煤矸石山治理中RTK聯合免棱鏡全站儀的測圖實踐

陳勝華，梁 爽

(1.太原理工大學陽泉學院，山西 陽泉 045000；2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

煤矸石是采煤過程中排出的固體廢棄物，是我國目前存量最大的工業固體廢棄物，目前最主要的排放方式是露天堆積。由于組成物質具有特殊的物理與化學性質，大量露天堆放的煤矸石經長期風化、淋溶、氧化自燃等物理化學作用，對煤礦區以及周邊環境造成嚴重的生態破壞和環境污染，因而導致諸多社會問題和環境問題，如因氧化與自燃對礦區土壤及水環境造成的酸性污染與重金屬污染，嚴重性不容忽視，亟待進行研究并采取措施進行控制。

在對煤矸石山進行綜合治理過程中，地形圖是規劃設計及工程量計算所必需的基礎資料，能否快速獲得具有良好現勢性的地形圖，直接影響煤矸石山綜合治理的順利實施。煤矸石山屬人工堆墊，區域地貌往往較為復雜，如坡度陡峭、矸石疏松等，傳統的測圖方法難以進行，且測量速度慢，費工費時。RTK實時動態測量技術不需布設加密控制網，定位速度快、精度高，在地形較為陡峭、難以立桿施測地區，可采用與免棱鏡全站儀聯合施測的方法，輔助快速采集碎部點。本文在北京市門頭溝區龍泉鎮煤矸石山采用RTK與免棱鏡全站儀聯合的測圖方法，實踐表明該方法可靠易行，并進一步總結了煤矸石山測量的特殊性及對策。

1 項目區概況

項目區位于北京市門頭溝區的龍泉鎮境內，屬采煤礦業廢棄地，為原京西局城子礦煤矸石堆積場(停止排矸迄今約20年)，自上而下的排矸方式形成椎形山體，屬典型的“人工地貌”，占地面積約6.09hm2，無自燃現象。如圖1所示，項目區煤矸石基本裸露，大部分區域寸草不生，錐形山體西側和北側人工挖掘并有自然冒落痕跡，形成坡度大于45°，松軟極不穩定；山體東側及南側可見野生植被，喬木以臭椿為主，偶有洋槐，草本以禾本科為主，但植被覆蓋密度小，生長凌亂，品種單一，喬木間距大，不利保持水土和環境保護；山的中下坡及山谷幾乎無植被，堆積矸石粒徑較大，難以在短期內自行粉碎風化，因此空隙大，持水性差。另外，裸露矸石與周圍綠色植被和美麗的自然景觀形成鮮明對比，并導致當地土壤質量下降、生物多樣性減少和生態系統失調，危害當地生態環境和社會環境，嚴重影響龍泉鎮乃至全區的人居生活及旅游業的發展。為了適應北京市生態保護區的建設和鎮的經濟發展的主導思想，擬將該煤矸石山及其周邊的空地進行植被恢復，加快自然植被恢復的速度，實施矸石山綠化工程。如何針對煤矸石山的特殊地形，快速提供真實可靠的地形數據，便成為測量工作的關鍵。

圖1 龍泉鎮煤矸石山

2 RTK相對測量原理與可行性分析

所謂RTK(實時動態定位技術)測量技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分技術，RTK定位是通過基準站接收機實時地把觀測數據(如偽距或相位觀測值)及已知數據(如基準站點坐標)實時傳輸給流動站接收機，流動站快速求解整周模糊度，在觀測到4顆以上衛星后，可以實時地求解出厘米級的流動站動態位置坐標。應用RTK技術測量，原則上需要在測區周圍有至少兩個已知控制點作為檢核，即先在一已知控制點上架設基準站，然后用移動站在另一已知控制點進行檢核，檢查合格后就可以進行施測。

本項目區面積大約6.09hm2，位于地理位置相對偏遠的廢棄礦區，周圍主要是山地，地形起伏，通常這里干擾衛星信號的因素少，能夠接收到的衛星數量多，較之傳統的測量方法，RTK技術具有明顯的優勢，可以快速采集項目區內碎部點，對于局部陡峭地方無法立桿采點區域，使用全站儀快速補充采點，最終順利完成項目區內數據采集任務。其次，對項目區采集地形數據主要是為矸石山綠化工程計算工程量服務，故最終地形數據只要保證相對位置數量正確無誤即可，所以采用流動站測得的WGS-84坐標作為擬適用的坐標系統，在缺少已知控制點的情況下，解決相對定位問題是可行的。

3 煤矸石山地形數據采集

3.1 RTK基準站架設

經過在項目區范圍內實地踏勘，決定將基準站架設在矸石山旁邊公路旁相對較高的位置，視野較開闊，遠離大功率無線電發射源諸如電臺、微波站以及高壓輸電線路。根據所適用的南方天王星9800GPS電臺的功率及覆蓋能力，在此位置選取WGS-84坐標系統下的已知點(假設高程值為200，這樣保證整個施測區域高程值為正)作為基準站，不僅可以很好的安置儀器設備，又可以獲取最佳的數據通訊有效半徑。

完成好GPS接收機以及相關數據線的連接后，開啟GPS電源等待搜索衛星信號，待接受衛星信號達到5顆及以上時，即可開通電臺，待電臺信號指示燈穩定后，即可使用流動站開始碎部點采集。

