GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動觀測中的應(yīng)用

王進(jìn) 楊增平

摘 要：本文主要對GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動觀測方面可開展的工作進(jìn)行詳細(xì)闡述，并且對如何處理獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，論證了GPS技術(shù)應(yīng)用于觀測礦區(qū)地表移動、沉降的可行性。礦區(qū)地表GPS移動監(jiān)測網(wǎng)的建立能為后期建立整個礦區(qū)的GPS地表觀測網(wǎng)奠定相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；礦區(qū)；移動觀測

中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0092-03

Application of GPS Technology in Observation of

Surface Movement in Mining Area

WANG Jin1 YANG Zengping2

（1.Chenghe Mining Company，Weinan Shaanxi 715200；2.Chenghe Mining Company Dong Mine Branch， Weinan Shaanxi 715200）

Abstract： This paper mainly expounded the work that can be carried out by GPS technology in the observation of surface movement in mining area， and analyzed how to process the data obtained， demonstrated the feasibility of applying GPS technology to the observation of surface movement and subsidence after mining. The establishment of the surface GPS mobile monitoring network in the mining area could lay the corresponding technical foundation for the later establishment of the whole GPS surface observation network in the mining area.

Keywords： GPS technology；mining area；mobile observation

1 GPS應(yīng)用于煤礦地表移動觀測中的優(yōu)勢

GPS技術(shù)能對物體進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便測量人員進(jìn)行作業(yè)，其在煤礦地表移動觀測中具有極強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

1.1 可操作性強(qiáng)

渭北澄合礦區(qū)地表環(huán)境復(fù)雜，黃土沖溝發(fā)育，外業(yè)觀測作業(yè)極為困難。但是，GPS技術(shù)只要滿足其電磁波條件就可以進(jìn)行作業(yè)，可見，GPS技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境礦區(qū)受到的限制條件較少，對工作環(huán)境及氣候的適應(yīng)性較強(qiáng)。因此，在復(fù)雜多變的礦區(qū)環(huán)境中應(yīng)用GPS技術(shù)能起到較大作用，能極大提高整個礦區(qū)的安全[1]。

1.2 測量效率較高

雖然礦區(qū)地形條件較為復(fù)雜，但是GPS技術(shù)能一次性測量10km以內(nèi)的定點(diǎn)作業(yè)，因此GPS技術(shù)能有效降低測量人員的勞動強(qiáng)度，并且使礦區(qū)測繪工作效果得到極大提升。GPS技術(shù)也能減少人員測量時移動的頻率，在一個定點(diǎn)區(qū)域就可以達(dá)到較大的測量范圍，大大提高工作效率。

1.3 實(shí)現(xiàn)信息的自動化及集成化

GPS技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信息的自動化及集成化，因此測量技術(shù)人員可以將其測繪得到的坐標(biāo)進(jìn)行直接繪制，不需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，提高了測量精度。由此，GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動連續(xù)觀測中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

1.4 定位功能較高

只要保障GPS儀器設(shè)備的基本操作環(huán)境，那么其就能對方圓10km之內(nèi)所有平面進(jìn)行平面定位，且誤差精度極小。此外，GPS技術(shù)在礦區(qū)內(nèi)攜帶也十分方便，可操作性很強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理也展現(xiàn)出極大的智能性。

2 GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動觀測中的理論應(yīng)用

2.1 選擇合適的坐標(biāo)系

在進(jìn)行礦區(qū)地表移動觀測時，一定要選擇好坐標(biāo)，這樣才能確定位移的相關(guān)參數(shù)變化。可以利用GPS技術(shù)直接定點(diǎn)，然后再與地表位移的坐標(biāo)進(jìn)行對比，這樣就能確定地表位移的相關(guān)參數(shù)。相關(guān)坐標(biāo)不能直接轉(zhuǎn)化，因?yàn)榫葻o法達(dá)到要求。因此，在實(shí)際觀察中，需要和精度較高的地表位移進(jìn)行比較，這樣才能有效降低測量誤差，提高測量精度性。

