鶴崗礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化及成果應(yīng)用

趙喜江, 楊新宇, 霍大亮

(1.黑龍江科技大學(xué) 發(fā)展規(guī)劃與高等教育研究處, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

GNSS 技術(shù)是地面采集單點空間坐標(biāo)最為高效、快速的方式[1],但是通過 GNSS所獲取到的高程值并不能直接應(yīng)用于實際礦山測量工作,原因是GNSS 技術(shù)獲取的點的高程是依賴于參考橢球 WGS-84 坐標(biāo)系的大地高程,而我國礦山測量工作中,所采用的高程是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高或正高,在大地高與正常高之間存在差值,此差值即為高程異常,因此,利用RTK技術(shù)直接獲取高程時,精度無法滿足礦區(qū)地表1∶500、1∶1 000比例尺測圖和開采沉陷監(jiān)測精度要求。隨著GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、空間信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,許多大型礦區(qū)都在陸續(xù)建設(shè)覆蓋本礦區(qū)的CORS系統(tǒng),但是礦區(qū)建設(shè)的CORS系統(tǒng)時,站點的初始參數(shù)由設(shè)備提供商的技術(shù)支持人員進行簡易設(shè)置,一般沒有充分考慮局部區(qū)域地理位置和地形地勢的影響,高程異常值精度一般為分米級,而大型礦區(qū)地表變形監(jiān)測和工程測量的精度要求厘米級,導(dǎo)致礦區(qū)CORS-RTK測量高程精度無法滿足測繪生產(chǎn)要求,制約了RTK技術(shù)在礦區(qū)地表大比例尺測圖和開采沉陷監(jiān)測工作中的應(yīng)用。因此,對于高程變化較大的大型礦區(qū),通過似大地水準(zhǔn)面精化[2]得到礦區(qū)高程異常值的最或是值來調(diào)整CORS系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,對于提升RTK測量高程精度具有重大的工程意義。

表1 靜態(tài)約束平差基線最弱邊

1 研究工作與技術(shù)路線

1.1 測區(qū)概況

鶴崗市處于三江平原向小興安嶺山地過渡的明顯上升地段,地勢西北高東南低,可分為低山丘陵、漫崗、平原、溝谷及漫灘四種地貌類型,地勢由西北向東南傾斜,西北部為山區(qū),最高山峰小白山海拔1 022 m,境內(nèi)海拔200 m以上的山峰有34座。有梧桐河、鶴立河、阿凌達河、嘉蔭河等18條主要河流從西北流向東南。市區(qū)南部為丘陵漫崗,東南部為三江平原的邊緣地帶,平坦開闊,平均海拔80 m左右。鶴崗礦區(qū)位于鶴崗市東部,地理位置為東126°36′44″～127°31′46″,北緯45°40′20″～45°11′38″之間,從北端的平頂山到南端新華北山直線距離約50 km,從東端梧桐河?xùn)|到西端的新水源約30 km。礦區(qū)西北部和東南以丘陵地形為主,南部以河漫灘為主,礦區(qū)高程變化較大,地形地貌錯綜復(fù)雜。測區(qū)道路較窄,時有大量運輸煤炭的大型貨車通行,通視條件一般,通信信號覆蓋較好。

