矿山工程测量中GNSS 技术的应用分析

苏海华

（云铜集团玉溪矿业有限公司，云南玉溪 653100）

0 引言

矿山开采前，需要做好工程测量工作，为矿山的建设奠定良好的基础。测量工作的内容包括矿山复垦、地面沉降、地层移动、巷道位移等，做好测量工作才能更好的进行矿山规划设计，完成后续的勘探开发、生产运营等工作[1]。有效完成矿山工程测量，才能保证矿山资源的最大化开发，提供参考信息，作为管理和决策依据，降低安全隐患，提高安全生产水平。近些年来，我国社会经济发展迅速，对矿产资源的开发和利用也更加重视，不断扩大矿山的开采规模，加大开采深度，对工程测量有了新的要求和挑战。因此，需要在原有的工程测量方法基础上积极引用先进的科学信息技术，采取有效的测量方法提高测量水平。目前，我国矿山开采中，特别是露天矿山的工程测量已经广泛应用GPS、RTK等测量技术，更加快捷、高效[2]。

1 简述 GNSS 技术

1.1 简述GNSS 技术的特点和原理

1.1.1 GNSS 技术的特点

GNSS 技术的组成系统包括很多内容，如GPS、BDS、GAILEO等，也可以称为全球导航定位卫星系统[3]。其工作原理为通过卫星系统，对需要测量地形的信息数据进行接收和发送，做好详细记录，作为工程测量和管理进行决策时的参考依据。相对于传统的矿山测量技术，应用GNSS 技术开展测量作业精准度更高。通过三维坐标精确获取位置后，在特定的位置，设置固定测量点，获取相关的信息数据。通过对静态测量技术的应用，获取精准的数据信息，有利于测量质量的提升。

1.1.2 GNSS 技术的原理

从传统意义来看，GNSS 定位技术和后方交会的原理十分相像，可以将GNSS 接收机架设在特定位置，在固定的时间内对卫星到监测点的几何距离进行测量，按照后方交会原理，对获取的信息数据进行全面分析[4]。通过对GNSS 系统卫星发射信号和导航电文的有效监测，精准选择监测卫星的位置。需要注意的是完成此项操作需要保证GNSS 接收机的信号，对4 颗以上的卫星信号进行同步接收，才能应用合理的计算方式对空间位置坐标进行确定，得出卫星测站的具体位置。

不同于其他测量技术，GNSS 技术的操作基本属于自动化技术，进行工程测量时通过网络实现智能化。工作人员在矿山测量工作中，通过GNSS 技术能够应用便携微型测绘设备获取精准的检测数据，经过软件系统进行处理分析后获取精确的信息。GNSS技术基本上没有特别严苛的运行环境方面条件限制，能够应用在不同的领域和施工方面，具有较高的兼容度，操作简便。相较于传统测绘技术的观测，GNSS 技术对卫星的捕捉和锁定更容易，能够有效提高获取数据的精确度和处理分析速度。为了获取较好的效果，可提升GNSS 技术的数目，扩大卫星对地域的覆盖范围。

1.2 GNSS 技术应用的重要性

GNSS 技术是卫星定位系统，能够全面提供信息数据，包括不同的方位、速度、时间和位置等。在地面基准站作为接收数据的基点，基于内设系统对测区内多个控制点应用静态差分定位技术精准定位，由注入站按照规定向GNSS 卫星注入格式编辑导航电文。具体操作方法为，定位测量中通过对流动站储存星历的系统利用，初步计算出不同卫星的大概位置，应用计算机设备对卫星进行观测，选择卫星数量为4 颗，相对范围较广，对GNSS 系统中的空间位置坐标进行确定，计算出流动站具体的精确坐标。GNSS 技术测量作业人员只需要3 人，能够缩短测量时间，获取更加丰富的导航信息，十分高效。另外，每次测量可控制5mm+1ppm 的测量精度，且不会受到各种因素的影响，具有实时性，再加上容易操作的实用性特点，目前应用已经十分广泛[5]。由此来看，在矿山工程测量工作中应用具有良好的前景，可有效提高测量数据的精准度，缩短数据和获取和处理速度，具有重要的作用。

2 不同条件下矿山测量的应用方向及措施

2.1 矿山测量的应用方向

2.1.1 在控制测量中的应用

控制测量能够在矿产开采的不同阶段提供参考，包括坐标和基准点等。做好控制测量工作，才能够为矿山的开采规划、设计、勘探、开发奠定良好的基础。GNSS 技术的应用主要是通过静态差分定位技术进行测量，经接收机对控制点实现差分定位，调整测量时间实现精准测量。传统的矿山控制测量中主要应用导线测量方法，存在一定的局限性；而应用GNSS 进行控制测量不会被相关因素影响（地形、天气等），控制精度更高，且不需要较为严格的测量条件和控制点选点。所以，矿山测量中常应用GNSS技术进行控制测量以获取更为精准的数据。

