史少卿
（山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院有限公司，山西 晉中 030600）
地質(zhì)災(zāi)害的破壞性大，嚴重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全。因此，如何有效地開展地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治是必要的。在地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治中，GPS-RTK 技術(shù)在測量效率、測量精度、人力物力消耗等方面均具備顯著優(yōu)勢[1]，存在數(shù)據(jù)準確度高、操作簡便、自動化程度高等特點。為此，本文對GPS-RTK 技術(shù)在地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治的應(yīng)用展開探討，旨在為更加有效的監(jiān)測地表形變和防治地質(zhì)災(zāi)害提供參考。
地質(zhì)災(zāi)害點大多出現(xiàn)在地形陡峭的山區(qū)，主要具有以下特點：一是海拔高，高差較大，溝體窄長，通視效果差，測區(qū)面積往往小，且大多具有不規(guī)則外觀；
二是在滑坡發(fā)生點，主滑方向甚至約等于90°，堆積體不僅陡立，而且碎滑，給人員攀登造成了極大不便；
三是滑坡體后緣常見裂縫，且呈無規(guī)則分布。
GPS-RTK 技術(shù)，即實時動態(tài)定位技術(shù)，是一種基于載波相位觀測值的高新技術(shù)，可對厘米級的點予以準確定位，并實時提供其三維坐標。近年來，由于采用GPS-RTK 技術(shù)進行定位具有全天候、全覆蓋、高效率等特點，因此已成為地表形變監(jiān)測中極為重要的測量手段，其在形變監(jiān)測中的測量精度已達到亞毫米級。不但定位精度高、可靠性好、布網(wǎng)靈活，還能精確地確定對流層、電離層參數(shù)，不受通視條件的限制，因此在地表形變觀測等方面得到了應(yīng)用。同時，由于GPS-RTK 測量能夠選擇測量頻率，其在時間域上的分辨率能達到分鐘級甚至幾十秒級。當(dāng)前，許多國家都建立了自己的連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)，用以連續(xù)動態(tài)監(jiān)測地表形變。地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治中GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟[2]。
GPS-RTK 技術(shù)監(jiān)測是經(jīng)過在礦區(qū)建立地表形變監(jiān)測網(wǎng)，在變形體上選擇具有代表性的監(jiān)測點進行多期觀測，獲得數(shù)據(jù)后對變形體上監(jiān)測點的位移進行綜合分析，在具有足夠精度的前提下精確地推斷整個變形體的變形特征，其目的是要獲得變形體的空間狀態(tài)和時間狀態(tài)，以分析變形產(chǎn)生的原因，從而達到礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的目的[3]。具體應(yīng)用方法可概括為7 個方面，包括基準站選取、參數(shù)轉(zhuǎn)換、觀測時間選取、構(gòu)建礦區(qū)控制網(wǎng)、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)解算、地面形變測量、礦區(qū)工程測量，這類應(yīng)用需要嚴格把握細節(jié)及關(guān)鍵點，以此保證礦山測量精度和效率達到預(yù)期。
1.1 基準站選取
為保證GPS-RTK 技術(shù)應(yīng)用取得預(yù)期效果，基準站選取極為關(guān)鍵，合理選取的基準站在提升作業(yè)效率和測量精確度方面均有著出色表現(xiàn)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)耗時減少的目的[4]。基準站選取需把握以下4 個方面要點：第一，選擇通視效果良好、地勢較高且存在電臺有效覆蓋處設(shè)置基準站，最好選擇測區(qū)中央方位；
第二，避免數(shù)據(jù)鏈丟失，并降低多路徑效應(yīng)影響；
第三，以條件較好未知點或已知精確坐標點設(shè)置基準站；
第四，避開南北極周邊衛(wèi)星影響區(qū)域，在GPS 接收主機北側(cè)布置基準站電臺天線。
1.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換
GPS-RTK 技術(shù)以WGS-84 坐標系統(tǒng)坐標點為測點，多選擇BJ54 坐標系統(tǒng)（1954 北京坐標系）作為礦山測量坐標系統(tǒng)，受存在一定差異的各自橢球體定位參數(shù)影響，兩種坐標系存在差異顯著的各點坐標值，這種誤差值在部分礦區(qū)在100 m 以上。因此，技術(shù)應(yīng)用過程必須精準測定礦區(qū)基準轉(zhuǎn)換參數(shù)，避免測量作業(yè)受到相關(guān)誤差影響。
1.3 觀測時間選取
衛(wèi)星發(fā)送的信息能夠為GPS-RTK 技術(shù)提供三維坐標，但傳輸衛(wèi)星信號的過程不免存在誤差，這種誤差無法由使用者消除。具體的礦山測量需要結(jié)合衛(wèi)星星歷預(yù)報，優(yōu)選觀測時段，保證GPS 接收裝置接收的絕對時刻（TOD）值控制在6 以內(nèi)，這能夠較好地實現(xiàn)測量誤差控制、測量精準度提升。
