GPS-RTK技术在地表形变监测与地质灾害防治的应用研究

史少卿

（山西省煤炭地质物探测绘院有限公司，山西 晋中 030600）

地质灾害的破坏性大，严重威胁当地居民的生命财产安全。因此，如何有效地开展地表形变监测与地质灾害防治是必要的。在地表形变监测与地质灾害防治中，GPS-RTK 技术在测量效率、测量精度、人力物力消耗等方面均具备显著优势[1]，存在数据准确度高、操作简便、自动化程度高等特点。为此，本文对GPS-RTK 技术在地表形变监测与地质灾害防治的应用展开探讨，旨在为更加有效的监测地表形变和防治地质灾害提供参考。

1 地表形变监测与地质灾害防治中GPS-RTK 技术的应用方法

地质灾害点大多出现在地形陡峭的山区，主要具有以下特点：一是海拔高，高差较大，沟体窄长，通视效果差，测区面积往往小，且大多具有不规则外观；二是在滑坡发生点，主滑方向甚至约等于90°，堆积体不仅陡立，而且碎滑，给人员攀登造成了极大不便；三是滑坡体后缘常见裂缝，且呈无规则分布。

GPS-RTK 技术，即实时动态定位技术，是一种基于载波相位观测值的高新技术，可对厘米级的点予以准确定位，并实时提供其三维坐标。近年来，由于采用GPS-RTK 技术进行定位具有全天候、全覆盖、高效率等特点，因此已成为地表形变监测中极为重要的测量手段，其在形变监测中的测量精度已达到亚毫米级。不但定位精度高、可靠性好、布网灵活，还能精确地确定对流层、电离层参数，不受通视条件的限制，因此在地表形变观测等方面得到了应用。同时，由于GPS-RTK 测量能够选择测量频率，其在时间域上的分辨率能达到分钟级甚至几十秒级。当前，许多国家都建立了自己的连续监测网，用以连续动态监测地表形变。地表形变监测与地质灾害防治中GPS-RTK 技术的应用已经较为成熟[2]。

GPS-RTK 技术监测是经过在矿区建立地表形变监测网，在变形体上选择具有代表性的监测点进行多期观测，获得数据后对变形体上监测点的位移进行综合分析，在具有足够精度的前提下精确地推断整个变形体的变形特征，其目的是要获得变形体的空间状态和时间状态，以分析变形产生的原因，从而达到矿区内地质灾害预测的目的[3]。具体应用方法可概括为7 个方面，包括基准站选取、参数转换、观测时间选取、构建矿区控制网、坐标转换参数解算、地面形变测量、矿区工程测量，这类应用需要严格把握细节及关键点，以此保证矿山测量精度和效率达到预期。

1.1 基准站选取

为保证GPS-RTK 技术应用取得预期效果，基准站选取极为关键，合理选取的基准站在提升作业效率和测量精确度方面均有着出色表现，同时能够实现作业耗时减少的目的[4]。基准站选取需把握以下4 个方面要点：第一，选择通视效果良好、地势较高且存在电台有效覆盖处设置基准站，最好选择测区中央方位；第二，避免数据链丢失，并降低多路径效应影响；第三，以条件较好未知点或已知精确坐标点设置基准站；第四，避开南北极周边卫星影响区域，在GPS 接收主机北侧布置基准站电台天线。

1.2 参数转换

GPS-RTK 技术以WGS-84 坐标系统坐标点为测点，多选择BJ54 坐标系统（1954 北京坐标系）作为矿山测量坐标系统，受存在一定差异的各自椭球体定位参数影响，两种坐标系存在差异显著的各点坐标值，这种误差值在部分矿区在100 m 以上。因此，技术应用过程必须精准测定矿区基准转换参数，避免测量作业受到相关误差影响。

1.3 观测时间选取

卫星发送的信息能够为GPS-RTK 技术提供三维坐标，但传输卫星信号的过程不免存在误差，这种误差无法由使用者消除。具体的矿山测量需要结合卫星星历预报，优选观测时段，保证GPS 接收装置接收的绝对时刻（TOD）值控制在6 以内，这能够较好地实现测量误差控制、测量精准度提升。

1.4 构建矿区控制网

相较于常规控制测量，GPS-RTK 技术下的测量无需保证控制点间相互通视，这使得测量操作复杂性大幅降低且更为精准有效，第一时间的结果获得和校对也能够顺利实现。通过实时获取所测得结果，GPS-RTK 技术的应用可实现对定位精准度的清晰了解，大幅提升作业效率。如矿区控制网需要在山区复杂地形环境中建设，基于存在2 个E 级控制点的原BJ54 坐标系统，需要均匀加密控制点至7 个，这种需要可通过GPS-RTK 技术满足，而对技术应用后获取的结果进行检验可以发现，技术应用能够满足加密布设矿区控制网的要求。

1.5 坐标转换参数解算

在传统测量技术应用中，为实现测量区域当地坐标系统与原始大地经纬坐标系统的转换，坐标转换参数计算极为关键，但这种计算需要获得具备明确坐标值的至少3 个高精度控制点，存在较为繁琐操作。在GPS-RTK 技术支持下，其能够直接将原始数据和测得数据结合完成坐标转换参数获取，测量效率因此大幅提升。

1.6 地面形变测量

矿山测量中地面形变测量属于重要组成部分，该测量需要对地面点的高程及水平位置进行不同时间段测量，通过对比分析前后测量数据，地面不同点位水文下沉值及位移值可顺利获取，进而精准测定地表形变并为相关预测提供依据[5]。传统测量技术需要设置形变观测点和基准点以打造完整监测网，监测网的角度和长宽需要通过全站仪依次测定，各测点高差测定由水准仪负责，以此结合所测数据对监测网点内水平位移与沉降变化情况进行监测。在GPS-RTK 技术支持下，测量人员可通过移动站和基准站直接完成各点水平位移和沉降情况的计算，有效降低作业强度，大幅简化作业流程。

