用GPS快速靜態方式監測地面位移

張書華，陳洪年，李洪亮

（山東省魯南地質工程勘察院，山東兗州272100）

采礦工程是人類最原始的自然活動之一，地面塌陷是采礦工程所帶來的必然結果。采煤塌陷是最具有代表性的地面塌陷，塌陷程度深淺不一，塌陷面積大小不同，這與煤層埋深大小、煤層厚度、含煤層面積大小均有一定的關系。采煤塌陷對地面建筑物造成的破壞程度也不盡相同，輕則造成建筑物基礎的破壞，墻體開裂；重則引起建筑物的垮塌，造成人民財產的損失，甚至威脅到人民生命安全，必須通過監測以觀察其發展程度、發展速度，以保證人民生命財產的安全，在危險尚未發生時，采取必要的措施，以減少不必要的經濟損失，將危險掌握在可控范圍內。

早期的地面位移監測方法一般是通過測角、測邊等方法，計算出位移量的大小，后來隨著全站儀的發展，精度的提高，一般用高精度的全站儀監測地面小范圍的位移。近年來，隨著GPS（Global Position System）技術的飛速發展，用GPS監測地面位移已成為業界的主流，不過所用的方法一般是靜態監測法，即用GPS監測網通過一系列的解算，求得監測點的位移量。最近，隨著GPS精度的提高，GPS的快速靜態方式也可滿足采煤塌陷地位移監測的精度要求，且方便快速，可實時監測，工作費用也大規模降低。我們在鄒城市太平鎮平陽寺村附近的采煤塌陷地監測過程中就成功運用了該方法，達到了預期效果。

1 工程概況

鄒城市位于山東省西南部，是典型的資源型城市，該市境內煤炭資源豐富,含煤面積357km2,占境域面積的22%,地下煤炭儲量達41×108t,是全國8大煤炭生產基地之一[1]。多年來,煤炭開采在帶動地方經濟快速發展的同時,也帶來了采煤區塌陷等毀壞耕地、破壞生態等人為地質災害方面的問題。

“鄒城市太平采煤區礦山地質環境治理示范工程（一期）監測工程”位于鄒城市西側——太平鎮平陽寺村，處于新濟鄒路與泗河交叉處，新濟鄒路路北，泗河東側，屬兗州煤田范圍。該地區氣候屬暖溫帶，為東亞大陸性季風氣候區，四季分明，降水集中，雨熱同步，冷熱季和干濕季區別明顯。該地區水系屬淮河流域，主要河流有泗河、白馬河，屬季節性間歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含沙量大。監測區域位于兩礦區交叉開采地帶，地下開采巷道較多，開采進度不一，地面沉降情況錯綜復雜。為了全面掌握煤炭開采與地面沉降的關系，指導將來采煤塌陷地的治理工作，經相關專家設計論證，業主單位決定進行為期10年的全面監測，其中沉降監測和位移監測為每季度一次，每年監測4次，共建立位移監測點34個，監測面積為19.4km2。

2 監測方法

2.1 控制點的布設

為滿足位移監測的精度要求，必須建立穩定的控制點作為基礎，以監測地表的位移情況。采煤區的特點就是，采煤掘進區是始終在變化的，而其工業廣場在開采過程中是不會變化的。因此，我們選擇兩煤礦（鮑店煤礦和橫河煤礦）的工業廣場作為基準點的待選區域，另取遠離測區的兩點作為基本控制點，控制點的布設見圖1。根據文獻[2-3]，GPS快速靜態測量的特點是在基準點以內（內含）測得的GPS點比在基準點之外（外延）測得的GPS點精度高，外圍必須有足夠的等級較高的控制點才能保證其內部點的平面位置精度。根據測區和調查取得的實際控制點的情況，我們取鮑店礦、楊村礦、橫河、騎嶺4點作為GPS快速靜態的首級控制點，按殘差最小的原則求取7參數。

