应用GPS技术进行大面积地面沉降监测.pdf

第 6期 2 0 1 4年 1 2月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYl NG No 6 De c 2 01 4 d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 5 8 X 2 0 1 4 0 6 0 7 应用 G P S技术进行大 面积地面沉降监测 郭 玉 强 ( 山西省煤炭地质 1 1 5勘查院测绘技术 中心 ， 山西 大同0 3 7 0 0 3 ) 摘要 ： 文 中主要 分析 了大 面积 地 面沉 降监 测 的精度 需 求 ， 研 究 了应 用 G P S技 术进 行 大 面积 地 面沉 降 监测的可靠性和高程精度； 探讨 G P S技术能够发现多大的沉降量； 同时在 G P S监测网的网型结构和 基准点的选择方面就行 了研究和探讨。结果表明： 采用 G P S技术进行 大面积地面沉降监测 ， 获得 了 毫米级的高程精度 ，能够满足大面积地面沉降监测的需要 。 关键 词 ：地 面沉 降 ；G P S技 术 ； 监 测 中图分 类号 ： P 2 2 8 4 文献标 识 码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 2 7 0 3 1 引 言 随着矿 体 和地 下 水 被 过 度 开 采 ， 一 些 地 区 和 城 市 出现了大面积地面沉降 ， 大面积地面沉降地 区常 常面临建筑和城市生命线工程受损、 洪涝灾害频繁 发生 ， 河水倒灌等问题 ， 因此建立地 面沉降监测 网， 掌握大面积地 面沉 降的信息与规 律就显得 尤为重 要 。利用传统 的方法进行大面积地 面沉降监测 ， 监 测 周 期长 、 观 测 距 离 长 、 监 测 面 积 大 、 误 差 较 多 且 工 作 量 大 ， 很 难 满 足 准 确快 速 的对 大 面积 地 面 沉 降进 行实时监测 的要求。利用 G P S技术进行大面积地面 沉降监测 ， 既能够满足实时监测的要求 ， 还具有误差 小和方便快捷的优点。但是 G P S监测网能够发现多 大的沉降量。测高 的可靠性与精确度 ， 基准点 的选 择和网型结构等因素对大面积地面沉降监测结果的 影响至今还不 明确 ， 因此， 本文对大同市南郊 区 G P S 监 测 网进 行研 究 ， 对 以上 问题 进行 了分 析与 实验 。 2实验 验证 对大面积地面沉降进行监测的主要 目的是为 了 获得沉降数据 ， 但是地面沉降监测过程中， 监测点会 随着地面的沉降而下沉， 因此 ， 在监测时需要选择一 个 位 置较为 稳定 的高 程点 作 为 比较 基 准点 。先 前 的 一 些研究显示 ， G P S监测网形结构对 G P S测高精度 的影响比较大 ， 基准点与沉 降区的距离远近也会影 响到监测网的精度和结构 ， 还会提高测高 的比例误 差 ， 测高精度也会降低。由于沉降 区的具体范 围不 容 易 把握 ， 如果 在监测 区附近 选 择基 准 点 ， 那 么基 准 点的可靠性和稳定性都会 大大降低 ， 设置 G P S监测 网难 点 之一 就 是 选 取基 准 点 ， 运 用 G P S技 术 进 行 大 面积地面沉降监测的关键问题即基准点的选取。 G P S沉 降 监 测 与 高 程 系 统 无 关 ， 需 要 的是 不 同 时期监测点的相对高差 ， 因此 ， 观测数据处理只需要 采用 自由网平差结果 ， 不需要进行 高程拟合 ， 从而避 免 了因为 高程 异常值 所 造成 的误差 。 2 1 监 测点 的选择 应用 G P S技术进行大面积地 面沉 降监测 时， 监 测点是反应地 面沉 降信息 的基础 ， 故监测点要 合理 分布于沉降区内， 能够充分的反映出沉降区内沉降 信息。本次实验一共设置了 l 3个监测点 ， 两个基准 点 ， 其 中一个位于监测 区边缘 ， 为基岩标志 ， 另一个 位 于离监 测 区 78 k m 的大 同市 矿 区 1 1 5院 内。 2 2监 测 网形 的设计 本实 验 采 取 边 联 式 成 网 的方 式 ， 选 取 3 台 T R I MB L E R 8双频机作为接收机 ， 具体网形结构如图 l所示 。 