鶴崗礦區似大地水準面精化及成果應用

趙喜江, 楊新宇, 霍大亮

(1.黑龍江科技大學 發展規劃與高等教育研究處, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 礦業工程學院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

GNSS 技術是地面采集單點空間坐標最為高效、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用于實際礦山測量工作,原因是GNSS 技術獲取的點的高程是依賴于參考橢球 WGS-84 坐標系的大地高程,而我國礦山測量工作中,所采用的高程是以似大地水準面為基準的正常高或正高,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技術直接獲取高程時,精度無法滿足礦區地表1∶500、1∶1 000比例尺測圖和開采沉陷監測精度要求。隨著GNSS衛星定位技術、現代通信技術、空間信息技術以及網絡技術的快速發展,許多大型礦區都在陸續建設覆蓋本礦區的CORS系統,但是礦區建設的CORS系統時,站點的初始參數由設備提供商的技術支持人員進行簡易設置,一般沒有充分考慮局部區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,而大型礦區地表變形監測和工程測量的精度要求厘米級,導致礦區CORS-RTK測量高程精度無法滿足測繪生產要求,制約了RTK技術在礦區地表大比例尺測圖和開采沉陷監測工作中的應用。因此,對于高程變化較大的大型礦區,通過似大地水準面精化[2]得到礦區高程異常值的最或是值來調整CORS系統的參數設置,對于提升RTK測量高程精度具有重大的工程意義。

表1 靜態約束平差基線最弱邊

1 研究工作與技術路線

1.1 測區概況

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,最高山峰小白山海拔1 022 m,境內海拔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,從東端梧桐河東到西端的新水源約30 km。礦區西北部和東南以丘陵地形為主,南部以河漫灘為主,礦區高程變化較大,地形地貌錯綜復雜。測區道路較窄,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 工作內容

本次研究工作在鶴崗礦區2021年建成的14個C級GNSS控制點(圖1)和3個CORS站等已有控制網觀測成果基礎上,依據鶴崗市區2020年7月建立的新鶴II-33二等水準點,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三等水準高程控制點,通過對礦區14個C級GNSS控制網點中的356ps、新水源、梧桐河東、鳥山、東線場、新華30隊等六個外圍點和礦務局、峻德救護隊、鳥山等3個CORS站進行三等水準聯測,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高程值,進行礦區高程平差結算和高程擬合,完成礦區似大地水準面精化,得到全部14個控制點三等水準高程和3個CORS站的高程異常值,進而調整CORS站高程異常參數和RTK參數設置。為了檢驗精度,在礦區主要礦井工業廣場附近布設10個近礦點,平面用E級GNSS控制點施測,高程用三等水準施測。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C級GNSS控制點和CORS站點示意

1.3 技術路線

利用前期項目實測礦區首級GNSS控制網及CORS站坐標和大地高程,采用三等水準測量的方法聯測了礦區外圍控制點高程,完成了礦區高程平差計算,通過平面模型法、二次曲面模型法、多面函數擬合法高程擬合比較,優選了結合EGM2008 模型的組合法,運用“移去-恢復”法精化礦區似大地水準面模型[3-5],得到鶴崗礦區全部14個首級GNSS控制點及3個CORS站處的高程及高程異常值,通過調整CORS高程異常參數設置,在礦區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范圍內不能有強電磁波干擾源,如大功率無線電發射設施、高壓輸電線等。

(2)為避免或減少多路徑效應的發生,近礦點應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量,近礦點選在覆蓋整個鶴崗礦區的鳥山、益新、富力、興安、竣德等主力生產礦井工業廣場附近,保證交通便利且點位應易于保存處。

(4)相鄰點間最小距離應為平均距離的1/2～1/3;相鄰點間最大距離應為平均距離的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定。

2.2 GNSS近礦點布設

為了檢驗研究成果,以礦務局、峻德救護大隊2個CORS站為起始點,在礦區5個主力生產礦井的工業廣場附近布設鳥山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 外業施測

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

2.3.2 內業數據處理及精度

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

GNSS近礦控制點的內業平差計算過程如圖3所示,近礦控制點平面精度,其中靜態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程規定。

