GPS手持機在煤礦塌陷區勘查工作中的應用

【關鍵詞】GPS手持機 塌陷區勘查 數據采集

煤礦塌陷區勘查是對塌陷地及裂縫的位置、長度、寬度、面積的調查，為礦業用地的再生利用和生態系統恢復提供數據和資料。相比于傳統勘查測量儀器，GPS手持機具有全天候、便于攜帶、簡便高效的特點，能夠實時、準確、翔實地掌握塌陷地貌的空間數據信息。特別是近年來亞米級GPS手持機的出現，使得手持機在塌陷區勘查工作中推廣應用成為可能。

1 工程概況

平頂山某礦位于韓梁煤田腹地，屬淺山丘陵區，已有30年開采歷史，由于長期地下煤層自燃、原煤采挖和大量抽去地下水等因素，從娘娘山到青草嶺南端地表出現塌陷，并在一些地表形成巨大裂縫，對耕地、房屋建筑、公路橋梁、給排水管線等造成一定損害，需要對塌陷造成的生產生活影響進行評估，掌握與塌陷裂縫相關的點線面要素坐標和面積數據。

2 GPS手持機的數據采集

本次任務采用中海達高精度Qstar5GPS手持機，這款機型使用單頻單星，定位模式采用廣域差分SBAS（Space Based Augmentation System），SBAS是利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強系統，它配合地面站臺以提供GPS校正訊號，讓我們得到更準確的定位。目前全球發展的SBAS有歐空局的EGNOS，美國的DGPS、WAAS，日本的MSAS。Qstar5采用的MSAS，覆蓋亞洲大陸，適合我國使用。中國MSAS衛星編號是129、137。因為這種技術，該款手持機定位精度達亞米級，完全可以滿足塌陷區勘查的要求。

2.1 坐標轉換參數的設置

GPS手持機直接獲取的是點的WGS-84大地坐標，而現有地形圖圖件使用“1980西安坐標系”。 此時就需要進行坐標轉換參數計算，手持機軟件“工具”菜單下有“參數計算模塊”，用戶只需錄入控制點的兩套坐標，就可在模塊功能下計算出轉換參數并保存。再進行數據采集時，就能實現外業的實時動態投影，現場獲取西安80坐標。

坐標轉換模型有嚴密的布爾莎七參數，即兩橢球之間在空間向量上的平移、旋轉、尺度參數（Dx、Dy、Dz、Wx、Wy、Wz、K），且旋轉量要很小，是一種比較嚴密的轉換模型，需要三個點才能進行解算。一般選擇簡便的近似七參數（即三參數，Dx、Dy、Dz，K默認為1），只有空間向量上的平移參數，是一種精度較低的轉換，一個已知點即可求解，但實際最好用至少三個已知點，以提高精度。

坐標轉換的具體步驟是：

（1）在勘查區收集三個（或三個以上）均勻分布的等級控制點的B、L、H，將其轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（2）可用靜態GPS實測控制點坐標，將其WGS-84大地坐標B、L、H轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（3）用第（2）的結果減去第（1）步結果，就能得到三組DX、DY、DZ，取其平均值作為轉換參數。

通過相應計算，本次任務區的三個平移參數為：DX= -12m、DY= -116m、DZ= -37m。

手持機中另外還需錄入兩個參數Da、Df，均為常數，其中Da=-3m，Df=0.00000000250m。

2.2 裂縫相關數據的采集

采集數據功能是GPS手持機軟件的核心，通過采集獲取點、線、面等地物的定位數據，并實時成圖，并借助數據詞典功能記錄地物屬性信息。

2.2.1 點位坐標采集

手持機軟件具有“點狀地物采集”功能。將手持機放置在裂縫特征點中心，如圖1（a）所示，點擊屏幕“+”功能鍵，手動采集點位坐標；（b）圖中點右上角“√”確認采集；之后點擊圖（a）中下方工具欄左側第三個“筆狀”記錄按鈕，記錄該點屬性信息。