l | - 1 3 图1 基 本网形结 均 基 本 网形结 构 中 ， 有 1 8个异 步 环 ， 1 9个 独立 环 ， 3 4条独立基线 ， 2 3条复测基线 ， 是独立基线 总数的 7 1 ， 比国家 G P S测 量规程 中规定 的数 目多 1 0 ， 2 7 第 6期 矿 山 测 量 2 0 1 4年 1 2月 因此 ， 此监 测 网具有 比较 高 的内符合 精度 。 2 3观测 时段 设计 与观 测线路 设计 ( 1 ) 观测时段设计 此监测 网中一 共有 1 9个 独 立三 角环 ， 其 中包 括 了全部 的监 测点 ， 1 9个 初 步设 计 总 时段 数 ， T R I MB L E R 8双频机标定 的精度为 - I- ( 0 5 m m+1 X 1 0 D) ， 因 此将接收机接收时间设计为 1 1 2 h ， 目的是为了能 够获得两组成功的数据。 ( 2 ) 观测 线路 设计 G P S监测 网站 间距 离大 ， 控 制面 积 大 ， 进入 新 的 观测 时段 时 ， 为 了 避免 实 验 中 出现 重 复 测 量 或 者 是 漏测的现象， 接收机 的固定 与移动及移动 的线路都 需要进行优化设计 。实验监测网的观测线路如表 1 所示 。 ( 只取 1 、 2 、 3测 段为 例 ) 表 1 G P S地面沉降监测网观测线路 2 4数 据 采 集 实验中， 将卫星高度截止角设置为 1 5 。 ， 几何精 度因子 P D O P值小于 等于 4 ， 将数 据采样率设 置为 1 0 s ， 采用三次测量平均值 的方式确定天线高。在开 机前联系统一开机接收信号 ， 接收时 问与设计时间 相符之后 ， 再准备移站， 这样做是为了避免联系方式 影响到接收机信号 ， 接收信号时 ， 还要对信号最强 的 卫星号进行记录， 本实验根据设计 的线路 ， 共采集 了 两组数据 ， 两组数据时间间隔为 6 0 d 。 3数据分 析 与处理 3 1 网平 差 与基线 处理 利用 接 收机 配 套 处 理 软 件 ， 对 采 集 的两 组 数 据 进行 分析 和处 理 ， 为 了确 保两 组 数据 的可 比性 ， 网平 差参数和基线处理参数的设置完全相同。 网平差采用 自由网平差 ， 即 3维无约束平差 ， 直 接获取大地高数据 ， 不参与高程拟合计算 ， 基线处理 设置为 1 5 。 卫星高度角， 1 0 s 历元 间隔 ， 选择合格 固 定解 作 为 合格 基 线 解 ， 方 差 比小 于 3 ， 误 差 小 于 0 1 m。 由于 T R I MB L E R 8双 频 机 ， 观 测 值 选 择 L 1 波 段 。 整体处理时 ， 有一部分基线没能够计算 出来 ， 这 时就需要改变基准卫星， 增加历元间隔， 修改有效历 2 8 元 ， 对 不合格 的基 线进 行单 独处 理 。 3 2成 功输 出 应用 G P S技术进行大面积地面沉降监测及输出 结果如下表 2所示 ( 选取部分点号) 。 表 2监 测及 输 出 结 果 第一组数据成果 第二组数据成果 点号 篙 点 号 篙 3 3 数 据分 析 3 3 1 相对高差值 相对高差值的具体计算结果如表 3所示 。 表 3 a 相 对 高 差值 3 3 2 精度 统计 第一组数据中， 最小基线方差比为 3 61 0 D， 最大基 线 方 差 比 为 9 9 91 0 D， 最 小 中 误 差 为 0 0 0 7 m， 最大 中误差 为 0 0 1 4 m， 监测 网 同步环形 最 小相对闭合差为 1 2 61 0 D， 监测 网同步环形最 大相 对 闭合差 为 1 0 7 81 0 D， 最 小 异步 环 形相 对 第 6期 郭 玉 强 ： 应 用 GP S技 术 进 行 大 面 积 地 面沉 降监 测 2 0 1 4年 1 2月 闭合差 为 1 5 91 0 D， 最 大 异 步 环形 相 对 闭合 差 为 1 3 1 41 0一D， 高程 中误差详见表 3 a ， 其 中高程 误差 1 0 c m， 占7 8 9 ， 1 5 c m， 占8 5 7 。 第 二组数据 中 ， 最小基 线方 差 比为 4 41 0 D， 最大基 线 方 差 比 为 9 9 91 0 D， 最 小 中 误 差 为 0 0 0 6 m， 最 大 中误 差 为 0 0 1 6 m， 监 测 网同步 环形最 小相 对 闭 合 差 为 0 4 71 0 D， 监 测 网同 步 环形 最 大 相对 闭 合 差 为 6 2 71 0 D， 最 小 异 步 环 形相 对 闭合 差 为 1 5 41 0 一 。 