2 地表形变监测与地质灾害防治中GPS-RTK 技术的具体应用

煤矿区是一种以资源开发与利用为主要目的而发展起来的特殊地理区域，由于资源过度开采，形成了大量的采空区，破坏了围岩应力，使矿区内发生区域性地表形变，引发了严重的环境地质灾害，由地表形变引发的矿区地质灾害主要包括塌陷坑、地面沉陷、地裂缝、滑坡、泥石流等。

在地质灾害孕育和形成阶段，都会在地表和近地表层呈现出特定的几何、物理或化学性异常，这些异常既有灾变异常信号、孕灾因子等短期、突发性的现象，又有环境损害、土地退化等长期、持续性的过程，从矿区地质环境动态变化中识别、监测和分析各种典型信号和灾变异常已成为矿山防灾减灾的研究重点[6]。GPS-RTK 技术是矿区进行地表形变及地质灾害监测与评价的最为有效的技术，能够有效预测矿区内地质灾害的发生。

2.1 工程概况

以某矿区作为研究对象，该矿区的地质条件较为复杂，河流在该矿区的西部穿过，该矿区存在约400 m 的海拔，一般高程、中矿区的高程分别为550～600 m、495～760 m，面积为8.844 km2，案例矿区沉降测量由GPS-RTK 组合电子水准仪完成，测量最终取得预期效果，存在较高借鉴价值。为直观展示案例矿区GPS-RTK 技术的应用效果，本文将围绕观测站设计、观测站布设方式、技术应用效果3 个方面开展深入探讨，由此可明确矿山测量中GPS-RTK 技术的具体应用方法及效果，技术应用可能受到的干扰也能够同时明确。

2.2 观测站设计

为满足技术应用需要，案例矿区的观测站设计需要满足以下4 个方面要求：第一，在水池主体位置设置观测线；第二，考察周边矿石开采项目，该考察需要在设计前期完成；第三，做好对观察线长度的科学设计，充分考虑开采项目深度等因素带来的影响，需保证观察线位于地面移动盆地范围外；第四，地面移动盆地范围外设置观测站的控制点，多数需要开展深埋处理，需保证控制点不会出现松动问题，同时设置处于冻结状态的控制点底端，控制点处于土线位置0.5 m 下。

2.3 观测站布设方式

对处于边界位置的整体观测范围来说，考虑到建筑遮挡因素带来的影响，GPS-RTK 技术在应用中受到的限制需要设法解决，这使得常规方式设置观测站的难度较高且会影响测量效果。因此，案例矿区的勘测选择GPS-RTK 组合电子水准仪，矿山的地貌、地形由此得以更准确了解。观测台设置有观测线2 台，分别为工作面方向、沿矿石路线方向，具体的观测站布设见图1。

图1 观测站布设示意图

在观测站布设过程中，首先需要将观察线的平面位置确定，控制点按照一定顺序设置在观察线上，具体按照B1、B2 顺序进行编号，起点编号坐标X、Y 分别为24 457 679.178、3 740 052.821，各控制点间存在100 m 的距离。倾斜观察线同样需要得到重视，具体的平面位置确定需要考虑倾斜观察线铺设特点，结合图1 进行分析可以发现，该线路铺设主要沿矿区运输矿石进行，因此以铁路转弯位置为铺设终点。共设置测量点10 个，各测量点间隔距离同样控制为100 m，倾斜观察线存在915 m的整体长度。在矿山工作面沉降范围内，测量点10开始的各测量点间存在20 m 间隔，存在670 m 的总长度，按照10～43 进行编号，以此完成34 个点的布设。43 点至最终测量线处之间共布设5 个点，即43～47，总长度为200 m，点间隔控制为50 m。为实现对工作面实际沉降情况更准确的把握，测量点沿观察线西侧布置，按照XL1～XL21 进行编号，共设置测量点21 个。

2.4 技术应用效果

为实现观察数值的准确获取，保证测量效果达到预期，各测量点开展两次连续测量，之后有针对性地选取部分测点，表1、表2 分别为第一次测址测量数据、第二次测址测量数据。结合表格中的数据可以发现，数据的精度较高，这说明GPS-RTK技术在案例矿区的沉降观测中获取的数据存在较高准确性；但两次测量结果的差异较为显著，这种情况的出现源于运输路旁的树木干扰信号传输。移动站在实际测量中如未受到干扰，GPS-RTK 技术应用下0.004 的精度可在40 s 达到；但如果存在树木等遮挡，0.006 的精度需要耗时120 s 左右，且很多时候无法准确测量部分坐标。因此，该技术在矿山测量中的应用需要充分结合环境特点，以此最大程度地降低外部因素带来的干扰，更好地保证测量的效率和准确性。

表1 第一次测址测量数据

表2 第二次测址测量数据

3 结论

综上所述，日益频繁的人类活动给地质环境带来了一系列负面影响，导致地质灾害造成的受灾人口以及经济损失绝对量呈现出连年上升的趋势。因此，应制定合理的减灾目标，采取科学的减灾方法。地表形变监测与地质灾害防治中GPS-RTK 技术的应用能够取得预期成果。在此基础上，本文涉及的基准站选取、参数转换、观测时间选取、构建矿区控制网、坐标转换参数解算、地面形变测量、矿区工程测量、观测站设计与布设、技术应用效果等内容，则直观展示了技术应用路径。为更好地服务于地表形变监测与地质灾害防治，移动站和基准站的距离控制、结合控制点的联测极为关键，同时还应考虑该技术与常规测量及航空摄影测量的结合应用。