強大的手持機軟件提供多種數據采集方式，推薦使用：手動采集——添加當前點坐標；連續采集——可設置按時間或者距離采集，一般設置1秒采集一次；平滑采集——可設置同一個點的采集次數，再取平均值，以此提高采集精度。

2.1.2 長度的測量

長度是線狀地物，線由點組成，線狀地物的采集與點狀地物采集類似。不同的是，點是采集一個坐標即輸入相關屬性記錄；線則是要采集線的多個節點（2點以上連成線）坐標，即采集完整個線狀地物的節點坐標后，方可輸入相關屬性記錄，軟件將自動將點連成線。

到達線狀地物的一個節點，點擊“+”，采集當前點坐標，彈出坐標確認界面，點擊“√”，再移動到線狀地物的另一個節點，點擊“+”采集當前點坐標，彈出確認界面，點擊“√”，依次采集此線狀地物的多個節點。具體見圖2。

2.1.3 周長、面積測量

手持機具有“面狀地物采集”功能。首先應該以該地表塌陷區某一點作為測量的起始點開始存點，然后沿塌陷區邊緣行進，每一個拐點都存點，直到重新回到起點，形成封閉多邊形。如圖3，此時使用手持機軟件“高級”菜單下的“量算長度面積”功能，計算閉合面積。

3 使用中的注意事項

（1）為避免多路徑效應影響降低定位精度，測點不要靠近高壓線等電磁干擾物或茂密樹林。

（2）利用手持機測定面積時，步幅與速度要均勻。

（3）想獲取高精度的80坐標，坐標系統參數要求必須準確，否則誤差累積后，有可能得到不正確的當地坐標。所以，對于已知控制點的測量，建議用戶使用全站儀、靜態GPS或RTK測量，從而控制精度。

（4）GPS手持機穩定接收衛星信號需要時間，集成高精度重力傳感器G-sensor也需時間將GPS天線精確電子整平，所以首次定位時間一般是30s，建議開機后在整個測量過程中不要關機，采集點位坐標時最好靜置在點位上30s后再測量坐標。

（5）手持機的高程測量精度是平面坐標精度的2-3倍（一般在3m左右），如需高精度高程數據，建議使用水準儀測量。

（6）采集完成后，可將數據導出查看與統計。使用USB數據線將數據從儀器中拷貝到計算機上。手持機供應商均提供可供使用的電腦桌面軟件，該軟件除具有查詢、編輯、修改等功能，還可根據用戶需求將手持機測量的數據文件轉換為用戶需要的數據格式如AutoCAD DXF、Excel CSV、TXT格式等。

4 結論

實踐中，利用GPS手持機實測五條較大裂縫，裂縫總長4568.7m，測定塌陷面積共計4012.38m2。并利用采集的數據在矢量地形圖上進行了繪制和注記，圓滿完成了勘查任務。

通過實踐表明：GPS手持機大大縮短了勘查工作的時間，降低了工作難度，節省了人力物力，節約了測量成本，且測量的平面坐標及高程滿足勘查工作精度需要，為協調處理工農關系、明確責任賠償和后期進行土地復墾、塌陷區治理提供了有力支持。

參考文獻

[1]劉延萍，滕桂法.基于GPS的土地數據獲取與圖形生成方法研究[J].測控自動化，2011，27（10）：33-35.

[2]李國防，閆新亮.手持GPS定位精度測試及其在礦產勘查中的應用[J].礦產勘查，2010，1（4）：380-384.

[3]東海宇.手持GPS北京54和西安80系的參數設置分析[J].礦山測量，2011（6）：45-46.

[4]中海達.Hi-Q 軟件使用說明書[Z]. 中海

達衛星導航技術股份有限公司，2013.

