GPS技術在礦區動態監測中的應用與數據處理研究

郝蘭朋

（甘肅煤田地質局一四六隊，甘肅 平涼 744000）

礦區工程建設中，為避免開采區地表移動引起地表沉陷或邊坡滑坡現象，監測人員需在礦區設置一定數量變形監測點，進行長期動態監測。礦區地表的變形是由自身地質構造因素以及人類活動、氣候變化等外部因素綜合作用的結果，具備緩慢變形且有規律性的特點，之后經歷加速變形直到變形被破壞，變形是呈動態特性的，因此在礦區建設監測的過程中，動態監測十分有必要，其礦區的地表變化具備連續性以及突變特征。因此在進行動態監測時，其變形數據處理要求前后一致，而傳統數據處理方法通常采用多元回歸分析法或時間序列分析法進行變形分析，監測人員采用分離式的數據處理方法，致使動態監測產生誤差從而引起變形分析錯誤。GPS技術在進行礦區變形測量時，其監測的基準線的定位精度可達到毫米的級別，不僅能為礦區工程施工等工作提供高精度的測量數據支持，保障礦區工程的順利進行，更能對礦區地表沉降變形進行時時動態監測，保持礦區地表安全。本文即對GPS技術在礦區動態監測中的應用與數據處理進行了分析研究。

1 GPS技術數據處理方法分析

1.1 GPS監測網采集數據

利用GPS技術進行礦區動態監測時，直接使用GPS定位技術對地表監測點及礦區工程建設的監測點進行位置測量，從而判斷其是否產生位移變形。GPS動態監測網具有周期性進行重復觀測的特點，對各期觀測數據進行處理時具備統一的基準，其具體基準內容包括了監測網的位置、尺度以及方位等[1]。GPS動態監測網中布設有固定不變的基準點，監測人員根據其監測網的參考系，對位置基準、方位基準以及尺度基準進行布設，具體數量為三個位置基準、三個方位基準以及一個尺度基準。由于GPS技術的準動態測量較多，因此對礦區進行動態監測時，監測人員需要在每一個測站上安裝一臺GPS接收機，從而根據對衛星的連續追蹤實現連續數據采集。

利用GPS動態監測網進行礦區數據采集時，充分利用GPS時時監測技術實現全方位自體化的動態監測，監測人員使用接收機對礦區監測點進行連續觀測并記錄相關數據。在數據采集時，要采用相同的基準，利用隨機軟件解算出觀測點的位置和位移變化，因為不同的動態監測網設置基準不同，其計算的變形點位移量也不同，監測人員要通過隨機軟件傳輸到計算機對采集數據進行整理，并對記錄數據進行預處理，包括GPS基線向量網平差、GPS網與地面網聯合平差等。除此之外，監測人員要對GPS動態監測網進行穩定性檢驗，利用平均間隙法檢測GPS動態監測網幾何圖形的一致性[2]。設參考點位移向量為d，協因數陣為Qd，fd為獨立的d個數，則間隙d的一方差估值的計算公式為：

平差過程采用專用平差軟件來完成，布設GPS動態監測參考點時，監測人員要保證監測網中一部分監測點相對于另外一部分監測點的穩定，以此確定出監測點相對應的平差方法和參考基準。監測人員要保證觀測點的穩定性，布設監測網時，要考慮同時選擇幾個遠離變形體的點作為穩定基準點，處理各項觀察數據時，要保證監測點共同組成的動態監測網的穩定性。即通過（1）中的單位權方差進行檢驗通過，設兩期多余觀測數之和為f，從而求得一綜合方差估值，其計算公式為：

當T≥0時，則表明該監測網存在顯著變形。監測人員在對各期觀測數據進行處理時，要應用普遍的監測網布設方式和基準選擇，以穩定不變的基準點作為參考基準，使用固定基準點分析其他各點的變形情況，從而對礦區的變形數據進行一致性采集，為后期GPS動態監測網對礦區監測點位移變量的系統性分析提供數據基礎。

