用GPS快速靜態(tài)方式監(jiān)測地面位移

張書華，陳洪年，李洪亮

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州272100）

采礦工程是人類最原始的自然活動之一，地面塌陷是采礦工程所帶來的必然結(jié)果。采煤塌陷是最具有代表性的地面塌陷，塌陷程度深淺不一，塌陷面積大小不同，這與煤層埋深大小、煤層厚度、含煤層面積大小均有一定的關(guān)系。采煤塌陷對地面建筑物造成的破壞程度也不盡相同，輕則造成建筑物基礎(chǔ)的破壞，墻體開裂；重則引起建筑物的垮塌，造成人民財產(chǎn)的損失，甚至威脅到人民生命安全，必須通過監(jiān)測以觀察其發(fā)展程度、發(fā)展速度，以保證人民生命財產(chǎn)的安全，在危險尚未發(fā)生時，采取必要的措施，以減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，將危險掌握在可控范圍內(nèi)。

早期的地面位移監(jiān)測方法一般是通過測角、測邊等方法，計算出位移量的大小，后來隨著全站儀的發(fā)展，精度的提高，一般用高精度的全站儀監(jiān)測地面小范圍的位移。近年來，隨著GPS（Global Position System）技術(shù)的飛速發(fā)展，用GPS監(jiān)測地面位移已成為業(yè)界的主流，不過所用的方法一般是靜態(tài)監(jiān)測法，即用GPS監(jiān)測網(wǎng)通過一系列的解算，求得監(jiān)測點的位移量。最近，隨著GPS精度的提高，GPS的快速靜態(tài)方式也可滿足采煤塌陷地位移監(jiān)測的精度要求，且方便快速，可實時監(jiān)測，工作費用也大規(guī)模降低。我們在鄒城市太平鎮(zhèn)平陽寺村附近的采煤塌陷地監(jiān)測過程中就成功運(yùn)用了該方法，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 工程概況

鄒城市位于山東省西南部，是典型的資源型城市，該市境內(nèi)煤炭資源豐富,含煤面積357km2,占境域面積的22%,地下煤炭儲量達(dá)41×108t,是全國8大煤炭生產(chǎn)基地之一[1]。多年來,煤炭開采在帶動地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時,也帶來了采煤區(qū)塌陷等毀壞耕地、破壞生態(tài)等人為地質(zhì)災(zāi)害方面的問題。

“鄒城市太平采煤區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程（一期）監(jiān)測工程”位于鄒城市西側(cè)——太平鎮(zhèn)平陽寺村，處于新濟(jì)鄒路與泗河交叉處，新濟(jì)鄒路路北，泗河?xùn)|側(cè)，屬兗州煤田范圍。該地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛?，為東亞大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水集中，雨熱同步，冷熱季和干濕季區(qū)別明顯。該地區(qū)水系屬淮河流域，主要河流有泗河、白馬河，屬季節(jié)性間歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含沙量大。監(jiān)測區(qū)域位于兩礦區(qū)交叉開采地帶，地下開采巷道較多，開采進(jìn)度不一，地面沉降情況錯綜復(fù)雜。為了全面掌握煤炭開采與地面沉降的關(guān)系，指導(dǎo)將來采煤塌陷地的治理工作，經(jīng)相關(guān)專家設(shè)計論證，業(yè)主單位決定進(jìn)行為期10年的全面監(jiān)測，其中沉降監(jiān)測和位移監(jiān)測為每季度一次，每年監(jiān)測4次，共建立位移監(jiān)測點34個，監(jiān)測面積為19.4km2。

2 監(jiān)測方法

2.1 控制點的布設(shè)

為滿足位移監(jiān)測的精度要求，必須建立穩(wěn)定的控制點作為基礎(chǔ)，以監(jiān)測地表的位移情況。采煤區(qū)的特點就是，采煤掘進(jìn)區(qū)是始終在變化的，而其工業(yè)廣場在開采過程中是不會變化的。因此，我們選擇兩煤礦（鮑店煤礦和橫河煤礦）的工業(yè)廣場作為基準(zhǔn)點的待選區(qū)域，另取遠(yuǎn)離測區(qū)的兩點作為基本控制點，控制點的布設(shè)見圖1。根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，GPS快速靜態(tài)測量的特點是在基準(zhǔn)點以內(nèi)（內(nèi)含）測得的GPS點比在基準(zhǔn)點之外（外延）測得的GPS點精度高，外圍必須有足夠的等級較高的控制點才能保證其內(nèi)部點的平面位置精度。根據(jù)測區(qū)和調(diào)查取得的實際控制點的情況，我們?nèi)□U店礦、楊村礦、橫河、騎嶺4點作為GPS快速靜態(tài)的首級控制點，按殘差最小的原則求取7參數(shù)。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點布設(shè)及控制網(wǎng)圖

2.2 地面位移監(jiān)測點的布設(shè)