D， 最 大异 步 环 形 相 对 闭合 差 为 1 6 8 11 0 D， 高程 中误差详见表 3 b ， 其 中高程 误差 1 0 e m， 占 4 3 ， 1 5 e m， 占 2 1 4 。 3 4 精 度 分析 由于监 测 区是 在 非 沉 降 区 中 ， 因 此 两 次 测 量 的 结 果从 理论 上 应 该 是 相 互 符 合 的 ， 造 成 两 次 测 量 结 果 不 同的原 因是 观测 精 度 ， 主 要 是 由于 G P S定 位 时 产生 了误 差 。 由于第一组数据 的接收时间为 1 2 h ， 第二组数 据 的接 收 时 间为 1 h ， 从 精 度 统 计 的结 果 来 看 ， 第 一 组数 据数 据 监测 点 的高 程 精 度 比第 二 组 好 ， 第 一 组 数 据 的质 量也 比第二 组高 。 从 相 对高 差值 的计 算 结 果 中 ， 我 们 发 现 基 准 点 未知的选择对 G P S监测精度 的影响很 大， 基准点位 置直 接影 响到监 测 的质量 和 灵 敏度 ， 监 测 点 a一2就 在监 测 区附近 ， 将监 测点 a一 2作 为 基 准点 得 到 的两 组高 差不 符合 值最 大为 1 8 mm， 而 监测 点 a一1离监 测区的距离较远 ， 测高 比例误差响度较大 ， 短基线与 长基线联结构网使得监测 网内符合精度降低 ， 将监 测点 a一1作 为基准点测得 的两组高差不符合值最 大 为 3 4 mm， 下面 ， 采用 真误 差计 算 中误 差 的方 法计 算 G P S的高差精度 。 以 a一 1为基 准 点计算 的高差 精度 为 ： mAh = ( 1 1 ) 2 n= 5 8 1 9 ( 2 1 5 ) = 1 3 9 mm 那 么测 高精度 为 ： ： ： ： 9 8r n mm k= = = 2 2 以 6 2点 为基准 计算 的高 差精度 为 ： mA h 2 =( 2 2 ) 2 n ： 丽= 6 1 m m 那 么测 高精度 为 ： ： 一 ： - 3 5 - 5-4 mm ： = mn 1 第 一 组 数 据 中 ， 最 大 测 高 中 误 差 为 4 mm 4 3 mm， 第 二 组 数 据 中 ， 最 大 测 高 中 误 差 为 6 0 mm 2 m h ( 限 差 ) ， 由此 可 以 得 出 结 论 ， 将 监测点 61作为基准点监测精度较低 ， 不能满 足当前地面沉降测量 的要求 。 综上所述 ， 将监测点 a 一 2点作为基准点建立监 测 网 ， 并将 监测 接 受 时 间 设 置 为 1 2 h ， 这 一设 计 方 案较为合理 ， 在此基础上 ， 高差 限差取两倍 的 m瑚 ， 即高差 限差 为 4 - 1 2 2 m m， 因此 ， 利 用 G P S技 术 进 行 大面积地面沉降的监测 ， 能够发现 1 0 m m 以上的沉 降量。 3 5技 术 总结 本 文通 过实验 论证 了利 用 G P S技 术进 行 大 面积 地 面沉 降监 测 的 可行 性 ， 利 用 G P S技 术 进 行 大 面 积 地 面沉 降监 测 的监测 精度 也 比较高 。 根据实验 ， 可以发现 ， 在大面积地 面沉降监测实 验时 ， 利用 T R I MB L E R 8双频机时， 接受时间要大于 1 h ， 基准 点 位 置 的选 择 尤 为重 要 ， 监 测 区与 基 准 点 之 间的距离 不要 过长 ， 网形结 构 也要 合 理 ， 这 样 接 收 机 才 能够 比较 准 确 的发 现 1 0 m m 以上 的 地 面 沉 降 量 。 在大面积地 面沉 降监测实 验 中采用双 频接 收 机 ， 监测精度和监测灵敏度都会大大提高， 随着 G P S 技术 的不 断创 新 和发 展 ， G P S数 据 处 理 软 件 也 越 来 越完 善 ， 应 用 G P S技 术 进行 大 面积 地 面 沉 降 监测 一 定会 得到 长远 的发 展 ， G P S技 术 的应 用 领 域 也 会 不 断拓 展 。 4 结 语 G P S定位 技 术 中 ， 平 面 位 置 的精 度 已经 得 到 人 们的广泛认 可和应用， 但是高程分量却往 往被人 们 忽视 ， 由于 G P S技术具有精度高、 观测周期 短、 自动 化程 度 高和 布 网 迅 速 等优