煤矸石山治理中RTK聯(lián)合免棱鏡全站儀的測圖實踐

陳勝華，梁 爽

(1.太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

煤矸石是采煤過程中排出的固體廢棄物，是我國目前存量最大的工業(yè)固體廢棄物，目前最主要的排放方式是露天堆積。由于組成物質(zhì)具有特殊的物理與化學(xué)性質(zhì)，大量露天堆放的煤矸石經(jīng)長期風(fēng)化、淋溶、氧化自燃等物理化學(xué)作用，對煤礦區(qū)以及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞和環(huán)境污染，因而導(dǎo)致諸多社會問題和環(huán)境問題，如因氧化與自燃對礦區(qū)土壤及水環(huán)境造成的酸性污染與重金屬污染，嚴(yán)重性不容忽視，亟待進(jìn)行研究并采取措施進(jìn)行控制。

在對煤矸石山進(jìn)行綜合治理過程中，地形圖是規(guī)劃設(shè)計及工程量計算所必需的基礎(chǔ)資料，能否快速獲得具有良好現(xiàn)勢性的地形圖，直接影響煤矸石山綜合治理的順利實施。煤矸石山屬人工堆墊，區(qū)域地貌往往較為復(fù)雜，如坡度陡峭、矸石疏松等，傳統(tǒng)的測圖方法難以進(jìn)行，且測量速度慢，費工費時。RTK實時動態(tài)測量技術(shù)不需布設(shè)加密控制網(wǎng)，定位速度快、精度高，在地形較為陡峭、難以立桿施測地區(qū)，可采用與免棱鏡全站儀聯(lián)合施測的方法，輔助快速采集碎部點。本文在北京市門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山采用RTK與免棱鏡全站儀聯(lián)合的測圖方法，實踐表明該方法可靠易行，并進(jìn)一步總結(jié)了煤矸石山測量的特殊性及對策。

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)的龍泉鎮(zhèn)境內(nèi)，屬采煤礦業(yè)廢棄地，為原京西局城子礦煤矸石堆積場(停止排矸迄今約20年)，自上而下的排矸方式形成椎形山體，屬典型的“人工地貌”，占地面積約6.09hm2，無自燃現(xiàn)象。如圖1所示，項目區(qū)煤矸石基本裸露，大部分區(qū)域寸草不生，錐形山體西側(cè)和北側(cè)人工挖掘并有自然冒落痕跡，形成坡度大于45°，松軟極不穩(wěn)定；山體東側(cè)及南側(cè)可見野生植被，喬木以臭椿為主，偶有洋槐，草本以禾本科為主，但植被覆蓋密度小，生長凌亂，品種單一，喬木間距大，不利保持水土和環(huán)境保護(hù)；山的中下坡及山谷幾乎無植被，堆積矸石粒徑較大，難以在短期內(nèi)自行粉碎風(fēng)化，因此空隙大，持水性差。另外，裸露矸石與周圍綠色植被和美麗的自然景觀形成鮮明對比，并導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量下降、生物多樣性減少和生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)，危害當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社會環(huán)境，嚴(yán)重影響龍泉鎮(zhèn)乃至全區(qū)的人居生活及旅游業(yè)的發(fā)展。為了適應(yīng)北京市生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè)和鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展的主導(dǎo)思想，擬將該煤矸石山及其周邊的空地進(jìn)行植被恢復(fù)，加快自然植被恢復(fù)的速度，實施矸石山綠化工程。如何針對煤矸石山的特殊地形，快速提供真實可靠的地形數(shù)據(jù)，便成為測量工作的關(guān)鍵。

圖1 龍泉鎮(zhèn)煤矸石山

2 RTK相對測量原理與可行性分析

所謂RTK(實時動態(tài)定位技術(shù))測量技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分技術(shù)，RTK定位是通過基準(zhǔn)站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(如偽距或相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)(如基準(zhǔn)站點坐標(biāo))實時傳輸給流動站接收機，流動站快速求解整周模糊度，在觀測到4顆以上衛(wèi)星后，可以實時地求解出厘米級的流動站動態(tài)位置坐標(biāo)。應(yīng)用RTK技術(shù)測量，原則上需要在測區(qū)周圍有至少兩個已知控制點作為檢核，即先在一已知控制點上架設(shè)基準(zhǔn)站，然后用移動站在另一已知控制點進(jìn)行檢核，檢查合格后就可以進(jìn)行施測。