1.4 構(gòu)建礦區(qū)控制網(wǎng)
相較于常規(guī)控制測量，GPS-RTK 技術(shù)下的測量無需保證控制點間相互通視，這使得測量操作復(fù)雜性大幅降低且更為精準有效，第一時間的結(jié)果獲得和校對也能夠順利實現(xiàn)。通過實時獲取所測得結(jié)果，GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)對定位精準度的清晰了解，大幅提升作業(yè)效率。如礦區(qū)控制網(wǎng)需要在山區(qū)復(fù)雜地形環(huán)境中建設(shè)，基于存在2 個E 級控制點的原BJ54 坐標系統(tǒng)，需要均勻加密控制點至7 個，這種需要可通過GPS-RTK 技術(shù)滿足，而對技術(shù)應(yīng)用后獲取的結(jié)果進行檢驗可以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)應(yīng)用能夠滿足加密布設(shè)礦區(qū)控制網(wǎng)的要求。
1.5 坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)解算
在傳統(tǒng)測量技術(shù)應(yīng)用中，為實現(xiàn)測量區(qū)域當(dāng)?shù)刈鴺讼到y(tǒng)與原始大地經(jīng)緯坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算極為關(guān)鍵，但這種計算需要獲得具備明確坐標值的至少3 個高精度控制點，存在較為繁瑣操作。在GPS-RTK 技術(shù)支持下，其能夠直接將原始數(shù)據(jù)和測得數(shù)據(jù)結(jié)合完成坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)獲取，測量效率因此大幅提升。
1.6 地面形變測量
礦山測量中地面形變測量屬于重要組成部分，該測量需要對地面點的高程及水平位置進行不同時間段測量，通過對比分析前后測量數(shù)據(jù)，地面不同點位水文下沉值及位移值可順利獲取，進而精準測定地表形變并為相關(guān)預(yù)測提供依據(jù)[5]。傳統(tǒng)測量技術(shù)需要設(shè)置形變觀測點和基準點以打造完整監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測網(wǎng)的角度和長寬需要通過全站儀依次測定，各測點高差測定由水準儀負責(zé)，以此結(jié)合所測數(shù)據(jù)對監(jiān)測網(wǎng)點內(nèi)水平位移與沉降變化情況進行監(jiān)測。在GPS-RTK 技術(shù)支持下，測量人員可通過移動站和基準站直接完成各點水平位移和沉降情況的計算，有效降低作業(yè)強度，大幅簡化作業(yè)流程。
煤礦區(qū)是一種以資源開發(fā)與利用為主要目的而發(fā)展起來的特殊地理區(qū)域，由于資源過度開采，形成了大量的采空區(qū)，破壞了圍巖應(yīng)力，使礦區(qū)內(nèi)發(fā)生區(qū)域性地表形變，引發(fā)了嚴重的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，由地表形變引發(fā)的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要包括塌陷坑、地面沉陷、地裂縫、滑坡、泥石流等。
在地質(zhì)災(zāi)害孕育和形成階段，都會在地表和近地表層呈現(xiàn)出特定的幾何、物理或化學(xué)性異常，這些異常既有災(zāi)變異常信號、孕災(zāi)因子等短期、突發(fā)性的現(xiàn)象，又有環(huán)境損害、土地退化等長期、持續(xù)性的過程，從礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境動態(tài)變化中識別、監(jiān)測和分析各種典型信號和災(zāi)變異常已成為礦山防災(zāi)減災(zāi)的研究重點[6]。GPS-RTK 技術(shù)是礦區(qū)進行地表形變及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評價的最為有效的技術(shù)，能夠有效預(yù)測礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。
2.1 工程概況
以某礦區(qū)作為研究對象，該礦區(qū)的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，河流在該礦區(qū)的西部穿過，該礦區(qū)存在約400 m 的海拔，一般高程、中礦區(qū)的高程分別為550～600 m、495～760 m，面積為8.844 km2，案例礦區(qū)沉降測量由GPS-RTK 組合電子水準儀完成，測量最終取得預(yù)期效果，存在較高借鑒價值。為直觀展示案例礦區(qū)GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用效果，本文將圍繞觀測站設(shè)計、觀測站布設(shè)方式、技術(shù)應(yīng)用效果3 個方面開展深入探討，由此可明確礦山測量中GPS-RTK 技術(shù)的具體應(yīng)用方法及效果，技術(shù)應(yīng)用可能受到的干擾也能夠同時明確。
2.2 觀測站設(shè)計
