GPS在抚顺西露天矿北帮地面变形监测中的应用

文章编号:1009 6825(2010)16 0358 03GPS 在抚顺西露天矿北帮地面变形监测中的应用收稿日期:2010 02 22作者简介:王翠珀(1974 ),女,高级工程师,辽宁省地质环境监测总站,辽宁沈阳 110032王翠珀摘 要:针对抚顺西露天矿北帮的滑坡地质灾害,探讨了G PS 全球卫星定位导航系统在该矿边坡变形监测中的应用,介绍了GPS 系统的定位原理和特点,阐述了抚顺西露天矿监测网系统的设计方案,并根据测量的初步成果提出了建议,以期确保矿区人民生命财产安全。

关键词:露天矿,边坡,GP S 系统,原理,特点中图分类号:T U 198文献标识码:A1 概述抚顺西露天矿采坑是亚洲最大的露天采坑。

该煤矿采坑北帮紧邻抚顺市区,并有中直企业抚顺石油一厂、辽宁省直企业抚顺发电厂等企业单位。

长期高强度的矿山开采诱发了一系列滑坡地质灾害。

因此开展边坡监测,确保当地安全尤为重要。

本项工作旨在运用GPS 技术对抚顺西露天矿边坡开展全面监测,积累数据,以研究边坡的稳定性。

本文探讨了利用G PS 技术对抚顺西露天矿北帮进行变形监测,论述了GPS 监测方法的可行性。

利用G PS 进行位移监测,一般有两种方案:第一种方案在监测点上建立无人值守的G PS 动态观测系统,通过软件控制,实现实时监测和变形分析、预报。

第二种方案是用几台GPS 接收机,定期到监测点上静态观测,对数据实时处理后,进行变形分析与预报。

GPS 全球卫星定位导航系统(Global P ositioning System,GP S)是美国于1994年全面建成的,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

经过近10年我国测绘等部门的使用表明,G PS 具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,并成功地应用于大地测量、工程测量、工程变形监测等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

2 GPS 系统原理A =114.517,B =-17.474。

即说明在以D 2为原点的坐标系统中,P 点的坐标为(-17.474,114.517)。

而其他的轴线控制点、外框转角点、楼座及车库的转角点等,均可根据图纸中与施工坐标原点的相对位置计算其坐标,特别对弧形建筑、多角多点建筑的测设放线,提高测量精度,满足施工需要,更是方便高效,操作性强。

5 坐标换算的实际意义在施工测量过程中,当建筑物的外形复杂,测量的范围较大时,为了保证测量精度和施工需要,使用坐标控制轴线和建筑外框线是比较简便准确的方式。

例如:本工程中外框线很复杂,又分为车库、楼座、人防兼自行车库三部分,面积大于1万m 2,还涉及到与一期工程的连接部分。

建筑面积大、分部多,对于测量放线的要求较高。

使用坐标控制是比较现实有效的方法。

而现行的很多设计图纸都没有使用测量坐标系统,而是采用独立的施工坐标系统,而且换算后的坐标便于在测量放线工程中对于距离和角度的计算。

这样,正确而简便的坐标换算是施工测量比较有意义的一步。

此外,随着现代人们审美观念和设计、施工及材料技术的提高,建筑物(特别是住宅、办公、宾馆饭店、医院及公共建筑)外形越趋独特、复杂、多变,测量精度和角度、距离要求相应提高,施工速度要求缩短,这无形给施工测量放线工作带来极大的难度和工作量,正确并且简便的坐标换算法是解决目前现状的最好方法,值得推广应用,并在今后的实践中总结和提高。

将施工坐标系统与测量坐标系统的坐标进行换算,使其坐标统一,便于施工中的轴线控制、计算及复核,对施工整个过程具有测设方便、准确,减少施工测量放线的工作量,提高经济效益和施工质量。

特别对复杂外形、多点建筑物的施工测量放线工作具有很好的应用前景。

参考文献:[1] 陈宏亮,黄慧风.一种新的曲线坐标计算方法[J].山西建筑,2009,35(15):358 359.On coordinate conversion in construction measuringSUN Zhi yingAbstract:In order to make the measuring convenient in constructions,thesis tells the w ay to converse the coordinate of state measuring contr ol network to the one o f the construction coordinate system,so as to lay a base for the future measuring in large comprehensive and complicated shaped buildings constructions.Key words:construction,measuring,coor dinate system,coor dinate conv ersion358 第36卷第16期2010年6月 山西建筑SHANXI ARCH IT ECTUREVol.36No.16Jun. 20102.1 GPS定位原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。

