GPS全球定位系统在矿山测量中的应用探讨

摘要：由于GPS全球定位系统对矿区的地形监测以及矿井贯通等方面发挥着非常重要的作用。而且GPS还具有体积小、携带方便等特点。本文主要探讨了GPS 全球定位系统在矿井测量中的应用。

关键词：GPS全球定位仪系统；矿山测量

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：

1 认识 GPS 定位系统

GPS定位系统可以向用户不断发送高精度的三维坐标、三位速度等重要地理位置信息。为位置确定提供精准的数据信息。GPS由空间卫星群和地面监控系统两大部分构成，用户在应用此系统时，还应该配备地面卫星接收设备。整个系统由空间星座、地面监控和用户设备三个环节构成。整体系统有接收机、计算机、数据处理软件、气象仪器等组成。各自发挥接收信息和处理信息的功能。广泛应用在各种测量中的 GPS 全球卫星定位系统，依靠固定位置架设接收机接收卫星信号，4 颗卫星可以在同一时刻的四个位置发出电文，接收机接到信号后，通过计算机及数据处理软件对电文进行分析和计算，从而判断未知点的三维坐标，继而判断地理位置，当然这需要一系列的计算才可以求得。

2GPS为矿山测量提供了崭新的手段

GPS以其具有精度高、速度快、不受通视条件限制、可全天候作业等优点,已广泛应用于各种控制网测量中。大屯煤电公司为了满足某矿西风井近井点的建立及该矿主副井与西风井贯通的需要,于1997年1～4月份,在该矿井田布设了E级(四等)GPS控制网。

2.1GPS控制网的优点

2.1精度高

(1)该矿井田GPS网共15个非同步闭合环,相对闭合差达到10-6的占53.3%,最大相对闭合差也小于4×10-6。

(2)附合路线最大相对闭合差小于10-5。

(3)无约束平差计算后,最弱点点位中误差为0.6cm,约束平差后最弱点点位中误差为1.69cm,均远远小于四等网最弱点点位中误差5.0cm的限差。

2.2速度快

该井田GPS网共布设27个点,其中国家三等三角点4个,新施测四等点23个,构成15个非同步闭合环。由于不受通视条件限制,可全天候作业,从4月17日至21日,就完成了40条独立基线的观测工作,这是其它控制测量方法无可比拟的。

2.3价格便宜

按照国家测绘局1993年5月制订的测绘收费标准,观测一个四等三角点平均收费2040元,观测一个四等光电导线点平均收费1765元。而观测一个E级(四等)GPS控制点目前市场报价为700元,况且如要保证高级点间通视,再造一座20m以上的高标,材料费加上人工费等,需数万元。换句话说,造一座20m以上的高标的费用就可以布设1～2个该井田E级GPS控制网。

3 矿山GPS 全球定位系统的应用

矿井测量是矿山企业开发过程中具有非常关键的作用，可以说是一项重要的基础性技术工作，以往在矿井测量中，更多地是采用传统的平面控制测量方法，这种方法在很长一个时期，为测绘工作所使用。但是随着科技的飞速发展，地面测绘仪器越来越表现出受地形条件、季节变化和障碍物的影响的弊端，并且测量的工作量大、持续的时间长、点间距必须在通视情况下才可以测量的弱点。全球卫星定位系统技术的研制和使用，克服了地面测量的弊端，作为一种新型的高精度测量仪器，为矿区所接受和使用。

3.1 做好测量前的准备工作

卫星定位系统的使用和普通测量仪器的使用有不同之处，那就是测量前，要做好准备工作。不仅仅是技术和仪器方面的准备，还有对测量矿区的地形图、控制点、交通、通讯、气象等数据的采集和分析，以及 GPS 网布设、埋石点位的选择和确定等工作准备。尤其是埋石点位的确定，要实地踏勘，选择周围视野开阔，区域内障碍物高度不超标的地区；避免在大功率发射源附近，避免在高压线附近；不要在有干扰物附近及大面积水域内；埋石点的选择要牢固、稳定，可以长时间不变。在工程建设区域内,以必要的精度测定一系列控制点的水平位置和高程,建立起工程控制网,作为一系列测量的依据,这项测量工作称为控制测量。地面控制网的布网原则:由大到小逐级控制;具有足够的密度;具有足够的精度;要有统一的技术规格。它一般是以三角网的形式布设。井下控制测量也包括平面控制测量和高程控制测量。它的坐标系统及高程系统与地面坐标控制系统一致,是由地面坐标系统和高程系统从井筒或斜井传递到井下,求出与地面坐标系统一致的井下经纬仪导线的坐标。井下由于受巷道通视限制,控制测量的作业与地面导线测量有明显的不同。井下机器作业使空气污染、光线暗淡、井巷限制、通视情况不好,加之松石等安全因素,测量工作较地面困难得多。如何克服上述因素,保证矿山井巷贯通测量的质量,是矿山测量工作者的重要任务。