1.2 工作內(nèi)容

本次研究工作在鶴崗礦區(qū)2021年建成的14個C級GNSS控制點(圖1)和3個CORS站等已有控制網(wǎng)觀測成果基礎(chǔ)上,依據(jù)鶴崗市區(qū)2020年7月建立的新鶴II-33二等水準(zhǔn)點,參考富力煤礦辦公樓、興安南橋頭、峻德礦辦公樓、二跨橋、公鐵交叉口、水泥廠、梧桐河水文站、新華北山等原有礦區(qū)三等水準(zhǔn)高程控制點,通過對礦區(qū)14個C級GNSS控制網(wǎng)點中的356ps、新水源、梧桐河?xùn)|、鳥山、東線場、新華30隊等六個外圍點和礦務(wù)局、峻德救護隊、鳥山等3個CORS站進行三等水準(zhǔn)聯(lián)測,再利用C級GNSS控制點中平頂山、陰日山和新華北山三個已知三等水準(zhǔn)高程值,進行礦區(qū)高程平差結(jié)算和高程擬合,完成礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化,得到全部14個控制點三等水準(zhǔn)高程和3個CORS站的高程異常值,進而調(diào)整CORS站高程異常參數(shù)和RTK參數(shù)設(shè)置。為了檢驗精度,在礦區(qū)主要礦井工業(yè)廣場附近布設(shè)10個近礦點,平面用E級GNSS控制點施測,高程用三等水準(zhǔn)施測。通過RTK實際10個近礦點高程來進行精度驗證。

圖1 鶴崗礦區(qū)C級GNSS控制點和CORS站點示意

1.3 技術(shù)路線

利用前期項目實測礦區(qū)首級GNSS控制網(wǎng)及CORS站坐標(biāo)和大地高程,采用三等水準(zhǔn)測量的方法聯(lián)測了礦區(qū)外圍控制點高程,完成了礦區(qū)高程平差計算,通過平面模型法、二次曲面模型法、多面函數(shù)擬合法高程擬合比較,優(yōu)選了結(jié)合EGM2008 模型的組合法,運用“移去-恢復(fù)”法精化礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型[3-5],得到鶴崗礦區(qū)全部14個首級GNSS控制點及3個CORS站處的高程及高程異常值,通過調(diào)整CORS高程異常參數(shù)設(shè)置,在礦區(qū)主要礦井的近礦點上通過實際高程測量進行精度驗證。

2 平面及高程控制測量

2.1 GNSS近礦點選點遵循的原則

(1)在10°～15°高度角以上不能有成片障礙物,點的周圍200 m范圍內(nèi)不能有強電磁波干擾源,如大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線等。

(2)為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生,近礦點應(yīng)遠離對電磁波信號反射強烈的地形、地物,如高層建筑、成片水域等。

(3)為保證后期驗證實驗質(zhì)量,近礦點選在覆蓋整個鶴崗礦區(qū)的鳥山、益新、富力、興安、竣德等主力生產(chǎn)礦井工業(yè)廣場附近,保證交通便利且點位應(yīng)易于保存處。

(4)相鄰點間最小距離應(yīng)為平均距離的1/2～1/3;相鄰點間最大距離應(yīng)為平均距離的2～3倍;特殊情況下個別點的間距允許超出精度和邊長表中的規(guī)定。

2.2 GNSS近礦點布設(shè)

為了檢驗研究成果,以礦務(wù)局、峻德救護大隊2個CORS站為起始點,在礦區(qū)5個主力生產(chǎn)礦井的工業(yè)廣場附近布設(shè)鳥山1、2,益新1、2,富力1、2,興安1、2,峻德5、6等10個E級GNSS近礦平面和高程控制點,作為實驗高程精度驗證點,如圖2所示。

圖2 鶴崗礦區(qū)主力礦井E級GNSS近礦點分布

2.3 GNSS近礦控制點平面控制測量

2.3.1 外業(yè)施測

使用南方極點RTK慣導(dǎo)版C對近礦點進行平面控制測量,各靜態(tài)點觀測不少于2個時段,每個時段觀測45 min,與鶴崗市內(nèi)CORS站共同進行解算。

2.3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及精度

解算軟件采用南方地理數(shù)據(jù)處理平臺軟件SGO(簡稱SGO)。對于相鄰點距離較近的短邊保證進行同步觀測。靜態(tài)觀測及解算精度符合CJJ 8—010《城市測量規(guī)范》、CJJ/T73—010《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》要求。

GNSS近礦控制點的內(nèi)業(yè)平差計算過程如圖3所示,近礦控制點平面精度,其中靜態(tài)約束平差基線最弱邊(表1)和平面最弱點(表2),基線和點位誤差滿足規(guī)程規(guī)定。