⑴GPS監(jiān)測點位選定要求。根據(jù)GPS監(jiān)測的特點，選點時應(yīng)滿足表1的各項要求。

⑵平面位移監(jiān)測墩的建立。根據(jù)本工程的設(shè)計要求，本工程的位移監(jiān)測點包括兩部分：一部分是監(jiān)測平面位移的監(jiān)測點，另一部分是監(jiān)測治理工程之一——擋墻的監(jiān)測點。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026-2007）要求，本工程水平位移監(jiān)測采用GPS網(wǎng)的形式。根據(jù)本工程的設(shè)計要求，GPS監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)滿足三等水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的要求，即相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差不大于6.0mm。為了提高位移監(jiān)測點的成果精度，也為了本工程長期監(jiān)測（監(jiān)測期為10年）需要，必須制作強(qiáng)制對中觀測墩。根據(jù)本項目設(shè)計要求，地面位移監(jiān)測點采用監(jiān)測區(qū)均勻布設(shè)的原則，在此原則之下，適當(dāng)考慮煤炭開采活動的重點區(qū)域，適當(dāng)增加GPS監(jiān)測點的密度。擋墻監(jiān)測點的作用就是監(jiān)測治理工程已建立的擋土墻，視其變化是否超出一定的范圍，主要監(jiān)測其安全性，次要功能是監(jiān)測擋墻是否出現(xiàn)整體位移，以判定地下煤炭開采和地面位移的關(guān)系。GPS平面位移監(jiān)測點的布設(shè)圖見圖2。

2.3 地面位移監(jiān)測方法

地面位移監(jiān)測采用GPS快速靜態(tài)1+1的監(jiān)測方法，即固定一臺GPS作為基準(zhǔn)站，另一臺為GPS快速靜態(tài)的流動站。所用儀器為美國天寶光譜EPOCH 50 GNSS，精度指標(biāo)∶碼差分定位測量，水平0.25mm+1ppm；垂直：0.50mm+1ppm。靜態(tài)測量及快速靜態(tài)測量，平面3mm+0.1ppm，垂直：3.5mm+0.4ppm，動態(tài)測量，水平10mm+1ppm，垂直20mm+1ppm。由此看出，天寶光譜EPOCH 50 GNSS的快速靜態(tài)方式可以獲得較高的平面位置精度（3mm+0.1ppm）。

為了獲得所需要的地方坐標(biāo)，作業(yè)前必須用已知點求得2種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為此，我們搜集了測區(qū)附近的所有高等級已知點，并根據(jù)實際情況確定其穩(wěn)定性，最后確定以鮑店礦、橫河、楊村礦、騎嶺4個高等級已知點作為參數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)點。實際操作時，首先將4個已知點輸入手簿，將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在距測區(qū)最近的鮑店礦已知點上，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，然后依次將流動站架設(shè)在其他3個已知點上，按殘差最小的原則求得7參數(shù)，啟用7參數(shù)，測得4個已知點的精確地方坐標(biāo)，然后用這4個已知點的精確地方坐標(biāo)再次擬合坐標(biāo)參數(shù)，啟用坐標(biāo)參數(shù)，測定監(jiān)測點的精確坐標(biāo)，精確至0.1mm。

表1 GPS監(jiān)測點位選定要求

圖2 GPS平面位移監(jiān)測點布設(shè)圖

由于單基準(zhǔn)站作業(yè)方式要求流動測站在不同的時段至少設(shè)站觀測2次，因而其檢測人為操作粗差（如對中與量高的粗差）的能力較強(qiáng)，而雙基準(zhǔn)站作業(yè)方式由于大部分流動站只設(shè)站觀測一次，故其不能檢測出人為的操作粗差[4]，故本項目測量皆選取單基準(zhǔn)站作業(yè)。

為了精確測得位移監(jiān)測點的坐標(biāo)，將基準(zhǔn)站架設(shè)在預(yù)設(shè)觀測墩的高層建筑物上，以保證GPS信號的強(qiáng)度與精度。進(jìn)行快速靜態(tài)觀測時，首先在GPS手簿中設(shè)置好基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換7參數(shù)等相關(guān)參數(shù)，每次作業(yè)開始時，將流動站放置在已知點上，以檢驗GPS手簿設(shè)置及其功能的正確性。測量過程中，及時觀察GPS手簿中顯示的各項精度指標(biāo)，包括水平精度和和垂直精度，每點靜態(tài)測量的時間在10min以上。為了滿足位移觀測的高精度要求，作業(yè)中，采取了2項措施提高GPS快速靜態(tài)的水平測量精度：①選擇最有利的觀測時間?？焖凫o態(tài)的測量實踐表明，上午11點之前和下午3點之后，快速靜態(tài)測量成果最穩(wěn)定，測量信號固定也快，故選擇最有利觀測時段進(jìn)行位移點監(jiān)測；②為了保證位移監(jiān)測點的精度和可靠性，位移監(jiān)測點皆在不同的時段重測一次，2次水平較差控制在5mm之內(nèi)。