2.1.2 在建设工程及地形测量中的应用

GNSS 技术在建设工程及地形测量中的应用也很普遍，能够对不同矿山地区（能源性矿区、金属性矿区等）的地形进行测量，包括测量范围和复杂地貌等。例如，充分应用GNSS 实时差分技术构建矿山控制坐标系（至少3 个控制点），应用接收机对卫星和基准站的空间数据进行获取和记录，通过内置系统对收集到的数据进行拟合计算，准确计算观测点的坐标位置，更加快捷高效。传统的测量工作中，一般先航拍整个矿区，全面了解后，应用测量仪器绘制矿区地形图，具有较大的工作量，且测量速度难以满足要求[6]。再加上矿山开采过程中地形条件不断发生变化，无法全面掌控矿区的相关信息。因此，需要不断对测量方法进行创新。在这种情况下，GNSS 技术的应用十分重要，因具有较高的精度、组织灵活，且作业高效受到了普遍的认可，具有较高的推广价值。

2.1.3在生态环境破坏监测中的应用

社会经济的迅速发展下，人类生产活动逐渐增加，对生态环境造成了严重的破坏。矿产开采中可能会出现一些地质环境问题，例如地面裂缝、地面沉陷等。因此，需要对生态环境破坏情况进行检测。原有的监测方法主要为全站仪，在观测生态环境的沉降情况时会受到一定因素的限制，如地形地貌、控制点数量等，效果较差，无法满足当前环保理念下的监测要求。而GNSS 技术的有效应用能够实现快速测量，特别是沉降区域的范围、深度等都能够通过静态差分定位技术进行测量，相对其他测量技术来说工程量更小，便于操作，且精确度更高，是一种有效的监测方法，值得推广应用。

2.1.4 矿区大比例尺地形图的测绘

矿山开采程度随着社会经济的发展在不断推进，大量应用机械化作业虽然缩短了工程量，但是精细度明显不足。不同时间或者区域内的矿山地形会发生变化，且无明确的变化规律，需要测量工作人员持续对矿山地形进行补测和加密测量，以便为后续矿山的开采管理和决策提供参考依据[7]。传统的测量过程主要应用三角网控制测量方法，整个工程具有较大的工作量，需要较多的工作人员，并且操作要求较高，所以测量速度很慢。在测量过程中，若气候不好，或者环境发生变化，均会影响测量的进度和测量数据的准确性。而应用GNSS 测量技术相对来说更加简单，优势明显，只需要选择较高的地点架设基准站，然后在开阔平坦的区域选择一名工作人员对流动站进行操作，测量速度非常快，一个测量点的三维坐标只需要不超过3s 的时间即可采集数据。通过计算机设备导出数据后，结合测量点编码应用相关成图软件即可绘制地形图，极大地减少了工作量。因GNSS 技术应用下的操作流程更加高效简便，让大比例尺地形图的绘制更加简单，能够加快更新率，有利于增强矿山建设实时管理的可能性。

2.1.5 矿区的变形监测

在矿山开采过程中，随着开采深度不断加大，地形相对高差逐步增大，边坡数量不断增加，出现崩塌的可能性不断加大，与此同时，受采空区影响，矿山周边地面出现塌陷的风险也不断增加，开展矿区变形监测，及时发现安全风险并预警是避免重大安全事故发生，保证人员财产安全的有效手段。然而，变形监测的各项指标往往需要达到毫米级或者亚毫米级的精度，这是传统监测方法所难以达到的。此时，建立由数据采集、传输和GNSS 数据处理中心构成的GNSS 自动化变形监测系统可实现长期稳定监视监测点、无线传送高精度监测数据，全年连续对矿山变形进行观测的目的，同时，GNSS 数据处理中心可实时将观测数据进行分析处理，预警超过限制的变形，为矿山管理者实时掌握矿山安全信息提供可能。

2.1.6 露天矿区的控制测量

露天矿区的控制测量中，传统的测量方法存在较大的局限性，不仅严格要求测站点间的通视，还存在工序复杂、测量周期较长等问题，由于操作过程限差较多、不能实时掌控精度也是明显的缺点，经常容易造成返工。因此，露天矿区的控制测量需要采用更加先进的技术方法。GNSS 技术的应用能够通过静态控制测量技术和相应的软件处理结合，对控制点的平差坐标进行精准计算，保证矿山控制测量的高效性。

2.1.7 爆破钻孔的放样

全站仪放样功能是矿山爆破钻孔时常用的测量方法，在应用过程中具有较高的通视程度（测站点与立镜员之间）要求，较高的配合程度（观测员于立镜员间）要求[8]。为了能够有效提高测量质量，降低测量难度，可应用GNSS 技术完成。不同于传统的测量方法，GNSS 技术应用过程中只需要一个工作人员，于GNSS 移动站手薄导入爆破钻孔坐标即可完成放样，不会受到相关因素的影响，工作效率更高，具有明显的优势。