如图1所示,假设t时刻在地面待测点上安置G PS接收机,可以测定G PS信号到达接收机的时间 t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据可以确定以下四个方程式: [(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(v t1-v t0)=d1;[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(v t2-v t0)=d2;[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(v t3-v t0)=d3;[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(v t4-v t0)=d4。

上述四个方程式中待测点坐标x,y,z和v t0为未知参数,其中d i=c t i(i=1,2,3,4)。

d i(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

t i(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:x,y,z为待测点坐标的空间直角坐标。

x i,y i,z i(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,可由卫星导航电文求得。

v ti(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。

v t0为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x,y,z和接收机的钟差v t0。

目前GPS系统提供的定位精度是优于10m,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分G PS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。

根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。

用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。

2.2 GPS系统的组成GPS由三个独立的部分组成:1)空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星。

2)地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。

3)用户设备部分:接收GP S卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。

GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

2.3 GPS系统的特点1)全球,全天候工作:能为用户提供连续、实时的三维位置,三维速度和精密时间,不受天气的影响。

2)定位精度高:单机定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。

3)功能多,应用广:随着人们对GPS认识的加深,G PS不仅在测量,导航,测速,测时等方面得到更广泛的应用,而且其应用领域不断扩大。

3 抚顺西露天矿北帮监测网系统3.1 监测网基准设计1)G PS观测数据的平差结果不再归算到BJ54椭球下,而是直接使用WGS84坐标,因此无需再进行坐标转换和解算旋转参数和尺度因子,消除了由此带入的系统误差。

2)确定某一监测起算历元(如2007年4月1日),对监测网(尽可能的包括所有基准点,实时监测点和人工流动监测点)进行整网无约束平差。

3)将无约束平差求得的两个基准点(将军水厂站和葛布水厂站)的WGS84大地坐标作为WG S84椭球基准下的固定坐标,自始至终将使用该套基站坐标,从而保持整个监测结果的一致性。

4)将WGS84大地坐标进行123!带高斯投影至平面坐标,求得N EU各分量,即为每天数据处理的最后点位坐标成果。

5)尽可能保证两个基准点都参与每天的数据解算,并严格控制处理结果中的点位精度。

如果由于观测条件、数据质量等因素造成的某些点位精度超限,宁可弃之不用。

6)对于建有强制对中器的监测点,每次的天线高为定值,可选择不输入天线高;而其他天线高每次测量都会发生变化的监测点,则一定要输入天线高。

3.2 GPS全球卫星定位系统监测在滑坡体外选取地质条件较好,基础相对稳定的点位,作为监测基准点;在滑坡体上选择有代表性的点位作为监测点,标志点全部采用混凝土强制对中监测墩,观测时采取多点联测。

GPS 监测方法,可进行全天候监测,不受通视条件限制,同时监测x, y,z三维方向位移量,方便灵活,并可监测灾害体所处地带的区域地壳变形情况。

采用的日本拓普康公司生产的G PS,最小采样间隔1s,最少跟踪和接收12颗卫星,使用软件解算,精度可达水平3mm,垂直3mm。

3.3 监测数据处理及精度分析由于所要监测的变形量级相对比较小,为了能够精确地测出其变化,要求变形监测网具有较高的精度。

对此,抚顺监测网设计书要求:建成的抚顺西露天矿北帮GP S监测网,应覆盖该区。

投入正常运行后,可获得西露天矿北帮边坡变形监测点位坐标的长期、连续、可靠的测量数据,为相关地质灾害的监测及预警决策服务。

变形监测的特点是定期重复监测,各期观测的外界条件基本相同,系统误差在各期观测中基本相同。

分析同一条边多期测量的结果,比较其差值可以检验重复定位精度,发现变形的区域。

在对测量方法和观测数据处理采取适当措施后,两期成果之差基本不受系统误差的影响。

4 测量获得的初步成果[2]测量获得的初步成果表明:西部滑坡、沉降活动较强烈区(W1500∀E900)内的各GPS监测点,其x坐标值大多逐渐变小,表明向南移动;y坐标值大多逐渐变大,表明向东移动;z坐标值大多逐渐变小,表明向下沉降,尤其#剖面03号点最为明显。

5 结语抚顺西露天矿北帮监测工作过程中,建议在加强专业监测工作的同时,搞好群测群防,力争将地质灾害可能给人民生命财产带来的损失减少到最小的程度。