2.2 基準(zhǔn)不自檢的要求

為了準(zhǔn)確測量地表移動量，必須要設(shè)置合理的基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測點(diǎn)。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和觀察點(diǎn)需要滿足以下幾方面的要求：第一，基準(zhǔn)點(diǎn)距離定位觀測點(diǎn)距離要適中；第二，基準(zhǔn)點(diǎn)必須確立在穩(wěn)定地表區(qū)，這樣才能真實(shí)反映其位移情況；第三，礦區(qū)選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)周圍不能有較高的建筑物，否則會降低測量精度；第四，設(shè)置強(qiáng)制歸心的標(biāo)志；第五，測量周圍不能有強(qiáng)電磁物質(zhì)干擾[3]。

3 GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動連續(xù)觀測中的實(shí)際應(yīng)用

為了取得開采時地表位移的相關(guān)數(shù)據(jù)，渭北澄合礦區(qū)利用GPS技術(shù)在開采工作面上部建立比較具有代表性的觀測點(diǎn)，以進(jìn)行連續(xù)觀測，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于探究地表沉降時間與空間的關(guān)系，利用數(shù)據(jù)關(guān)系來確定整個開采面上部地表變形及位移的相關(guān)特征。

傳統(tǒng)的測量方法是利用經(jīng)緯儀對觀測點(diǎn)之間的水平距離及高程進(jìn)行測量，但其工作效率較低，測量人員工作量較大，并且在復(fù)雜多變的礦區(qū)具有一定的限制條件。GPS定位技術(shù)測網(wǎng)周期較短，并且具有集中化及自動化的特點(diǎn)，能使得測量點(diǎn)之間保持通視條件，并且在惡劣環(huán)境下也能保持全天候的觀測，也能實(shí)行三維定點(diǎn)測量操作。因此，利用GPS技術(shù)對煤礦礦區(qū)地表位移進(jìn)行有效監(jiān)測，形成監(jiān)測網(wǎng)，直接確定該煤礦的位移形變，為后期煤礦工程建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

3.1 監(jiān)測網(wǎng)的建立

3.1.1 坐標(biāo)網(wǎng)的選擇。GPS技術(shù)所得到的測量點(diǎn)的坐標(biāo)屬于WGS-84全球協(xié)議地心坐標(biāo)系統(tǒng)，能用精度較高的地表位移及變形觀測，這種觀測技術(shù)能利用相鄰兩次觀測點(diǎn)相較WGS-84坐標(biāo)之間的差值定位其相關(guān)參數(shù)當(dāng)量。如果將用GPS技術(shù)測得的坐標(biāo)與其他方法得到的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必然會帶來極大的誤差，降低測量精度。因此，在礦區(qū)地表移動連續(xù)觀測中，其觀測網(wǎng)的建立需要采用基于WGS-84的高斯平面直角坐標(biāo)系系統(tǒng)，并且對同一觀測區(qū)在高程上采用GPS大地測量高差。

3.1.2 基準(zhǔn)觀測點(diǎn)的設(shè)置要求。該煤礦的生產(chǎn)作業(yè)面為近井點(diǎn)工作面，工作面的近井點(diǎn)位置位于礦區(qū)辦公樓的樓頂，距離首采工作面的上部地表約1 000m。為了方便對問題進(jìn)行闡述，首先建立相應(yīng)的GPS連續(xù)地表觀測，模型構(gòu)造如圖1所示。