圖3 靜態(tài)約束平差基線最弱邊

表2 靜態(tài)約束平差平面最弱點

2.4 礦區(qū)高程控制測量

2.4.1 水準(zhǔn)測量外業(yè)

根據(jù)研究工作的精度需要,課題組采用三等水準(zhǔn)建立了覆蓋礦區(qū)的高程控制網(wǎng)。在礦區(qū)已有高程控制點現(xiàn)場踏勘和現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上,確定了采用原礦區(qū)11個C級GNSS控制點和本次選定的10個E級GNSS近礦點作為平面控制點的同時兼做礦區(qū)高程控制點,采用CGCS2000坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)。為了保證精度,堅持每測站觀測程序“后前前后”“單程雙站(變儀器高)”觀測。三絲能讀數(shù),視距小于100 m,前后視距差和累計差不超限,累計實測三等水準(zhǔn)路線約80 km。

2.4.2 水準(zhǔn)測量精度檢查

選擇地形起伏較大的最長閉合環(huán)鶴立河-興安南橋-公鐵交叉口-鶴立河的閉合水準(zhǔn)路線(圖4)來驗證水準(zhǔn)施測精度,閉合差及限差見表3。

圖4 閉合水準(zhǔn)路線

表3 閉合線路閉合差及限差統(tǒng)計

3 似大地水準(zhǔn)面精化及效果驗證

對平面擬合法、二次曲面擬合法、多面函數(shù)擬合法和結(jié)合EGM2008模型的組合法進行對比試驗,確定上述方法在礦區(qū)內(nèi)的適用性和擬合精度,優(yōu)選出結(jié)合EGM2008模型的“移去-恢復(fù)”法來建立礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面,求出高程異常值最或是值的方法。

3.1 結(jié)合EGM2008模型的“移去-恢復(fù)”

原理是基于近年由NGA(美國國家地理空間情報局)釋放EGM2008全球超高階地球重力場模型,采用該模型以及GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用“移去-恢復(fù)”法[6-7],利用礦區(qū)C級GNSS平面控制和三等水準(zhǔn)測量得到的坐標(biāo)和高程測量成果,獲得高精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。具體步驟如下。

(1)移去。選擇鶴崗礦區(qū)范圍內(nèi)具有 GPS 數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的17個重合點,利用重合點的正常高和大地高求出各點對應(yīng)的高程異常值,利用EGM2008 模型能夠得到各點的重力高程異常,據(jù)此可以計算出對應(yīng)點的剩余高程異常量。

(2)擬合剩余高程異常量。針對在對重力場模型的利用之下所獲得重力異常,通常而言我們會將其視為無誤差值。在此的擬合數(shù)據(jù)為這17個點的剩余高程異常,采用擬合函數(shù)解算后,即可得到相應(yīng)的擬合參數(shù),將待求點的平面坐標(biāo)通過確定參數(shù)后的模型計算后,剩余高程異常值就能夠通過內(nèi)插形式所獲得。

(3)恢復(fù)。利用重力場模型求出重力高程異常,與內(nèi)插得到的剩余高程異常相加,就能夠得到各待求點的高程異常,據(jù)此可以求解出待求點的正常高。

3.2 鶴崗礦區(qū)高程異常等值線

通過結(jié)合EGM2008模型的“移去-恢復(fù)”,計算得到的17個點的高程異常值,進而生成鶴崗礦區(qū)高程異常等值線圖(圖5)。

圖5 鶴崗礦區(qū)高程異常等值線

3.3 成果應(yīng)用及精度驗證

3.3.1 高程異常改正

文中以鶴崗礦區(qū)LEICA GNSS Spider CORS網(wǎng)絡(luò)參考站高程異常值修正過程為例,說明礦區(qū)高程異常成果在 CORS系統(tǒng)的應(yīng)用。