2.2 矿山测量的具体步骤

2.2.1 收集资料

对整个矿山工作区已知的资料，进行全面、详细收集，包括专业性图件、气候环境类资料、社会经济类资料等内容。例如，矿山区域的大地点、水准点、接收点位置、坐标转换参数、气象条件、高程异常改正值、接收点数量、不同比例尺地形测绘图、建筑分布图、社会经济情况、交通图、平面布置图、行政区划图等。

2.2.2 测区踏勘

测区踏勘需要对矿区的整体情况有所了解，例如地形地貌、通信情况、地质环境、供电情况、气象水文等。特别需要注意的是，应用GNSS 测量技术时会受到矿山地区高压线、无线电发射台站等分布情况的影响，需要全面掌控相关信息；对矿山地区已有的位置信息（GNSS 点、三角点、水准点、导线点）进行现场实地核对，精准计算基准站位置，确定后对边界位置进行测量。

2.2.3 GNSS 仪器检验

GNSS 仪器检验主要是为了保证测量工作的顺利开展，控制测量精准度。检查内容较多，首先需要对仪器本身进行检查，包括是否出现破损、配件是否齐全、仪器箱是否匹配、是否配备接收机天线、电源信号灯是否能够正常工作、按键和显示系统是否正常运转等[9]。在实际的检验过程中，不仅需要人工查看确认，还可以利用自测试进行检验。例如，测试接收机接收信号、卫星失锁情况、卫星数据采集和分析速度的快慢等。在上述内容全部进行检验，均确认正常无误后，可继续下一步检验。打开设备，开始测量试验。对不同通道中卫星的方位和高度角进行跟踪记录，通过连续观测获取的数据，计算出经纬度。在设备的运行中，观察相关数值的情况是否正常，例如接收机内部噪声水平、蓄电池的充电度等。确定完成所有检验环节，且均质量合格，才能正式开始使用GNSS 仪器。

2.2.4 设定基准点

设定基准点需要先对矿区的中央子午线和平面坐标系统进行确定。通常情况下应用国家大地坐标系统。需要确定的基准点主要有2 个，选择位置时，尽量选择空旷的固定建筑，因为会涉及很多影响因素[10]。例如，基准点建筑物的地基是否稳定、能不能长期作为基准点使用、作业环境是否安全等。另外，还需要考虑视野开阔情况，确保周围无成片障碍物（≥15°），包括现场操作GNSS 仪器是否方便等情况。最后，可通过GNSS 仪在设定好的基准点上对卫星信号进行接收，实现对控制点平面坐标和高程测定的有效测量。

2.2.5 建立独立平面坐标网

应用GNSS 仪在设定好的基准点建立独立平面坐标网，建立方法包括不同的形式，例如星型网、单三角形、附合导线网、三角网等。需注意的是每个GNSS 控制点需要保持一定的通视方向，至少不低于2 个。

2.2.6 数据处理

全面检查和验收外业提供的成果，对偶然误差和系统误差比例进行统计，首先选择同一时段的数据计算剔除率，然后进行基线解算，选择最优结果。最后进行质量检验，确保三边同步环的坐标分量不超过规范值。

2.3 GNSS 技术在矿山工程测量中的具体应用

本文选择某矿山应用GNSS 技术的案例进行分析：登记区域等级为E 级，由5 个点构成GPS 控制网点，东西长度为1.64km，南北长度为1.43km，总面积为2.35km/m2（实际可控）。工程测量过程中，应用接收机为V30，使用数量为4 台，作业方式为边连接。对矿区的C 级GPS 控制网点（3 个）进行联测覆盖，作为起始数据进行控制网的解算。

高程测区拟合（GPS）后进行空间作业，起始点基础数值为三等水准高程数值，对所有的GPS 测控点应用全站仪进行三角高程网络测量。平差计算后获取不同测点的高程值，进行精度验证。验证过程包括坐标基本转换、高程拟合，通常情况下，应用布尔沙函数模型（7 个转换参数）完成直角坐标系的坐标转换。不过，目前我国坐标系的测量主要应用二维常规技术，相对来说，大地高差较高，需要根据已知点的三维坐标，结合经纬度坐标换算其余点的方式完成坐标转换。高程拟合主要对矿山测区内的水准重合点进行拟合，拟合依据为削高补低，通过平滑多项式曲面实现对大地水准面的拟合，于GNSS 定位网络利用网络起算点对大地水准面的基本形状进行确定，计算高程异常，拟合数据模型和曲面表达式。

3 结语

GNSS 测量技术在矿山测量中，能够通过对卫星的有效利用（发射时间、伪距、星历）完成测量工作，且不会受到障碍物和一定条件的影响，具有较高的兼容度，能够有效提高测量信息数据的收集与处理速度，可广泛应用在控制测量、生态环境破坏监测等方面，具有良好的前景。未来可广泛应用在矿山开采工程中的更多方面，能够发挥更多的作用，意义重大。