圖1 礦山地質環境監測點布設及控制網圖

2.2 地面位移監測點的布設

⑴GPS監測點位選定要求。根據GPS監測的特點，選點時應滿足表1的各項要求。

⑵平面位移監測墩的建立。根據本工程的設計要求，本工程的位移監測點包括兩部分：一部分是監測平面位移的監測點，另一部分是監測治理工程之一——擋墻的監測點。根據《工程測量規范》（GB 50026-2007）要求，本工程水平位移監測采用GPS網的形式。根據本工程的設計要求，GPS監測網應滿足三等水平位移監測基準網的要求，即相鄰基準點的點位中誤差不大于6.0mm。為了提高位移監測點的成果精度，也為了本工程長期監測（監測期為10年）需要，必須制作強制對中觀測墩。根據本項目設計要求，地面位移監測點采用監測區均勻布設的原則，在此原則之下，適當考慮煤炭開采活動的重點區域，適當增加GPS監測點的密度。擋墻監測點的作用就是監測治理工程已建立的擋土墻，視其變化是否超出一定的范圍，主要監測其安全性，次要功能是監測擋墻是否出現整體位移，以判定地下煤炭開采和地面位移的關系。GPS平面位移監測點的布設圖見圖2。

2.3 地面位移監測方法

地面位移監測采用GPS快速靜態1+1的監測方法，即固定一臺GPS作為基準站，另一臺為GPS快速靜態的流動站。所用儀器為美國天寶光譜EPOCH 50 GNSS，精度指標∶碼差分定位測量，水平0.25mm+1ppm；垂直：0.50mm+1ppm。靜態測量及快速靜態測量，平面3mm+0.1ppm，垂直：3.5mm+0.4ppm，動態測量，水平10mm+1ppm，垂直20mm+1ppm。由此看出，天寶光譜EPOCH 50 GNSS的快速靜態方式可以獲得較高的平面位置精度（3mm+0.1ppm）。

為了獲得所需要的地方坐標，作業前必須用已知點求得2種坐標系間的轉換參數，為此，我們搜集了測區附近的所有高等級已知點，并根據實際情況確定其穩定性，最后確定以鮑店礦、橫河、楊村礦、騎嶺4個高等級已知點作為參數轉換的基準點。實際操作時，首先將4個已知點輸入手簿，將GPS基準站架設在距測區最近的鮑店礦已知點上，設置好相應參數，然后依次將流動站架設在其他3個已知點上，按殘差最小的原則求得7參數，啟用7參數，測得4個已知點的精確地方坐標，然后用這4個已知點的精確地方坐標再次擬合坐標參數，啟用坐標參數，測定監測點的精確坐標，精確至0.1mm。

表1 GPS監測點位選定要求

圖2 GPS平面位移監測點布設圖

由于單基準站作業方式要求流動測站在不同的時段至少設站觀測2次，因而其檢測人為操作粗差（如對中與量高的粗差）的能力較強，而雙基準站作業方式由于大部分流動站只設站觀測一次，故其不能檢測出人為的操作粗差[4]，故本項目測量皆選取單基準站作業。

為了精確測得位移監測點的坐標，將基準站架設在預設觀測墩的高層建筑物上，以保證GPS信號的強度與精度。進行快速靜態觀測時，首先在GPS手簿中設置好基準轉換7參數等相關參數，每次作業開始時，將流動站放置在已知點上，以檢驗GPS手簿設置及其功能的正確性。測量過程中，及時觀察GPS手簿中顯示的各項精度指標，包括水平精度和和垂直精度，每點靜態測量的時間在10min以上。為了滿足位移觀測的高精度要求，作業中，采取了2項措施提高GPS快速靜態的水平測量精度：①選擇最有利的觀測時間。快速靜態的測量實踐表明，上午11點之前和下午3點之后，快速靜態測量成果最穩定，測量信號固定也快，故選擇最有利觀測時段進行位移點監測；②為了保證位移監測點的精度和可靠性，位移監測點皆在不同的時段重測一次，2次水平較差控制在5mm之內。

