淺談GPS定位應用技術在某礦區(qū)測量應用

李茂林

（貴州省地礦局測繪院，貴州 貴陽 550018）

1 用坐標轉換法和曲面擬合法處理各期觀測數(shù)據(jù)

GPS網(wǎng)平差后,得到了各點的三維直角坐標(XYZ)和大地坐標(LBH)。礦區(qū)地面形變測量各期的數(shù)據(jù)處理雖然與第一期選取同一的位置基準,仍然可能存在尺度和方法基準產生的偏差。可以采用坐標轉換的方法處理各期的數(shù)據(jù)。以第一期基準網(wǎng)點數(shù)據(jù)處理的結果作為已知的坐標值,將各期觀測數(shù)據(jù)處理結果對第一期進行坐標轉換。轉換后對形變觀測點進行分析。如果基準點有變化或者觀測結果有粗差,可以在坐標轉換中采用抗差解法,使最后的轉換結果避免粗差的影響。當網(wǎng)中存在有較明顯的系統(tǒng)誤差,而且測區(qū)范圍較大時,用多項式曲面擬合法進行坐標變換更有實際意義。

根據(jù)最近幾年的研究,曲面擬合法有多種形式。其以多項式曲面擬合法應用最多。在有關文獻中,多項式形式一般為完全二次多項式。如針對GPS水準高程的擬合多項式：

從表1中可見,基準點坐標誤差給兩點之間的大地坐標差帶來不可忽視的影響,所以對GPS網(wǎng)每一期各時段的觀測結果進行基線解算和網(wǎng)平差,均應選取同一基準點的坐標值。如果GPS網(wǎng)聯(lián)測了高精度的國家基準點(其點位誤差一般在5m以內),則以國家基準點為GPS觀測網(wǎng)的基準。當國家基準點距離測區(qū)比較遠,聯(lián)測不方便時,可以第一期觀測的GPS網(wǎng)的平差結果作為以后各期觀測網(wǎng)的基準。

2 基準點坐標對GPS網(wǎng)解算結果的影響

基線解算時,大都是選取觀測網(wǎng)中某一點為基準點,其坐標值是經(jīng)過單點定位計算出來的。單點定位的坐標誤差一般為幾米至幾十米?；鶞庶c的誤差不僅給化算后的大地坐標和高斯平面坐標帶來一定誤差,而且給化算后兩點之間的坐標差帶來誤差。形變測量中,要求兩點之間的坐標差足夠精確,因坐標化算帶來的誤差應該小到忽略不計的程度。由一般大地坐標微分公式,以兩點之間的在地高差為例,僅考慮坐標平移的影響,從表1中可見,基準點坐標誤差給兩點之間的大地

坐標差帶來不可忽視的影響,所以對GPS網(wǎng)每一期各時段的觀測結果進行基線解算和網(wǎng)平差,均應選取同一基準點的坐標值。如果GPS網(wǎng)聯(lián)測了高精度的國家基準點(其點位誤差一般在5m以內),則以國家基準點為GPS觀測網(wǎng)的基準。當國家基準點距離測區(qū)比較遠,聯(lián)測不方便時,可以第一期觀測的GPS網(wǎng)的平差結果作為以后各期觀測網(wǎng)的基準。

3 礦區(qū)地面形變測量的精度要求

礦區(qū)地面形變測量中關于地表下沉的觀測按照《礦山測量規(guī)程》的規(guī)定分為采動后的第一次和地表移動穩(wěn)定后的最后一次全面觀測以及活躍期間的多次全面觀測。具體要求為:當?shù)乇硐鲁吝_到50～100mm時,應開始進行采動后的第一次全面觀測。在活躍期(緩傾斜礦層地表每月下沉值大于50mm,傾斜礦層地表每月下沉值大于30mm)時進行不少于4次全面觀測。對于露天礦,為確定邊坡開始滑動時間,應進行預測,當觀測點的水平移動或下沉大于30mm時,即認為滑坡期已開始?；缕谂c初始觀測期觀測精度要求相同。平面坐標按照露天礦E觶級經(jīng)緯儀導線的精度要求進行,高程測量按照露天礦E觶級水準測量精度進行。GPS靜態(tài)相對定位的精度,就目前使用的各種型號的雙頻接收機來說,接收衛(wèi)星廣播星歷進行基線解算其標精度均為 (5±1×10-6D)mm,如果觀測方法得當,加上一定數(shù)據(jù)處理方法,實測精度還可提高,經(jīng)網(wǎng)平差后,其精度能達到幾個厘米。如果采用衛(wèi)星精密星歷并進行精密基線解算,則精度還可以提高到亞毫米級。完全可以滿足礦區(qū)地面形變測量的精度要求。

