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)用研究

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(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(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(zhǔn)確度高、操作簡便、自動化程度高等特點(diǎn)。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。

1 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)用方法

地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)大多出現(xiàn)在地形陡峭的山區(qū)，主要具有以下特點(diǎn)：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(diǎn)，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(shí)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(diǎn)予以準(zhǔn)確定位，并實(shí)時提供其三維坐標(biāo)。近年來，由于采用GPS-RTK 技術(shù)進(jìn)行定位具有全天候、全覆蓋、高效率等特點(diǎn)，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(dá)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(dá)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(diǎn)進(jìn)行多期觀測，獲得數(shù)據(jù)后對變形體上監(jiān)測點(diǎn)的位移進(jìn)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(dá)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(zhǔn)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(biāo)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(yán)格把握細(xì)節(jié)及關(guān)鍵點(diǎn)，以此保證礦山測量精度和效率達(dá)到預(yù)期。

1.1 基準(zhǔn)站選取

為保證GPS-RTK 技術(shù)應(yīng)用取得預(yù)期效果，基準(zhǔn)站選取極為關(guān)鍵，合理選取的基準(zhǔn)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]?；鶞?zhǔn)站選取需把握以下4 個方面要點(diǎn)：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(zhǔn)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(diǎn)或已知精確坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置基準(zhǔn)站；第四，避開南北極周邊衛(wèi)星影響區(qū)域，在GPS 接收主機(jī)北側(cè)布置基準(zhǔn)站電臺天線。

1.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換

GPS-RTK 技術(shù)以WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)點(diǎn)為測點(diǎn)，多選擇BJ54 坐標(biāo)系統(tǒng)（1954 北京坐標(biāo)系）作為礦山測量坐標(biāo)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(biāo)系存在差異顯著的各點(diǎn)坐標(biāo)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(zhǔn)測定礦區(qū)基準(zhǔn)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?yàn)镚PS-RTK 技術(shù)提供三維坐標(biāo)，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(shí)現(xiàn)測量誤差控制、測量精準(zhǔn)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(diǎn)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(zhǔn)有效，第一時間的結(jié)果獲得和校對也能夠順利實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)時獲取所測得結(jié)果，GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對定位精準(zhǔn)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(diǎn)的原BJ54 坐標(biāo)系統(tǒng)，需要均勻加密控制點(diǎn)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(jìn)行檢驗(yàn)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(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)解算

在傳統(tǒng)測量技術(shù)應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)測量區(qū)域當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)與原始大地經(jīng)緯坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算極為關(guān)鍵，但這種計(jì)算需要獲得具備明確坐標(biāo)值的至少3 個高精度控制點(diǎn)，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(biāo)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(diǎn)的高程及水平位置進(jìn)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(diǎn)位水文下沉值及位移值可順利獲取，進(jìn)而精準(zhǔn)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(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)高差測定由水準(zhǔn)儀負(fù)責(zé)，以此結(jié)合所測數(shù)據(jù)對監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)水平位移與沉降變化情況進(jìn)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(zhǔn)站直接完成各點(diǎn)水平位移和沉降情況的計(jì)算，有效降低作業(yè)強(qiáng)度，大幅簡化作業(yè)流程。

2 地表形變監(jiān)測與地質(zhì)災(zāi)害防治中GPS-RTK 技術(shù)的具體應(yīng)用

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(yán)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(diǎn)[6]。GPS-RTK 技術(shù)是礦區(qū)進(jìn)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(zhǔn)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(jì)、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(jì)

為滿足技術(shù)應(yīng)用需要，案例礦區(qū)的觀測站設(shè)計(jì)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(xiàng)目，該考察需要在設(shè)計(jì)前期完成；第三，做好對觀察線長度的科學(xué)設(shè)計(jì)，充分考慮開采項(xiàng)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(diǎn)，多數(shù)需要開展深埋處理，需保證控制點(diǎn)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(diǎn)底端，控制點(diǎn)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(zhǔn)儀，礦山的地貌、地形由此得以更準(zhǔn)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(diǎn)按照一定順序設(shè)置在觀察線上，具體按照B1、B2 順序進(jìn)行編號，起點(diǎn)編號坐標(biāo)X、Y 分別為24 457 679.178、3 740 052.821，各控制點(diǎn)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(diǎn)，結(jié)合圖1 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該線路鋪設(shè)主要沿礦區(qū)運(yùn)輸?shù)V石進(jìn)行，因此以鐵路轉(zhuǎn)彎位置為鋪設(shè)終點(diǎn)。共設(shè)置測量點(diǎn)10 個，各測量點(diǎn)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(diǎn)10開始的各測量點(diǎn)間存在20 m 間隔，存在670 m 的總長度，按照10～43 進(jìn)行編號，以此完成34 個點(diǎn)的布設(shè)。43 點(diǎn)至最終測量線處之間共布設(shè)5 個點(diǎn)，即43～47，總長度為200 m，點(diǎn)間隔控制為50 m。為實(shí)現(xiàn)對工作面實(shí)際沉降情況更準(zhǔn)確的把握，測量點(diǎn)沿觀察線西側(cè)布置，按照XL1～XL21 進(jìn)行編號，共設(shè)置測量點(diǎn)21 個。

2.4 技術(shù)應(yīng)用效果

為實(shí)現(xiàn)觀察數(shù)值的準(zhǔn)確獲取，保證測量效果達(dá)到預(yù)期，各測量點(diǎn)開展兩次連續(xù)測量，之后有針對性地選取部分測點(diǎn)，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(zhǔn)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(yùn)輸路旁的樹木干擾信號傳輸。移動站在實(shí)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(dá)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(zhǔn)確測量部分坐標(biāo)。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(diǎn)，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(zhǔn)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)

3 結(jié)論

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(fù)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(jì)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(biāo)，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(zhǔn)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(biāo)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(jì)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(zhǔn)站的距離控制、結(jié)合控制點(diǎn)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。