本項目區(qū)面積大約6.09hm2，位于地理位置相對偏遠(yuǎn)的廢棄礦區(qū)，周圍主要是山地，地形起伏，通常這里干擾衛(wèi)星信號的因素少，能夠接收到的衛(wèi)星數(shù)量多，較之傳統(tǒng)的測量方法，RTK技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，可以快速采集項目區(qū)內(nèi)碎部點，對于局部陡峭地方無法立桿采點區(qū)域，使用全站儀快速補充采點，最終順利完成項目區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。其次，對項目區(qū)采集地形數(shù)據(jù)主要是為矸石山綠化工程計算工程量服務(wù)，故最終地形數(shù)據(jù)只要保證相對位置數(shù)量正確無誤即可，所以采用流動站測得的WGS-84坐標(biāo)作為擬適用的坐標(biāo)系統(tǒng)，在缺少已知控制點的情況下，解決相對定位問題是可行的。

3 煤矸石山地形數(shù)據(jù)采集

3.1 RTK基準(zhǔn)站架設(shè)

經(jīng)過在項目區(qū)范圍內(nèi)實地踏勘，決定將基準(zhǔn)站架設(shè)在矸石山旁邊公路旁相對較高的位置，視野較開闊，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源諸如電臺、微波站以及高壓輸電線路。根據(jù)所適用的南方天王星9800GPS電臺的功率及覆蓋能力，在此位置選取WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的已知點(假設(shè)高程值為200，這樣保證整個施測區(qū)域高程值為正)作為基準(zhǔn)站，不僅可以很好的安置儀器設(shè)備，又可以獲取最佳的數(shù)據(jù)通訊有效半徑。

完成好GPS接收機以及相關(guān)數(shù)據(jù)線的連接后，開啟GPS電源等待搜索衛(wèi)星信號，待接受衛(wèi)星信號達(dá)到5顆及以上時，即可開通電臺，待電臺信號指示燈穩(wěn)定后，即可使用流動站開始碎部點采集。

3.2 測量工作要點

流動站數(shù)據(jù)線連接好后，打開電源和手簿電源，等待接收衛(wèi)星信號，當(dāng)衛(wèi)星信號達(dá)到5顆及以上時，在手簿上設(shè)置好工程、文件，當(dāng)狀態(tài)為固定解時，便可以適用流動站開始采集數(shù)據(jù)點，坐標(biāo)點隨即便存入手簿中。

煤矸石山綠化工程是對煤矸石山進(jìn)行植被恢復(fù)和生態(tài)重建的土地復(fù)墾工作，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以前期地形資料的提供不僅僅是簡單的地形數(shù)據(jù)，更有許多反映煤矸石山上實地情況的實時數(shù)據(jù)需要了解，以下對此次測量工作要點做簡要說明：

1) 根據(jù)復(fù)墾區(qū)域?qū)嶋H情況，煤矸石山復(fù)墾綠化工程規(guī)劃設(shè)計需要較為詳細(xì)的地形資料，按照需要，地形圖施測比例尺為1∶500。

2) 煤矸石山綠化工程主要任務(wù)是對整座矸石山進(jìn)行植被恢復(fù)，并構(gòu)建一個多元的生態(tài)系統(tǒng)。在煤矸石山復(fù)墾整形時，對于植被恢復(fù)或土壤風(fēng)化較好的地方，應(yīng)盡量保持地表不動，所以在矸石山體上采集碎部點應(yīng)對以下區(qū)域著重進(jìn)行：山體上局部地區(qū)的小平臺；一些灌木、喬木(如臭椿，洋槐)長勢比較好的區(qū)域，分為疏林和密林地兩類(對個別長勢尤其好的樹木要采集坐標(biāo))；山體上局部風(fēng)化比較好的草地；大片在復(fù)墾時需要進(jìn)行客土的礫石地等。

3) 對于三級平臺區(qū)域，要適時采集相當(dāng)數(shù)量的高程點，以便形成真實的等高線圖，便于施工設(shè)計計算土方量。

4) 以上各項工作在用流動站采集數(shù)據(jù)點的時候，主要是對其邊界特征碎部點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另外由于山體復(fù)雜，另需一人實時記錄草圖。全部數(shù)據(jù)采集完成后，還需在內(nèi)業(yè)成圖工作中體現(xiàn)出來。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