為滿足技術(shù)應(yīng)用需要，案例礦區(qū)的觀測站設(shè)計需要滿足以下4 個方面要求：第一，在水池主體位置設(shè)置觀測線；
第二，考察周邊礦石開采項目，該考察需要在設(shè)計前期完成；
第三，做好對觀察線長度的科學(xué)設(shè)計，充分考慮開采項目深度等因素帶來的影響，需保證觀察線位于地面移動盆地范圍外；
第四，地面移動盆地范圍外設(shè)置觀測站的控制點，多數(shù)需要開展深埋處理，需保證控制點不會出現(xiàn)松動問題，同時設(shè)置處于凍結(jié)狀態(tài)的控制點底端，控制點處于土線位置0.5 m 下。
2.3 觀測站布設(shè)方式
對處于邊界位置的整體觀測范圍來說，考慮到建筑遮擋因素帶來的影響，GPS-RTK 技術(shù)在應(yīng)用中受到的限制需要設(shè)法解決，這使得常規(guī)方式設(shè)置觀測站的難度較高且會影響測量效果。因此，案例礦區(qū)的勘測選擇GPS-RTK 組合電子水準儀，礦山的地貌、地形由此得以更準確了解。觀測臺設(shè)置有觀測線2 臺，分別為工作面方向、沿礦石路線方向，具體的觀測站布設(shè)見圖1。
圖1 觀測站布設(shè)示意圖
在觀測站布設(shè)過程中，首先需要將觀察線的平面位置確定，控制點按照一定順序設(shè)置在觀察線上，具體按照B1、B2 順序進行編號，起點編號坐標X、Y 分別為24 457 679.178、3 740 052.821，各控制點間存在100 m 的距離。傾斜觀察線同樣需要得到重視，具體的平面位置確定需要考慮傾斜觀察線鋪設(shè)特點，結(jié)合圖1 進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該線路鋪設(shè)主要沿礦區(qū)運輸?shù)V石進行，因此以鐵路轉(zhuǎn)彎位置為鋪設(shè)終點。共設(shè)置測量點10 個，各測量點間隔距離同樣控制為100 m，傾斜觀察線存在915 m的整體長度。在礦山工作面沉降范圍內(nèi)，測量點10開始的各測量點間存在20 m 間隔，存在670 m 的總長度，按照10～43 進行編號，以此完成34 個點的布設(shè)。43 點至最終測量線處之間共布設(shè)5 個點，即43～47，總長度為200 m，點間隔控制為50 m。為實現(xiàn)對工作面實際沉降情況更準確的把握，測量點沿觀察線西側(cè)布置，按照XL1～XL21 進行編號，共設(shè)置測量點21 個。
2.4 技術(shù)應(yīng)用效果
為實現(xiàn)觀察數(shù)值的準確獲取，保證測量效果達到預(yù)期，各測量點開展兩次連續(xù)測量，之后有針對性地選取部分測點，表1、表2 分別為第一次測址測量數(shù)據(jù)、第二次測址測量數(shù)據(jù)。結(jié)合表格中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的精度較高，這說明GPS-RTK技術(shù)在案例礦區(qū)的沉降觀測中獲取的數(shù)據(jù)存在較高準確性；
但兩次測量結(jié)果的差異較為顯著，這種情況的出現(xiàn)源于運輸路旁的樹木干擾信號傳輸。移動站在實際測量中如未受到干擾，GPS-RTK 技術(shù)應(yīng)用下0.004 的精度可在40 s 達到；
但如果存在樹木等遮擋，0.006 的精度需要耗時120 s 左右，且很多時候無法準確測量部分坐標。因此，該技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用需要充分結(jié)合環(huán)境特點，以此最大程度地降低外部因素帶來的干擾，更好地保證測量的效率和準確性。
表1 第一次測址測量數(shù)據(jù)
表2 第二次測址測量數(shù)據(jù)
綜上所述，日益頻繁的人類活動給地質(zhì)環(huán)境帶來了一系列負面影響，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害造成的受災(zāi)人口以及經(jīng)濟損失絕對量呈現(xiàn)出連年上升的趨勢。因此，應(yīng)制定合理的減災(zāi)目標，采取科學(xué)的減災(zāi)方法。地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治中GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用能夠取得預(yù)期成果。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的基準站選取、參數(shù)轉(zhuǎn)換、觀測時間選取、構(gòu)建礦區(qū)控制網(wǎng)、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)解算、地面形變測量、礦區(qū)工程測量、觀測站設(shè)計與布設(shè)、技術(shù)應(yīng)用效果等內(nèi)容，則直觀展示了技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)于地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治，移動站和基準站的距離控制、結(jié)合控制點的聯(lián)測極為關(guān)鍵，同時還應(yīng)考慮該技術(shù)與常規(guī)測量及航空攝影測量的結(jié)合應(yīng)用。
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