1.2 GPS動態監測基線解算

利用GPS動態監測網直接對礦區監測點進行動態監測，對監測網的各期觀測數據進行平差計算，采用經典自由網平差方法，解算其GPS動態監測基線，用相對定位方法確定監測點與基準點間相對位置關系。GPS動態監測網對礦區工程進行動態監測時，利用載波相位值進行單點定位，監測人員通過計算獲取相對精度的坐標數據，確保相互關聯的坐標點準確無誤，然后對觀測值進行求差，從而得出工程測量坐標系的坐標值，監測人員在解算坐標時，要合理轉換監測點坐標與工程測量坐標系之間的轉換參數，利用求差后的差分觀測值進行相對定位。設GPS監測衛星為Sk，測站之間的基線坐標為b，測站至Sk之間的相對距離為，衛星位置為k，的單位向量為，則基線的單位坐標的計算公式為：

當監測人員對轉換坐標無法進行確定時，則在相對定位中用雙差觀測值求解基線。其監測基線的位置向量需要通過換算計算獲得坐標，通過GPS衛星定位進行載波相位定位測量，為保證其坐標的精準度，當坐標的轉換參數范圍較大時，監測人員要保證其動態測量的精準度，這就需要使用較多的已知點數據，進而快速獲得所需要坐標。并且在進行相位定位測量時，還要保證控制網測量的精度，監測人員針對獲得的GPS測量值，要對全部的獨立基線觀測數據進行無約束平差處理，從而在相應的坐標系中對GPS動態監測進行量測分析。即由的關系式，設基線載波相對定位為j，則監測數據相對衛星Sj的解算公式為：

對GPS動態監測基線進行解算后，整理基線監測數據，并結合相關數據處理軟件進行數據解算處理，在保證GPS動態監測網的內部精度符合GPS測量要求的基礎上，進行求解GPS動態監測網中相應坐標系的三維坐標，監測人員根據三維坐標計算出監測點的空間坐標。當GPS動態監測精度較好時，其位置變形的平面監測精度可以達到毫米級別，并且在礦區工程變形測量中，隨著監測獲取的數據量的遞增使得GPS動態監測數據精度越來越高，監測人員能夠獲得與工程實際情況非常貼近的曲線圖，從而完成對礦區的動態監測。至此完成了GPS技術在礦區動態監測中數據處理方法的分析設計。

2 實驗論證分析

為保證本文提出的數據處理方法的有效性，與傳統數據處理方法進行了對比實驗，傳統方法即分期單獨平差，對平差結果數據進行逐期對比分析，從而求得監測點的三維位移變化量。監測實驗對某礦區采空區進行動態監測，礦區地層中基巖隱伏于新生界松散層之下，動態監測方法采用周期性重復測量模式，測區共布設3個基準點，其基準點之間最遠距離為2公里，布設10個監測點，其監測點之間平均距離為500m。

由于本監測實驗中要進行動態監測的范圍較大，監測點之間的GPS基線距離較長，常規GPS基線處理軟件會帶來一定誤差，本次基線數據處理采用南方測繪GPS數據處理軟件，生成符合GPS變形監測數據處理與管理系統（EasyGPSDMS）格式的數據文件，從而提供明確的動態監測數據處理信息。本實驗項目共進行10組試驗，對礦區采空區監測點的位移變化進行實時監測，并記錄兩種數據處理方法下的數據點位與大地坐標的互差距離，其實驗結果曲線如圖所示：

圖1 實驗論證結果對比圖

通過上圖記錄數據，可以計算出10組實驗中兩種不同數據數理方法的平均互差距離，傳統方法平均互差距離為7.2cm，本文方法平均互差距離為4.8cm，相比傳統數據處理方法，數據點位與大地坐標的互差距離縮短了2.4cm，驗證了本文數據處理方法在礦區動態監測中縮短互差距離的有效性。

3 結語

GPS技術在礦區動態監測領域受到廣泛應用，本文通過某露天礦采空區的對比實驗，驗證了設計方法的有效性。但本文在細節上還存在不足，其GPS監測網的網型優化對數據質量有較大影響，本文在此部分未做深入，希望在今后的研究中將其完善。