3.2 測量工作要點

流動站數據線連接好后，打開電源和手簿電源，等待接收衛星信號，當衛星信號達到5顆及以上時，在手簿上設置好工程、文件，當狀態為固定解時，便可以適用流動站開始采集數據點，坐標點隨即便存入手簿中。

煤矸石山綠化工程是對煤矸石山進行植被恢復和生態重建的土地復墾工作，是一個復雜的系統工程，所以前期地形資料的提供不僅僅是簡單的地形數據，更有許多反映煤矸石山上實地情況的實時數據需要了解，以下對此次測量工作要點做簡要說明：

1) 根據復墾區域實際情況，煤矸石山復墾綠化工程規劃設計需要較為詳細的地形資料，按照需要，地形圖施測比例尺為1∶500。

2) 煤矸石山綠化工程主要任務是對整座矸石山進行植被恢復，并構建一個多元的生態系統。在煤矸石山復墾整形時，對于植被恢復或土壤風化較好的地方，應盡量保持地表不動，所以在矸石山體上采集碎部點應對以下區域著重進行：山體上局部地區的小平臺；一些灌木、喬木(如臭椿，洋槐)長勢比較好的區域，分為疏林和密林地兩類(對個別長勢尤其好的樹木要采集坐標)；山體上局部風化比較好的草地；大片在復墾時需要進行客土的礫石地等。

3) 對于三級平臺區域，要適時采集相當數量的高程點，以便形成真實的等高線圖，便于施工設計計算土方量。

4) 以上各項工作在用流動站采集數據點的時候，主要是對其邊界特征碎部點進行數據采集，另外由于山體復雜，另需一人實時記錄草圖。全部數據采集完成后，還需在內業成圖工作中體現出來。

3.3 數據存儲

索佳SET系列免棱鏡全站儀一人照準即可操作，方便快捷，在北坡陡面按縱列順序均勻采集數據點，所采集坐標最后成圖時按表1格式保存。

表1 陡坡補測點格式存儲

3.4 精度分析

項目區快速點位采集誤差主要來自于三個方面：已知控制點誤差，RTK測量誤差，全站儀測量誤差。本次測量保證采集碎部點相對位置正確無誤，故只考慮RTK測量誤差和全站儀測量誤差。

1) RTK測量誤差

RTK測量誤差一是和儀器以及干擾有關的誤差，包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素；二是與距離有關的誤差，包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。

對固定基站而言，和儀器以及干擾有關的誤差可通過各種校正方法予以削弱，與距離有關的誤差將隨移動站至基站的距離的增加而加大，所以RTK作業時，半徑不宜過長(3km以內)。

在流動站采集完數據以后，為了進行數據的可靠性檢核，從所測數據中抽取30組數值，用全站儀進行復測比較。實驗結果表明，在3km半徑范圍內，南方測繪公司RTK采集碎部點數據與索佳SET系列全站儀所測數據比較得出，差值最小為4mm，最大為20mm，高程值最大為27mm。這種點位坐標誤差完全符合綠化工程要求，不影響土方量計算可靠性。

2) 全站儀測量誤差全站儀測量誤差主要有儀器誤差、外界條件影響和觀測誤差三部分，直接誤差來自于對中、照準、測角和量邊，假設其函數關系為：

根據誤差傳播定律，對上式兩邊取全微分，得：

所以有

式中,mA、mD、mα、md、mx分別為測站點誤差、量邊誤差、測角誤差、對中誤差和照準誤差，D為邊長。本次測量所使用的索佳SET系列全站儀測角部精度為2″，測距部精度為±(4+3×10-6×D)mm，式中其他數值在測區1km范圍內分別取±2.0cm、±0.2cm、±0.2cm、±1.0cm，其中mα=±2″，計算得到點位誤差為±2.1cm。

4 內業數據成圖

外業數據采集完畢后，將外業測量儀器采集數據用數據線導入計算機，并以固定格式保存為.dat文件(固定格式見表1)，然后利用南方測繪成圖軟件CASS7.0展繪野外高程點，而后分別生成DTM和三維模擬圖像，和實地照片比對，逼真程度較高，較好地復原了項目區矸石山實際地形，如圖2、圖3。

完成以上工作開始繪制地形圖，根據矸石山綠化工程需要，在成圖時，將治理過程中可能需要保留或整形的局部區域專門標注繪制出來，最終根據矸石山綠化工程的需要得到最終的地形圖，資料如圖4。

圖3 野外高程點生成的DTM

5 結束語

1) 針對項目區實際情況，選取了快速采集數據的測繪方法及儀器，實踐證明，RTK和全站儀聯合測圖適用于煤矸石山特殊地形。

2) 總結了矸石山綠化工程野外測量數據采集需要注意的特點，即根據矸石山植被現狀及地形特征進行選擇性加密采集數據(如植被恢復或土壤風化較好的地方)，以保證為煤矸石山生態恢復的治理過程提供可參考的基礎性資料。

圖4 項目區矸石山最終地形圖

3) 在項目區煤矸石山陡坡或存在很多人工無法立桿設點的斷裂面和坡度較大的陡峭地域( 我們稱之為難及區域),使用免棱鏡全站儀進行直接照準觀測，經過精度分析符合作業要求。

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