4 GPS靜態(tài)相對定位用于礦區(qū)地面形變測量的方法

進行礦區(qū)地面形變測量,首先需要布設基準點控制網(wǎng),在此基礎上布設形變觀測點網(wǎng)?；鶞士刂泣c應先在礦區(qū)地面形變區(qū)域的周圍,如圖1中的1～4點。埋設的控制點數(shù)一般以4～6點為宜,既保證控制點的互相檢核,又不至于有過多的觀測工作量。形變觀測點布設在相應的變形地帶,如圖1中的5～9點,具體要求參見《礦山測量規(guī)程》?；鶞士刂泣c和形變觀測點的選設還應顧及GPS觀測的要求,如點的周圍不應有高壓電線、無線電發(fā)射臺以及高大建筑物等。用GPS靜態(tài)相對定位對監(jiān)測網(wǎng)進行觀測時,應有足夠的多余觀測,使觀測網(wǎng)形成較多的重復基線邊和異步環(huán),以增強監(jiān)測網(wǎng)的可靠性,提高定位精度。如圖1所示,當采用3臺GPS接收時,對基準控制點1～4號點,可以采取4個時段的觀測方案,即1-2-3，1-2-4，1-3-4。對5～9 形變觀測點,采取 6 個小時段的觀測方案,即1-2-5,1-2-6,3-4-7,3-4-8,5-6-9,7-8-9。根據(jù)計算,該網(wǎng)有足夠高的可靠性。

各時段的觀測時間一般應取3h。根據(jù)上海、蘇州等市觀測經(jīng)驗以及在某露天礦形變監(jiān)測網(wǎng)觀測的結果,控制點之間的距離在10km以內,異步環(huán)閉合差小于10mm。GPS網(wǎng)平差后,單位權中誤差為1～2mm,點位誤差2～6mm。表明實測精度相當高,完全可以用作高精度的變形觀測。GPS靜態(tài)相對定位精度很高,觀測時不忽視接收機天線的對中以對天線高的量取。對中及量高精度必須保證在1～2mm。有條件應采取強制對中措施。GPS形變監(jiān)測網(wǎng)進行一期觀測后,進行基線解算,計算同步環(huán)、異步環(huán)閉合差,并進行GPS網(wǎng)平差。平差方法可采用固定一點的無約束平差、自由網(wǎng)平差以及抗差解法。第二期以后的各期觀測在數(shù)據(jù)處理中應當注意選取同一的基準點坐標。

此外,對各期的尺度與方位基準,可以按照《GPS技術用于監(jiān)測大城市三維形變》一文中提出的方法,采用顧及尺度和方位偏差的平差模型,也可以采用坐標轉換、曲面擬合等方面對不同期觀測結果進行處理。

5 幾點體會

5.1 GPS靜態(tài)相對定位用于礦區(qū)地面形變測量,觀測方便,精度高。通過多個礦區(qū)的應用證明能夠滿足礦區(qū)地面形變測量的精度要求。應用中除了保證監(jiān)測網(wǎng)中有足夠的多余觀測以及每一時段有足夠長的觀測時間以外,各期觀測數(shù)據(jù)處理的結果應具有統(tǒng)一的基準系統(tǒng),使其具有可比性。

5.2 應用坐標轉換法可以將各期GPS觀測解算的結果,轉換為某一固定的坐標系統(tǒng)。比如轉換為基準網(wǎng)點第一期數(shù)據(jù)處理的坐標系統(tǒng)。當基準網(wǎng)點已知其在國家坐標系統(tǒng)中精確的坐標值時,各期GPS觀測解算的結果也可以轉換為國家坐標系統(tǒng)。

5.3 在基準網(wǎng)點坐標和高程已知的情況下,還可以通過多項式曲擬合法求得各期GPS點的坐標和高程。尤其在考慮各點高程變化的礦區(qū)地面沉降觀測中,只要已知多個基準點水準高程,就可以通過多項式曲面擬合法很方便地求得各GPS點的水準高程。

5.4 實際應用中可以依據(jù)不同的情況,采用多種方式進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理中可以采用抗粗差解算,避免基準點的變化和觀測值粗差對解算結果的影響,以期得到正確的形變結果。要求更高精度的形變觀測時,應考慮使用精密衛(wèi)星星歷,應用精密基線解算軟件對GPS觀測結果進行解算。

6 結束語

文章就用GPS定位技術進行礦區(qū)地面變形測量從理論上進行了分析與探討,以礦區(qū)GPS定位測量為例,在聯(lián)測了多個基準點的條件下,通過坐標轉換、曲面擬合等計算方法,由GPS定位測量的結果、計算出變形觀測點的坐標位置,并用于變形分析,得出了有益的結論,證明了GPS定位技術用于礦區(qū)地面形變測量是有效可行的方法。

[1]《全球定位系統(tǒng) (GPS)測量規(guī)范》[S].(GB/T18314-2001)

[2]徐紹銓,張華海等.GPS測量原理及應用[M].