河北CORS在礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

朱增鋒，鄭嬌嬌，羅盛楠

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院，河北 保定 071000；2.山西省煤炭地質(zhì)水文勘察研究院，山西 太原 030006）

河北CORS在礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

朱增鋒1，鄭嬌嬌1，羅盛楠2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院，河北 保定 071000；2.山西省煤炭地質(zhì)水文勘察研究院，山西 太原 030006）

礦山開采易引起地面的沉陷，沉陷大小和速度將直接影響礦山安全。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法在礦山范圍內(nèi)實(shí)施難度較大，在礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)中使用CORS代替水準(zhǔn)測(cè)量，通過建立高程擬合數(shù)字模型，求定轉(zhuǎn)換參數(shù)，計(jì)算出正常高。結(jié)果顯示，利用CORS系統(tǒng)對(duì)礦山地面沉陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量精度的要求。河北CORS可廣泛應(yīng)用于礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)中，該方法可提高工作效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

CORS；沉陷監(jiān)測(cè)；水準(zhǔn)測(cè)量

引言

河北省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuously Operational Reference System，簡(jiǎn)稱HBCORS）由基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心、用戶應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信等四個(gè)子系統(tǒng)組成[1]。該系統(tǒng)所建設(shè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱GNSS）是“數(shù)字河北”空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，構(gòu)筑了河北省空間數(shù)據(jù)采集的基準(zhǔn)參考框架，可應(yīng)用于工程測(cè)量、城市規(guī)劃、地籍和房地產(chǎn)測(cè)量、建設(shè)用地勘測(cè)定界測(cè)量、土地利用動(dòng)態(tài)檢測(cè)、GNSS精確授時(shí)、GNSS大氣參數(shù)測(cè)定、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等領(lǐng)域[2]。因此，HBCORS可滿足城市規(guī)劃、國(guó)土管理、城鄉(xiāng)建設(shè)、基礎(chǔ)測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、精細(xì)農(nóng)業(yè)及交通管理等方面動(dòng)態(tài)定位的需求。

在礦山地面監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于原生的礦體開采后，會(huì)造成大小規(guī)模不等的地下空間。在地應(yīng)力不均衡和重力作用等因素的影響下，地面首先產(chǎn)生裂縫，并逐漸發(fā)展成采空區(qū)的地面塌陷為保證礦區(qū)安全，需對(duì)地面沉陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法在礦山范圍內(nèi)實(shí)施難度較大，使用CORS代替水準(zhǔn)測(cè)量，精度可行，可很大程度的提高工作效率[4-6]。

1 HBCORS坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

礦山地面沉陷主要表現(xiàn)為高程的變化，通過CORS系統(tǒng)可得到CGCS2000空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（X,Y,Z），工程中常用或已有的數(shù)據(jù)為西安80坐標(biāo)和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)[7]。因此，實(shí)際工作中需將其轉(zhuǎn)換為國(guó)家或地方坐標(biāo)系下高斯平面直角坐標(biāo)系和以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高[8]。

采用CORS進(jìn)行高程測(cè)量是以參考橢球面為起算面的大地高，而我國(guó)所采用的高程是相對(duì)于似大地水準(zhǔn)面的正常高。兩者關(guān)系如圖1，P為地表面任一位置。

圖1 正常高與大地高

在工程應(yīng)用中，三者的關(guān)系如下：

其中：H84為大地高；H正常高為以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高；ξ為大地水準(zhǔn)面差距或高程異常。

為了實(shí)現(xiàn)高程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，在布設(shè)CORS網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，通常采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法聯(lián)測(cè)部分CORS點(diǎn)。在聯(lián)測(cè)點(diǎn)上，由公式（1）即可求出水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)的高程異常ξ。根據(jù)高程異常，可建立測(cè)區(qū)的似大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的點(diǎn)分布合理且數(shù)量充分時(shí)，即可利用最小二乘法求出數(shù)學(xué)模型參數(shù)，確定該數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式，再根據(jù)非水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，利用該數(shù)學(xué)模型，求出這些非聯(lián)測(cè)點(diǎn)的高程異常，最后公式（1）便可求出該點(diǎn)的正常高。

2.1 高程擬合的數(shù)字模型

在小地區(qū)或者是地形起伏較小地區(qū)，可使用以下模型：

該模型是根據(jù)已知點(diǎn)的高程異常值，按照最小二乘法確定擬合參數(shù)a0、a1、a2，求得其余CORS點(diǎn)的高程異常值，進(jìn)而求得CORS點(diǎn)的正常高[9]。

在范圍寬廣，地形起伏較大的地區(qū)，一般采用模型：

該模型是由6個(gè)或6個(gè)以上點(diǎn)的高程異常值確定擬合參數(shù)a0、a1、a2、a3、a4、a5，得到其余CORS點(diǎn)的高程異常值，進(jìn)而求得CORS點(diǎn)的正常高[10]。