3.2 地面控制网的布设

矿山的测量主要应用在井下贯通，以及井下作业施工中，因此在测量控制网的布设方面，应该以井口为主要中心进行网络布设，使坐标可以向井下传递。首先是确定网络等级，采用静态定位等内容。按照测量规范进行测量，其次是按照矿井测量规定进行测量，根据相关规定进行网点的布设，网点的布设按照《工程测量规范》进行，根据《全球定位系统的测量规范》进行。在实地踏勘的基础上，进行测绘点的确定，一般需要布设四个四等 GPS 点才可以完成测量。

在每一个矿井的井口布设一个近井口点和一个定向点，近井口点要和附近的网点相通视，而且最少要保证 2个点。这样做的目的是预防近井口点发生变化时，可以根据这两个点进行恢复。保证布设的测绘点满足信号接收的要求。为了减少测量中偏垂线的影响，各个测绘点之间的高度角，需要保持在最小范围内。竖井口也应该布设测绘点而且是可通视或者不通视的两个点。我们都知道，矿山的井口是一个关键的场所，进入井下的必经之路，所以这里的点极其容易遭到破坏，因此多选备用点，可以及时恢复被破坏的点。为避免井下环境、安全及观测误差等因素影响精度。或个别方向由于通视不佳,可能在观测中只好先行放弃,待以后再补测。采用测回法分组进行观测。在方向观测中,当分成两组观测时,每组的方向数应大致相等,并包括两个共同方向(其中一个是零方向),以保证两组观测成果有可靠的联系和检核。由于两组方向观测联测了两个共同方向,便产生一个测站条件,这就是两组观测成果分别进行了方向观测的测站平差后,它们的联测角值(两个共同方向盘的夹角值)理论上应当相等。实际上,由于存在观测误差,它们一般是不相等的。因此,根据两组观测的联测角值之差可以检核两组观测成果的质量。

2.3 数据观测及数据处理

做好 GPS 接收机在开始观测前的预热和静置准备，技术人员应该严格按照规范进行科学操作，统一在调度指挥下，各组密切配合作战，同步观测同一组卫星。对于观测过程中的各种数据认真记录和整理，各个环节都不能错过，每一次记录最少保证三次，取平均值。三次测量的数据选择开始阶段、中间阶段、结束阶段三次记录。在观测结束后，及时进行数据的整理和计算，相应等级规定的精度（按基线长度计算），最后在计算机上进行验算。煤矿的施工多数在地下，因此在这样的特殊环境中利用 GPS进行不通视情况的测量，十分科学和适用。在测量过程中，首先要确定测量方法、制定测量方案、布设网络等，最后进行观测数据的计算。只有严格按照操作规范进行选点和观测，才能够保证测量数据的精准。

结语和展望

展望21世纪,矿山测量将在以下方面得到发展:

(1)测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步提高,其应用范围将进一步扩大,影像、图形和数据处理方面的能力进一步增强;

(2)在变形、岩体移动观测数据处理方面,将发展基于知识的信息化系统;

(3)多传感器的配合测量系统将得到迅速发展和广泛利用,如GPS、北极星等全球定位系统技术将紧密结合工程项目,在勘测、设计、施工等控制管理中发挥极大作用;

(4)数据处理中数学物理模型的建立、分析将成为控制测量中的重要内容。

参考文献：

[1] 汪云甲,郭达志,邓喀中,卞正富,吴立新,张书毕,杜培军.我国矿山测量学科的发展与创新[J]. 测绘通报. 2005(02)

作者简介：刘建东，测绘工程，唐山开滦赵各庄矿业有限公司，助理。