在圖1中，移動連續(xù)觀測網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)采用的是礦區(qū)近井點(diǎn)，并且進(jìn)行分別編號，分別作為基1標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，基2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)及基3標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。這些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)均位于該礦區(qū)辦公樓的頂部。測量技術(shù)人員還要將基1標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)與基2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為主要的基準(zhǔn)點(diǎn)，將基3基準(zhǔn)點(diǎn)作為附屬的移動觀測標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。在移動觀測建立的GPS監(jiān)測網(wǎng)模型中，點(diǎn)1、點(diǎn)2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)是在整個監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)部移動的觀測區(qū)所設(shè)置的能夠代表礦區(qū)特點(diǎn)的代表性觀測點(diǎn)。根據(jù)3個基本點(diǎn)的位置及2個代表觀測點(diǎn)的位置建立該觀測點(diǎn)的礦區(qū)地表位移及其他形變的觀測網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置的基準(zhǔn)觀測點(diǎn)和其他基準(zhǔn)點(diǎn)的位置應(yīng)該滿足GPS技術(shù)的基本要求。第一，3個基準(zhǔn)點(diǎn)位置應(yīng)與位移觀測區(qū)保持一定的距離，但距離不能過遠(yuǎn)，使地表位移觀測區(qū)最遠(yuǎn)的位置也在GPS有效測量范圍之內(nèi)。在進(jìn)行該礦井的地表連續(xù)測量過程中，選用近井點(diǎn)作為基準(zhǔn)觀測點(diǎn)，距離整個觀測區(qū)的區(qū)域距離約為2 000m，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。第二，在選擇基準(zhǔn)點(diǎn)的位置時，基準(zhǔn)點(diǎn)選在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的礦區(qū)巖石上，這樣能防止測量儀器遭到不穩(wěn)定的破壞，有效反映實(shí)際發(fā)生的相對位移及地形的相對形變，測量的固定性可以使測量儀器與周圍地面緊密連接。所測量煤礦的近井點(diǎn)位于辦公樓內(nèi)，并且為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對來說比較穩(wěn)定，該建筑物采用混凝土與整個樓頂進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造性上滿足實(shí)際測量的需求。第三，基準(zhǔn)點(diǎn)不能有高度角超10°的障礙物；第四，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置強(qiáng)制歸心標(biāo)志；第五，基準(zhǔn)點(diǎn)周圍不能有強(qiáng)電磁干擾物質(zhì)或者是具有其他GPS信號的反射體，以免對基準(zhǔn)點(diǎn)的信息接收造成干擾。在地表移動的觀測區(qū)，觀測點(diǎn)需要滿足以下要求：第一，能全面反映地表的位移及變形情況，觀測點(diǎn)分布要均勻，要具有代表性，能代表整個區(qū)域的變化特征；第二，觀測點(diǎn)要設(shè)置強(qiáng)制的歸心標(biāo)準(zhǔn)；第三，觀測點(diǎn)能接收到完整的GPS信號。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在實(shí)際定位礦區(qū)測量過程中，需要配備3臺GPS定位系統(tǒng)。同時，GPS定位系統(tǒng)選擇靜態(tài)測量模式，分別為A、B、C三機(jī)。GPS接收機(jī)的天線中心要足夠穩(wěn)定，對GPS接收機(jī)進(jìn)行相位中心及穩(wěn)定性檢測。此外，GPS接收機(jī)要卸掉基座進(jìn)行強(qiáng)制歸心。

為了在測量中得到精度較高的垂直方向的沉降量，GPS接收機(jī)的天線可采用同等規(guī)格的連接螺桿與觀測螺桿進(jìn)行連接，這樣才能減小由于天線高度而產(chǎn)生的測量誤差，減小對沉降高度垂直方向的數(shù)據(jù)影響。

3.3 監(jiān)測整個過程

由于GPS地表位移連續(xù)監(jiān)測過程基本相同，因此這里只介紹第一次進(jìn)行觀測的整個過程。首先，要保證主機(jī)準(zhǔn)點(diǎn)的相對穩(wěn)定。分別將3臺GPS信號接收機(jī)定位于基準(zhǔn)點(diǎn)上。其次，進(jìn)行相對狀態(tài)的定位靜態(tài)測量，靜態(tài)測量的時間為2h，以獲得3個基準(zhǔn)點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)系及大地直角坐標(biāo)系。最后，測量人員對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，以此來推斷數(shù)據(jù)是否具有相對的穩(wěn)定性。只有確認(rèn)主機(jī)具有相對穩(wěn)定性，才能繼續(xù)進(jìn)行礦區(qū)地表移動的連續(xù)觀測，如果認(rèn)為不具有穩(wěn)定性，應(yīng)該對主機(jī)內(nèi)的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行有效修正。