HBCORS系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了河北省統(tǒng)一的高精度動(dòng)態(tài)地心坐標(biāo)框架。在礦山監(jiān)測(cè)中，由于礦山地勢(shì)起伏較大，通?？衫霉剑?），根據(jù)聯(lián)測(cè)結(jié)果求得模型中的參數(shù)值，利用對(duì)外業(yè)采集的WGS-84成果轉(zhuǎn)求正常高，通過周期觀測(cè)對(duì)礦山地面沉陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11]。

2.2 擬合后CORS點(diǎn)正常高精度評(píng)定

CORS高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成正常高后，需對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的精度進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)檢查點(diǎn)的擬合高程閉合差，求出CORS點(diǎn)間的正常高差，在已知水準(zhǔn)點(diǎn)間組成閉合或附和水準(zhǔn)路線，比較計(jì)算的閉合差與表1中允許的閉合差，評(píng)定CORS點(diǎn)正常高所達(dá)的精度。

表1 CORS點(diǎn)正常高水準(zhǔn)限差

3 以河北某鐵礦為例

該礦山位于河北省唐山市某縣城南10km，是冀東礦脈的一部分，礦區(qū)內(nèi)礦體南北10km，東西2km，以S6勘探線為界被分為南北兩區(qū)，南區(qū)6km，北區(qū)4km。傳統(tǒng)的地面沉陷的監(jiān)測(cè)是應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量加三角高程的方法，但該方法易受車輛、風(fēng)荷等諸多因數(shù)影響，很難保證高精度、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)傳統(tǒng)的測(cè)量方法需投人較多人力、物力、財(cái)力。為實(shí)時(shí)、有效、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉陷[12]，自2012年后，HBCORS在全省推廣。以該礦為例，在礦區(qū)設(shè)置足夠數(shù)量的GPS沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用CORS不間斷的傳遞數(shù)據(jù)，及時(shí)提供變形數(shù)據(jù)[13]。

3.1 GPS采集技術(shù)要求

對(duì)地面沉降點(diǎn)進(jìn)行GPS觀測(cè)，沉降觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)選擇在既能反映地面沉陷，又便于安放GPS接收機(jī)，且適合接收信號(hào)的地方[14]。為了提高觀測(cè)精度，利用GPS技術(shù)按不低于C級(jí)GPS網(wǎng)的要求進(jìn)行觀測(cè)。GPS數(shù)據(jù)采集的基本要求見表2。

表2 GPS數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求

3.2 GPS數(shù)據(jù)的處理

1）通過水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量得到的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常高，然后觀測(cè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS大地高程。

2）根據(jù)公式（3）求得該礦區(qū)內(nèi)的高程擬合數(shù)字模型。

3）按照表2的技術(shù)要求，在其他GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，代入數(shù)學(xué)模型，分別求出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常高。

礦區(qū)內(nèi)共設(shè)置17個(gè)GPS地面沉陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中7個(gè)點(diǎn)（JC01、JC04、JC06、JC09、JC11、JC14、JC17）利用水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，最終得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常高和高差，如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)正常高與高差

若以水準(zhǔn)平差后的結(jié)果作為參照值，通過CORS系統(tǒng)得到的正常高與水準(zhǔn)高程見表4。表4中每一段基線都可作為一段附和水準(zhǔn)路線。根據(jù)表1的規(guī)范要求，可判斷JC04-JC06基線滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，而其余基線均滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

表4 CORS所得正常高程與水準(zhǔn)高程

4 結(jié)語

（1）在觀測(cè)條件良好，GPS信號(hào)良好，無干擾的情況下，使用HBCORS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過建立高程數(shù)字模型，求定轉(zhuǎn)換參數(shù)，計(jì)算出來的正常高，可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

（2）CORS觀測(cè)方便，不受通視條件和天氣等因素的制約，可大大降低工作強(qiáng)度和測(cè)繪成本，通過周期性的觀測(cè)，對(duì)礦山的地表沉陷監(jiān)測(cè)有廣泛的應(yīng)用。

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The Application and Practice of CORS in Monitoring the Ground Subsidence for Mining

ZHU Zeng-feng1,ZHENG Jiao-jiao1,LUO Sheng-nan2
(1.Great Wall College,China University of Geosciences,Baoding 071000; 2.Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology,Taiyuan 030006)

Mining easily causes the ground subsidence,whose size and speed directly affect the safety of mines.It is difficult to implement the traditional leveling method in the area of mines.During the time of monitoring the ground subsidence,CORS replaces the leveling method,and the given conversion parameter is worked out and the normal height is calculated by the establishing the height fitting digital model.The result shows that the monitoring results can achieve the accuracy requirement of the fourth leveling. CORS in Hebei can be widely used in monitoring ground subsidence caused by mining.This method can improve the work efficiency and has a broad application prospect.

CORS;subsidence monitoring;leveling

P542+.1

A

1671-5004（2017）02-0014-03

2016-12-28

河北省科學(xué)技術(shù)廳2016年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“石礦跡地工程與生物協(xié)同重建技術(shù)集成與示范”（項(xiàng)目編號(hào)：16234204D）

朱增鋒（1985-），男，漢族，河南周口人，碩士研究生，講師，研究方向：GPS數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。