探测量、化探测量、地质工程测量等,传统的测量设备主要使用全站仪、罗盘、测绳等,测绘人员工作强度较大,工作效率较低。GPS的应用大大提高了测绘效率,特别是手持GPS与成图软件的配合,不仅可以方便地从接收机中下载野外采集的数据,而且可以将GIS数据导入到接收机中,便于野外工作。

此外,GPS技术还应用于矿井贯通、矿山风井位置确定等。

2 GPS 技术在矿产资源勘查开发应用中存在问题及应用前景

2.1 存在问题

(1)尽管GPS有广泛的应用领域,但由于经费、技术水平,以及思想认识等原因,在矿产资源勘查开发中未得到广泛深入应用,应用成熟度低。

(2)由于建立GPS台站网投入大,维护费用高,我国利用台站网的技术也不成熟,矿产资源勘查开发中仍主要使用RTK技术进行测量作业,这就需要在测区附近建立控制点,架设参考站,给实际工作带来不便,而且精度分布不均。

(3)由于矿产资源的勘查开发工作场所主要在野外,地形和树木的遮挡常影响GPS的收讯,也使GPS技术难以在矿产资源勘查开发得到广泛应用。

(4)目前虽然GPS技术在矿产资源勘查开发的应用逐渐扩大,然而各应用系统还处于各自为政、零打碎敲的散乱状态,没有统一的平台支持,缺乏统一的行业标准。

(5)由于基础地理信息建设滞后,也未形成良好的使用更新机制,加上部门间、地区间对电子地图的控制,严重影响GPS的广泛深入应用。

2.2 应用前景

(1)随金土工程的实施、行业标准的逐步建立、基础地理信息的建设,以及“3S”技术的集成应用,将为GPS技术的应用创造良好的应用环境。

(2) GPS台站网作为获取空间信息的基础设施,具有广泛的应用前景,国内一些主要城市已相继建立了GPS台站网,各地GPS台站网的建立将进一步促进GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用。

(3)随GPS接收机的不断改进,体积越来越小,重量越来越轻,价格越来越便宜,以及数据后处理软件的开发利用,GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用领域会不断拓宽和发展。

(4)利用GSM和CDMA数字移动通信网具有覆盖范围广,系统可靠性高、控制中心建站方便等优点,GPS与GSM和CDMA的结合将成为矿产资源勘查开发中应用的新亮点。

(5)多元定位系统的发展,GPS与GLONASS组合定位技术的研究与应用,将逐步解决GPS在复杂条件下(如山地、森林)接收信号较差的问题,提高定位精度和可靠性,推进GPS技术在矿产资源勘查开发中的应用。

(6)到2008年,伽利略系统的即将运行,其民用精度可达1m,在不通过差分处理的情况下即可满足大部分定位、导航需求,而且费用便宜,使用可靠,这将使定位技术在矿产资源勘查开发中得到更大范围的普及。

随“金土工程”的实施,GPS技术将在国土资源监管中发挥越来越重要的作用,尽管GPS技术在目前应用中存在这样或那样的问题,但以其本身的技术特点和优势,必将在矿产资源勘查开发中得到广泛应用。

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