①創(chuàng)建一個新的遠程站點服務(wù)器連接。啟動軟件,從“菜單欄”中點擊“服務(wù)器”,選擇“新建站點服務(wù)器”,輸入服務(wù)器名稱、服務(wù)器密碼,輸入服務(wù)器的PC名稱或者TCP/IP地址。

②配置通信設(shè)備和參數(shù)。打開創(chuàng)建的服務(wù)器,設(shè)置傳感器類型和傳感器連接方式,并且通過瀏覽日志欄檢查是否已經(jīng)建立了傳感器通訊。

③設(shè)置常規(guī)站點參數(shù)。輸入站點名稱,并通過下拉列表為該站點接收機上記錄的數(shù)據(jù)文件選擇下載間隔時間。

④配置接收機坐標(biāo)等信息。輸入本CORS站點精確的經(jīng)緯度、大地高和高程異常值,(高程異常值即為通過擬合計算求出的本CORS站點處的高程異常值),配置界面如圖6所示。

圖6 配置接收機信息

⑤配置完成并上傳。

⑥配置接收機記錄參數(shù)。設(shè)置采樣率、文件長度和自動刪除記錄文件的時間閾值,文件長度為傳感器創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄的新文件的時間間隔。

⑦連接至流動站。流動站通過輸入TCP/IP端口與接收機進行連接,連接成功后,即可接收相關(guān)的參數(shù)和數(shù)據(jù)。

⑧實測礦區(qū)地面點坐標(biāo)及高程。

根據(jù)“創(chuàng)建項目-設(shè)置參數(shù)-連接流動站”的步驟?？梢酝ㄟ^該軟件中的“轉(zhuǎn)換”功能對相應(yīng)的參數(shù)、參考橢球、投影和大地水準(zhǔn)面模型/殘差進行定義,并通過RTCM信息將它們波發(fā)至流動站,流動站不需要手動設(shè)置任何轉(zhuǎn)換參數(shù)即可進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.3.2 似大地水準(zhǔn)面精化效果檢驗

為了驗證結(jié)合EGM2008模型的“移去-恢復(fù)”法對礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化的精度情況,課題組依據(jù)似大地水準(zhǔn)面精化成果對鶴崗礦區(qū)內(nèi)已經(jīng)建成的礦務(wù)局、峻德和鳥山3個CORS站點的高程異常值進行重新賦值,并用RTK實測了分布在礦區(qū)內(nèi)5個煤礦的近礦點高程進行檢驗,驗證實驗采用E級GNSS近礦點和CORS站點的實測三等水準(zhǔn)高程值與似大地水準(zhǔn)面精化高程擬合后RTK實測高程進行對照檢驗(表4)。

表4 實測三等水準(zhǔn)高程與似大地水準(zhǔn)面精化后RTK實測值對照統(tǒng)計

由實驗結(jié)果可以看出,鶴崗礦區(qū)范圍內(nèi)依托CORS站的RTK采集高程點的誤差從不小于 20 cm提高到不大于2 cm。實驗證明通過礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化和高程擬合,可以顯著削弱高程異常對RTK高程測量帶來的影響。

4 結(jié) 論

(1)研究結(jié)果證明,基于礦區(qū)實測GNSS平面控制成果和三等水準(zhǔn)高程控制成果,結(jié)合EGM2008模

型,運用“移去-恢復(fù)”法精化礦區(qū)范圍內(nèi)似大地水準(zhǔn)面模型的技術(shù)路線可行。

(2)諸如鶴崗礦區(qū)這類地表高程變化較復(fù)雜的大型礦區(qū),采用文中精化技術(shù)路線得到的礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型和高程異常值,采用改進后的CORS-RTK系統(tǒng)進行高程測量誤差小于2 cm,可以極大地提高RTK高程測量的精度。

(3)改進后的CORS-RTK系統(tǒng)可以較好的滿足礦區(qū)范圍內(nèi)大比例尺測圖和開采沉陷日常監(jiān)測的精度需要,極大地拓寬了RTK在礦區(qū)地面高程測量應(yīng)用場景。