圖3 靜態約束平差基線最弱邊

表2 靜態約束平差平面最弱點

2.4 礦區高程控制測量

2.4.1 水準測量外業

根據研究工作的精度需要,課題組采用三等水準建立了覆蓋礦區的高程控制網。在礦區已有高程控制點現場踏勘和現狀調查基礎上,確定了采用原礦區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高程控制點,采用CGCS2000坐標系和1985國家高程基準。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,視距小于100 m,前后視距差和累計差不超限,累計實測三等水準路線約80 km。

2.4.2 水準測量精度檢查

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

圖4 閉合水準路線

表3 閉合線路閉合差及限差統計

3 似大地水準面精化及效果驗證

對平面擬合法、二次曲面擬合法、多面函數擬合法和結合EGM2008模型的組合法進行對比試驗,確定上述方法在礦區內的適用性和擬合精度,優選出結合EGM2008模型的“移去-恢復”法來建立礦區似大地水準面,求出高程異常值最或是值的方法。

3.1 結合EGM2008模型的“移去-恢復”

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/水準數據采用“移去-恢復”法[6-7],利用礦區C級GNSS平面控制和三等水準測量得到的坐標和高程測量成果,獲得高精度的區域似大地水準面。具體步驟如下。

(1)移去。選擇鶴崗礦區范圍內具有 GPS 數據與水準數據的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,據此可以計算出對應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。在此的擬合數據為這17個點的剩余高程異常,采用擬合函數解算后,即可得到相應的擬合參數,將待求點的平面坐標通過確定參數后的模型計算后,剩余高程異常值就能夠通過內插形式所獲得。

(3)恢復。利用重力場模型求出重力高程異常,與內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,據此可以求解出待求點的正常高。

3.2 鶴崗礦區高程異常等值線

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

圖5 鶴崗礦區高程異常等值線

3.3 成果應用及精度驗證

3.3.1 高程異常改正

文中以鶴崗礦區LEICA GNSS Spider CORS網絡參考站高程異常值修正過程為例,說明礦區高程異常成果在 CORS系統的應用。

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

②配置通信設備和參數。打開創建的服務器,設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建立了傳感器通訊。

③設置常規站點參數。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據文件選擇下載間隔時間。

④配置接收機坐標等信息。輸入本CORS站點精確的經緯度、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。設置采樣率、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建數據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,即可接收相關的參數和數據。

⑧實測礦區地面點坐標及高程。

根據“創建項目-設置參數-連接流動站”的步驟?？梢酝ㄟ^該軟件中的“轉換”功能對相應的參數、參考橢球、投影和大地水準面模型/殘差進行定義,并通過RTCM信息將它們波發至流動站,流動站不需要手動設置任何轉換參數即可進行坐標轉換。

3.3.2 似大地水準面精化效果檢驗

為了驗證結合EGM2008模型的“移去-恢復”法對礦區似大地水準面精化的精度情況,課題組依據似大地水準面精化成果對鶴崗礦區內已經建成的礦務局、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實測了分布在礦區內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高程值與似大地水準面精化高程擬合后RTK實測高程進行對照檢驗(表4)。

表4 實測三等水準高程與似大地水準面精化后RTK實測值對照統計

由實驗結果可以看出,鶴崗礦區范圍內依托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。實驗證明通過礦區似大地水準面精化和高程擬合,可以顯著削弱高程異常對RTK高程測量帶來的影響。

4 結 論

(1)研究結果證明,基于礦區實測GNSS平面控制成果和三等水準高程控制成果,結合EGM2008模

型,運用“移去-恢復”法精化礦區范圍內似大地水準面模型的技術路線可行。

(2)諸如鶴崗礦區這類地表高程變化較復雜的大型礦區,采用文中精化技術路線得到的礦區似大地水準面模型和高程異常值,采用改進后的CORS-RTK系統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系統可以較好的滿足礦區范圍內大比例尺測圖和開采沉陷日常監測的精度需要,極大地拓寬了RTK在礦區地面高程測量應用場景。