2.4 地面位移的監(jiān)測結(jié)果

（1）GPS監(jiān)測。按照監(jiān)測方案設(shè)計的總體要求，GPS位移監(jiān)測每季度一次，每年監(jiān)測4次，時間分別為3月、6月、9月、12月份，2016年度部分監(jiān)測點的數(shù)據(jù)見表2。

表2 2016年度部分GPS位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)表

2016年度GPS監(jiān)測點整體位移量較小，有5處監(jiān)測點位移量大于30mm，占全部監(jiān)測點的14.28%，其余監(jiān)測點位移均較小。其中TG-01位移最為明顯，位移量1235.0mm，其次TG-02、TG-09、TG-11、TG-17點位移量均大于30mm，位移較為明顯。點TG-01位于監(jiān)測區(qū)北部鮑店礦內(nèi)，位移量為1235.0mm，主要位移發(fā)生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，主要受采礦作用影響。點TG-02位于監(jiān)測區(qū)北部鮑店礦內(nèi)，位移量為43mm，主要位移發(fā)生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，亦受采礦作用影響。點TG-09、TG-11位于監(jiān)測區(qū)中西部，處在TX1坑?xùn)|岸，TG-09產(chǎn)生位移量59mm，位移方向南西向，TG-11產(chǎn)生位移量82mm，位移方向南東向。兩點各季度位移量大致相當(dāng)。TX1、TX2兩處塌陷坑附近的其余監(jiān)測點位移量均小于30mm，未出現(xiàn)較大位移。點TG-17位于監(jiān)測區(qū)東南部張村，位移量為34mm，位移方向南西向，該點位移量各季度基本相同。

（2）擋墻監(jiān)測。變形量大的監(jiān)測點共4個，其中DQ-03、DQ-04位于TX1南岸擋墻中部偏東位置，其中DQ-03豎向位移量為全區(qū)最大，達(dá)20.2mm，DQ-04水平位移量為全區(qū)最大，達(dá)41.7mm，DQ-11、DQ-13位于兩塌陷坑聯(lián)通處水域沿岸。變形量較大的監(jiān)測點共9個，普遍分布在監(jiān)測區(qū)已修建擋墻處，變形量一般的監(jiān)測點共3個，在監(jiān)測區(qū)已修建擋墻處零星分布。

2.5 監(jiān)測結(jié)果的精度評定

為了確保GPS快速靜態(tài)測量的準(zhǔn)確性，必須非常注意平面測量精度的檢核，每天測量前，先將流動站架設(shè)在已知點上進(jìn)行檢核，作業(yè)過程中，每經(jīng)過已測點或離已知點較近時，皆進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)PDOP值較大（≥3）或成果不穩(wěn)定時，應(yīng)及時進(jìn)行重測，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，必須確保GPS快速靜態(tài)的準(zhǔn)確性和可靠性。該測區(qū)共有35個平面位移監(jiān)測點，每點每年監(jiān)測4次，每次測量獲取相互獨立的2個坐標(biāo)值，取2個坐標(biāo)值數(shù)的中數(shù)作為最終的測量結(jié)果，而2個坐標(biāo)值之差即形成ΔX、ΔY，根據(jù)ΔX、ΔY的大小進(jìn)行精度估算，精度統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 GPS快速靜態(tài)測量精度檢核（審核檢測法）

根據(jù)每個監(jiān)測點2次測量較差的比較，按照同精度觀測值2次觀測中誤差的計算公式可計算出GPS快速靜態(tài)測量點的平面中誤差ΔX為4.3mm，ΔY為3.9mm，滿足該項目設(shè)計要求的不大于6mm，從各位移監(jiān)測點的移動情況看，符合礦區(qū)塌陷地位移的一般規(guī)律，這也充分證明了GPS快速靜態(tài)測量成果的可靠性。

3 結(jié)論

（1）GPS測量作為一種高新技術(shù)的空間大地測量方法，已廣泛應(yīng)用于工程測量的各個方面，但GPS測量受觀測環(huán)境、衛(wèi)星分布及衛(wèi)星高度角等因素的影響，有時會產(chǎn)生較大的位移，故進(jìn)行GPS測量必須時刻注意測量成果的檢核，以防止粗差的發(fā)生，本項目每次測量皆進(jìn)行了中間成果的記錄，及時剔除了有可能出現(xiàn)的粗差，確保了測量成果的可靠性。從表1的檢測情況可以看出，GPS快速靜態(tài)測量可以滿足滿足本項目設(shè)計精度（≤6mm）要求。

（2）用GPS快速靜態(tài)測量方式，大大提高了工作效率。以往用全站儀測量要進(jìn)行測角、測邊、平差計算，測量一次內(nèi)外業(yè)所花費時間往往要花費10多天時間，而采用GPS快速靜態(tài)一次測量所花費時間為1～2d，縮短了野外作業(yè)時間，滿足了監(jiān)測工作需要的快速要求，在很大程度上減輕了野外工作量，為其他監(jiān)測項目的實施騰出了寶貴的時間。