2.4 地面位移的監測結果

（1）GPS監測。按照監測方案設計的總體要求，GPS位移監測每季度一次，每年監測4次，時間分別為3月、6月、9月、12月份，2016年度部分監測點的數據見表2。

表2 2016年度部分GPS位移監測點數據表

2016年度GPS監測點整體位移量較小，有5處監測點位移量大于30mm，占全部監測點的14.28%，其余監測點位移均較小。其中TG-01位移最為明顯，位移量1235.0mm，其次TG-02、TG-09、TG-11、TG-17點位移量均大于30mm，位移較為明顯。點TG-01位于監測區北部鮑店礦內，位移量為1235.0mm，主要位移發生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，主要受采礦作用影響。點TG-02位于監測區北部鮑店礦內，位移量為43mm，主要位移發生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，亦受采礦作用影響。點TG-09、TG-11位于監測區中西部，處在TX1坑東岸，TG-09產生位移量59mm，位移方向南西向，TG-11產生位移量82mm，位移方向南東向。兩點各季度位移量大致相當。TX1、TX2兩處塌陷坑附近的其余監測點位移量均小于30mm，未出現較大位移。點TG-17位于監測區東南部張村，位移量為34mm，位移方向南西向，該點位移量各季度基本相同。

（2）擋墻監測。變形量大的監測點共4個，其中DQ-03、DQ-04位于TX1南岸擋墻中部偏東位置，其中DQ-03豎向位移量為全區最大，達20.2mm，DQ-04水平位移量為全區最大，達41.7mm，DQ-11、DQ-13位于兩塌陷坑聯通處水域沿岸。變形量較大的監測點共9個，普遍分布在監測區已修建擋墻處，變形量一般的監測點共3個，在監測區已修建擋墻處零星分布。

2.5 監測結果的精度評定

為了確保GPS快速靜態測量的準確性，必須非常注意平面測量精度的檢核，每天測量前，先將流動站架設在已知點上進行檢核，作業過程中，每經過已測點或離已知點較近時，皆進行檢核，發現PDOP值較大（≥3）或成果不穩定時，應及時進行重測，發現問題及時糾正，必須確保GPS快速靜態的準確性和可靠性。該測區共有35個平面位移監測點，每點每年監測4次，每次測量獲取相互獨立的2個坐標值，取2個坐標值數的中數作為最終的測量結果，而2個坐標值之差即形成ΔX、ΔY，根據ΔX、ΔY的大小進行精度估算，精度統計結果見表3。

表3 GPS快速靜態測量精度檢核（審核檢測法）

根據每個監測點2次測量較差的比較，按照同精度觀測值2次觀測中誤差的計算公式可計算出GPS快速靜態測量點的平面中誤差ΔX為4.3mm，ΔY為3.9mm，滿足該項目設計要求的不大于6mm，從各位移監測點的移動情況看，符合礦區塌陷地位移的一般規律，這也充分證明了GPS快速靜態測量成果的可靠性。

3 結論

（1）GPS測量作為一種高新技術的空間大地測量方法，已廣泛應用于工程測量的各個方面，但GPS測量受觀測環境、衛星分布及衛星高度角等因素的影響，有時會產生較大的位移，故進行GPS測量必須時刻注意測量成果的檢核，以防止粗差的發生，本項目每次測量皆進行了中間成果的記錄，及時剔除了有可能出現的粗差，確保了測量成果的可靠性。從表1的檢測情況可以看出，GPS快速靜態測量可以滿足滿足本項目設計精度（≤6mm）要求。

（2）用GPS快速靜態測量方式，大大提高了工作效率。以往用全站儀測量要進行測角、測邊、平差計算，測量一次內外業所花費時間往往要花費10多天時間，而采用GPS快速靜態一次測量所花費時間為1～2d，縮短了野外作業時間，滿足了監測工作需要的快速要求，在很大程度上減輕了野外工作量，為其他監測項目的實施騰出了寶貴的時間。