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区域重力调查中近区地形改正方法探究

2024-01-08 51 上传者：管理员

摘要：在重力调查中，影响重力调查精度的因素主要有测点重力值精度、测地数据精度和地形改正精度。随着科技不断的发展，重力仪器及测地仪器精度的不断提高，在排除人为操作错误的前提下，目前重力调查的数据精度更多的因素取决于地形改正的精度。尤其是在地形条件复杂和高差较大的山区及丘陵地区，能否取得准确的地形改正数据，已经成为重力测量值准确性的决定性因素。本文以野外山区试验点数据为例，以近区地形改正为重点研究对象，用三种方法(目估法、辅助仪器法、GNSS测高法)分别从精度、用时、效率及经济成本等方面进行了详细对比，总结了各种方法的优缺点，为区域重力调查选择合适的近区地形改正方法提供了较好的应用和示范效果。

关键词：
GNSS测高法
目估法
辅助仪器法
近区地形改正
重力调查
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随着国内外技术的不断进步，精度较高的重力仪广泛推广，重力测量观测值精度已大幅度提高。大地测量测地工作从之前地形图定点发展到现在GNSS定位中RTK技术进行定位，测地精度提高到现在的平面位置±1 m、高程±0.6 m范围之内，当前影响布格重力异常总精度的重要因素就是地形改正的精度。

在重力调查中观测精度一般在几至几十微伽以内，而山区地形复杂、起伏和高差很大，地形改正值可达几十至几百微伽，是观测精度的数十倍乃至上百倍，因此地形改正的精度很大程度上决定了重力测量资料的成果。目前区域重力调查中近区地形改正方法主要为目估法，这种方法受人为影响比较大，改正精度相对较低。基于目前重力调查中近区地形改正研究现状以及区域重力测量实际工作的需要，本文采用目估法、辅助仪器法、GNSS测高法三种方法[7]，选取野外工作区试验点进行实际测量观测点地形倾角值和测量高程，测量完毕后进行地形改正值计算，对所有数据进行系统的改正。在同一测点对比三种方法的优缺点，确定一种或两种较好的近区地形改正方法在区域重力调查项目实际生产中推广应用[3]。根据工作区内山地丘陵地区地形变化大的特点，近区地形改正试验点选在地形复杂的山区，能够更加明显的对比出山区重力近区地形改正方法的选择。

1、近区地形改正原理

重力地形改正的目的就是要消除由于地形的起伏不平对观测点重力观测值的影响[1]。如图1所示，就是要消去通过重力观测点O的水平面以上的多余物质（A、C）和低于水平面以下缺少的物质（B）,在O点所产生的附加引力对O点的重力观测值的影响。与地形平坦的情况相比，高于O点的地形,质量对O点产生的引力，其铅垂方向的分力会使O点的重力值减小;低于O点的地形，由于缺少物质，也会使O点的重力值降低。所以，不管O点周围地形是高还是低，相对于O点周围地形是平坦的情况下，其地形影响值都将使O点的重力值变小，故地形改正值总是正的。无论是实地测量还是在地形图上读取地形模型，逼近实际地形越好，地形改正的精度就越高。

2、近区地形改正试验方案

试验点选取为高山地区，选择重力异常区，计划实测64个测点(质检点8个)。采用三种方法:目估法、辅助仪器法和GNSS测高法[5]，实测50 m方域八方位的高程或者倾角，并按规范要求记录地形改正表，然后进行室内统一计算整理。

图1 地形影响示意

图2 目估法测量示意

图3 辅助仪器法测量示意

2.1 目估法

依据地形改正记录人员的经验，在重力测点中心以正北方向开始，利用手持罗盘仪相隔45°为一个方位目估50 m处的倾角值，顺时针旋转8个方位，所得的近区地形改正范围内的地形倾角值或平均高程，如图2所示，记录在近区地形改正记录表上，并把测量用时记录下来，回到室内进行统一整理计算。

2.2 辅助仪器法

激光测距仪的优点是能快速测量0～200 m的平距，森林罗盘仪能够快速的找准8个方位。借助激光测距仪和森林罗盘仪相配合使用可以测量坡度角±45°范围，如图3所示，先量出森林罗盘仪距离地面的高度，而后将激光测距仪放置在森林罗盘支架上，以正北方向为起点顺时针旋转8个方位。通过激光测距仪内置的倾角传感器能够快速的读取50 m处的倾角值，记录在近区地形改正记录表上，并把测量用时记录下来，回到室内进行统一整理计算。