索佳SET系列免棱鏡全站儀一人照準(zhǔn)即可操作，方便快捷，在北坡陡面按縱列順序均勻采集數(shù)據(jù)點，所采集坐標(biāo)最后成圖時按表1格式保存。

表1 陡坡補測點格式存儲

3.4 精度分析

項目區(qū)快速點位采集誤差主要來自于三個方面：已知控制點誤差，RTK測量誤差，全站儀測量誤差。本次測量保證采集碎部點相對位置正確無誤，故只考慮RTK測量誤差和全站儀測量誤差。

1) RTK測量誤差

RTK測量誤差一是和儀器以及干擾有關(guān)的誤差，包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素；二是與距離有關(guān)的誤差，包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。

對固定基站而言，和儀器以及干擾有關(guān)的誤差可通過各種校正方法予以削弱，與距離有關(guān)的誤差將隨移動站至基站的距離的增加而加大，所以RTK作業(yè)時，半徑不宜過長(3km以內(nèi))。

在流動站采集完數(shù)據(jù)以后，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠性檢核，從所測數(shù)據(jù)中抽取30組數(shù)值，用全站儀進(jìn)行復(fù)測比較。實驗結(jié)果表明，在3km半徑范圍內(nèi)，南方測繪公司RTK采集碎部點數(shù)據(jù)與索佳SET系列全站儀所測數(shù)據(jù)比較得出，差值最小為4mm，最大為20mm，高程值最大為27mm。這種點位坐標(biāo)誤差完全符合綠化工程要求，不影響土方量計算可靠性。

2) 全站儀測量誤差全站儀測量誤差主要有儀器誤差、外界條件影響和觀測誤差三部分，直接誤差來自于對中、照準(zhǔn)、測角和量邊，假設(shè)其函數(shù)關(guān)系為：

根據(jù)誤差傳播定律，對上式兩邊取全微分，得：

所以有

式中,mA、mD、mα、md、mx分別為測站點誤差、量邊誤差、測角誤差、對中誤差和照準(zhǔn)誤差，D為邊長。本次測量所使用的索佳SET系列全站儀測角部精度為2″，測距部精度為±(4+3×10-6×D)mm，式中其他數(shù)值在測區(qū)1km范圍內(nèi)分別取±2.0cm、±0.2cm、±0.2cm、±1.0cm，其中mα=±2″，計算得到點位誤差為±2.1cm。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成圖

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，將外業(yè)測量儀器采集數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)線導(dǎo)入計算機，并以固定格式保存為.dat文件(固定格式見表1)，然后利用南方測繪成圖軟件CASS7.0展繪野外高程點，而后分別生成DTM和三維模擬圖像，和實地照片比對，逼真程度較高，較好地復(fù)原了項目區(qū)矸石山實際地形，如圖2、圖3。

完成以上工作開始繪制地形圖，根據(jù)矸石山綠化工程需要，在成圖時，將治理過程中可能需要保留或整形的局部區(qū)域?qū)ｉT標(biāo)注繪制出來，最終根據(jù)矸石山綠化工程的需要得到最終的地形圖，資料如圖4。

圖3 野外高程點生成的DTM

5 結(jié)束語

1) 針對項目區(qū)實際情況，選取了快速采集數(shù)據(jù)的測繪方法及儀器，實踐證明，RTK和全站儀聯(lián)合測圖適用于煤矸石山特殊地形。

2) 總結(jié)了矸石山綠化工程野外測量數(shù)據(jù)采集需要注意的特點，即根據(jù)矸石山植被現(xiàn)狀及地形特征進(jìn)行選擇性加密采集數(shù)據(jù)(如植被恢復(fù)或土壤風(fēng)化較好的地方)，以保證為煤矸石山生態(tài)恢復(fù)的治理過程提供可參考的基礎(chǔ)性資料。

圖4 項目區(qū)矸石山最終地形圖

3) 在項目區(qū)煤矸石山陡坡或存在很多人工無法立桿設(shè)點的斷裂面和坡度較大的陡峭地域( 我們稱之為難及區(qū)域),使用免棱鏡全站儀進(jìn)行直接照準(zhǔn)觀測，經(jīng)過精度分析符合作業(yè)要求。

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