在觀測點(diǎn)進(jìn)行測量時，需要將A與B接收機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制歸心，同時，將C信號接收機(jī)安裝于垂直桿之上，將觀測點(diǎn)進(jìn)行流動定向，并進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。然后設(shè)置基1（X1，Y1，Z1）、基2的三維坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），并且通過已知基1及基2的坐標(biāo)能得到觀測點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)為（Xn，Yn，Zn）。同時，測量技術(shù)人員能計(jì)算出觀測點(diǎn)的坐標(biāo)變化，結(jié)合實(shí)際煤礦作業(yè)面的范圍及采掘的實(shí)際位置和采集時間關(guān)系，制作相應(yīng)的影響關(guān)系曲線，利用影響關(guān)系曲線就能判斷出在實(shí)際采掘過程中，整個地表工作面受到采掘影響范圍所發(fā)生的地表位移的變化/地表的沉降變化以及地表變形的原因，從而為制定相對應(yīng)的解決措施提供依據(jù)。

4 GPS數(shù)據(jù)處理工作

在首次測量任務(wù)結(jié)束之后，應(yīng)該對所獲得的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。進(jìn)行質(zhì)量分析的方法是基線解算。基線解算需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效剔除，數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)小于2%。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算之后，需要對整個外業(yè)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，目的主要有兩個：第一，進(jìn)行閉合差的檢驗(yàn)；第二，進(jìn)行復(fù)測基線，剔除較差的數(shù)據(jù)。

GPS網(wǎng)平差時，需要根據(jù)實(shí)際測量中固定條件的不同選擇不同的平差方法。平差方法主要分為2種，即最小約束平差和約束平差。最小約束平差采用固定網(wǎng)絡(luò)中的一點(diǎn)加以平差，利用這點(diǎn)的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)整個地表移動監(jiān)測網(wǎng)的實(shí)際質(zhì)量；約束平差法要先選用實(shí)際的固定位置，然后對該固定位置賦予相應(yīng)的加權(quán)之后進(jìn)行后期平差。平差作業(yè)能有效控制觀測點(diǎn)的方向和位置，能在滿足條件的情況下盡可能減少固定的點(diǎn)位，能降低固定點(diǎn)位誤差對整個工程測量帶來的消極影響。同時，工程技術(shù)測量人員需要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及此次測量所得到的解算結(jié)果，利用數(shù)據(jù)確定在定位過程中精度較高的三維空間形變，提高整個空間變形監(jiān)測的精度，其平面位移的監(jiān)測精度應(yīng)達(dá)到±1mm，同時，垂直方向的監(jiān)測精度應(yīng)該達(dá)到±1mm，這樣才能充分滿足渭北澄合礦區(qū)首采作業(yè)面進(jìn)行地表位移觀測及沉降觀測的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語

在礦區(qū)地表移動連續(xù)觀測中，由于GPS定位技術(shù)受周圍環(huán)境影響較小，通視條件的距離限制較小，加之自身具備自動化及智能測量工作模式，在地表位移變形以及沉降的觀測中得到了廣泛應(yīng)用。借助GPS觀測網(wǎng)絡(luò)對礦區(qū)的地表移動連續(xù)觀測，與傳統(tǒng)觀測方法相比，GPS定位觀測技術(shù)能大大提高測繪人員的工作效率，解放測繪人員的勞動。GPS定位觀測技術(shù)所得到的地表移動數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)觀測方法所得數(shù)據(jù)符合程度較高，其精度也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，在實(shí)際礦區(qū)地表移動連續(xù)觀測中，其能代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法進(jìn)行測量。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭文兵，黃成飛，陳俊杰.厚煤層綜放開采地表下沉速度觀測研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（4）：114-117.

[2]吳立新，高均海，葛大慶，等.工礦區(qū)地表沉陷D-InSAR監(jiān)測試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005（8）：778-782.

[3]劉曉菲，鄧喀中，范洪冬，等.D-InSAR監(jiān)測老采空區(qū)殘余變形的試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報，2014（3）：467-472.