2.3 GNSS测高法

GNSS测高法采用GPS测量中的RTK模式，该方法应用GPS实时动态测量模式(RTK)，精确测量点位高程[2]。首先在测点进行测量，然后对该测点进行放样，通过放样功能对测点8方位的周围50 m处的高程进行测量，如图4所示，记录各个测点的高程值，室内计算出相对测点的高差而后计算近区地形改正值。该方法有一些局限性，首先要有基站，还必须要有电台信号才能正常工作（其他可用CORS站的测量仪），山区一般易有信号遮挡的问题，可以考虑架设中继站解决。

3、试验数据结果对比分析

本次试验在研究区完成了64个地形改正点的测量，质检点8个。通过试验数据分析对比计算地形改正的精度，按12.5%的比例进行重复测量质检地形改正数据，利用均方误差公式计算统计各种方法的地形改正精度，精度对比见表1。从每个点效率及经济成本（人员、仪器）对比见表2。

结合试验数据从精度、效率、经济成本几个方面对三种地形改正方法的优缺点进行统计分析。精度方面：GNSS测高法精度比较高，质检均方误差0.003/10-5m/s2，其次是辅助仪器法精度较适中，质检均方误差为0.006/10-5m/s2，最后是目估地改法精度较低，质检均方误差0.008/10-5m/s2[6]。效率方面是目估地改法效率最高，2 min完成一个地形改正点，其次是辅助仪器法，7 min完成一个地形改正点，最后是GNSS测高法，8 min完成一个地形改正点。经济成本方面是目估地改法经济成本最低，1人加手持罗盘可以完成，其次是辅助仪器法，1人加森林罗盘仪和徕卡测距仪相结合完成，最后是GNSS测高法，2人加RTK同步完成且在没有信号的地方需要架设基站[4]。不同的地形改正方法都有各自的优缺点，在野外实际工作中可根据项目精度要求、人员配置、经费多少等实际情况选择适合的近区地形改方法[3]。

表1 地形改正试验精度对比

表2 三种地形改正方法效率及经济成本统计对比

4、结论

基于选取的64个重力试验点用3种近区地形改正方法进行试验对比，通过对地形改正地改值的试验精度、效率及经济成本方面详细的进行对比分析[8]，得出结论如下：

(1) GNSS测高法精度比较高，但比较费时，平均8 min完成一个地形改正点，经济成本也比较高，需要2人同步完成且在没有信号的地方需要架设基站。

(2）辅助仪器法精度相对适中，平均7 min完成一个地形改正点，经济成本相对适中，需要1人将森林罗盘仪和徕卡测距仪相结合使用完成地形改正。但在植被覆盖严重的丛林中、照射比较强烈的地方及有遮挡的地方会导致反射不回距离的情况发生，遇到此类情况需要估测，但也会比目估法的精度及准确度要高。

(3）目估法相对GNSS测高法和辅助仪器法精度较低一些，但是效率比较高，平均2 min完成一个地形改正点，经济成本也比较低，1人带着手持罗盘就可以完成。

(4）在野外工作中可根据设计精度、人员情况、经济成本、任务要求等实际情况选择近区地形改方法。大比例尺重力调查精度要求高可采用GNSS测高法，对中比例尺重力调查精度要求不是很高的且兼顾效率的情况下可采用辅助仪器法，区域重力调查一般工作量相对较大，在符合精度要求范围内，为了提高效率降低经济成本可采用有经验的地形改正人员进行目估法地形改正。

参考文献:

[1]曾华霖.重力场与重力勘探[M].北京:地质出版社,2005.

[2]DZ/T0082-2021区域重力调查规范[S].

[3]札喜旺登.对重力地形改正工作的一些意见[J].物化探电子计算技术,1983(1):22-29.

[4]冯治汉.区域重力调查中的中区地形改正方法及精度[J].物探与化探,2007(5):455-458.

[5]赵更新.重力勘探中近区地形改正数据测量方法的试验[J].物探与化探,2012(12):952-955.

[6]杨亚斌,韩革命,梁萌.重力近区地形改正精度探讨[J].物探化探计算技术,2011,33(1):92-96,122.

[7]胡明科,江玉乐,李超,等.基于面积分的重力地形改正方法研究及应用[J].物探化探计算技术,2015,37(2):182-186.

[8]杨辉,丁海涛,王宜昌,等.山区重力改正中几个问题的讨论[J].石油地球物理勘探,2000(4):479-486,544.

基金资助:中国地质调查局《武威-银川地区区域地球物理调查》(编号:DD20230255);

文章来源:常金鑫,彭伍胥,王珍等.区域重力调查中近区地形改正方法探究[J].科学技术创新,2024(02):24-27.