作者簡介

潘傳姣（1978-），女，安徽省安慶市人。碩士學位。現為河南城建學院講師。主要從事GPS定位與導航等的教學和研究工作。

作者單位

河南城建學院測繪工程學院 河南省平頂山市 467036endprint

【關鍵詞】GPS手持機 塌陷區勘查 數據采集

煤礦塌陷區勘查是對塌陷地及裂縫的位置、長度、寬度、面積的調查，為礦業用地的再生利用和生態系統恢復提供數據和資料。相比于傳統勘查測量儀器，GPS手持機具有全天候、便于攜帶、簡便高效的特點，能夠實時、準確、翔實地掌握塌陷地貌的空間數據信息。特別是近年來亞米級GPS手持機的出現，使得手持機在塌陷區勘查工作中推廣應用成為可能。

1 工程概況

平頂山某礦位于韓梁煤田腹地，屬淺山丘陵區，已有30年開采歷史，由于長期地下煤層自燃、原煤采挖和大量抽去地下水等因素，從娘娘山到青草嶺南端地表出現塌陷，并在一些地表形成巨大裂縫，對耕地、房屋建筑、公路橋梁、給排水管線等造成一定損害，需要對塌陷造成的生產生活影響進行評估，掌握與塌陷裂縫相關的點線面要素坐標和面積數據。

2 GPS手持機的數據采集

本次任務采用中海達高精度Qstar5GPS手持機，這款機型使用單頻單星，定位模式采用廣域差分SBAS（Space Based Augmentation System），SBAS是利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強系統，它配合地面站臺以提供GPS校正訊號，讓我們得到更準確的定位。目前全球發展的SBAS有歐空局的EGNOS，美國的DGPS、WAAS，日本的MSAS。Qstar5采用的MSAS，覆蓋亞洲大陸，適合我國使用。中國MSAS衛星編號是129、137。因為這種技術，該款手持機定位精度達亞米級，完全可以滿足塌陷區勘查的要求。

2.1 坐標轉換參數的設置

GPS手持機直接獲取的是點的WGS-84大地坐標，而現有地形圖圖件使用“1980西安坐標系”。 此時就需要進行坐標轉換參數計算，手持機軟件“工具”菜單下有“參數計算模塊”，用戶只需錄入控制點的兩套坐標，就可在模塊功能下計算出轉換參數并保存。再進行數據采集時，就能實現外業的實時動態投影，現場獲取西安80坐標。

坐標轉換模型有嚴密的布爾莎七參數，即兩橢球之間在空間向量上的平移、旋轉、尺度參數（Dx、Dy、Dz、Wx、Wy、Wz、K），且旋轉量要很小，是一種比較嚴密的轉換模型，需要三個點才能進行解算。一般選擇簡便的近似七參數（即三參數，Dx、Dy、Dz，K默認為1），只有空間向量上的平移參數，是一種精度較低的轉換，一個已知點即可求解，但實際最好用至少三個已知點，以提高精度。

坐標轉換的具體步驟是：

（1）在勘查區收集三個（或三個以上）均勻分布的等級控制點的B、L、H，將其轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（2）可用靜態GPS實測控制點坐標，將其WGS-84大地坐標B、L、H轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（3）用第（2）的結果減去第（1）步結果，就能得到三組DX、DY、DZ，取其平均值作為轉換參數。

通過相應計算，本次任務區的三個平移參數為：DX= -12m、DY= -116m、DZ= -37m。

手持機中另外還需錄入兩個參數Da、Df，均為常數，其中Da=-3m，Df=0.00000000250m。

2.2 裂縫相關數據的采集

采集數據功能是GPS手持機軟件的核心，通過采集獲取點、線、面等地物的定位數據，并實時成圖，并借助數據詞典功能記錄地物屬性信息。

2.2.1 點位坐標采集

手持機軟件具有“點狀地物采集”功能。將手持機放置在裂縫特征點中心，如圖1（a）所示，點擊屏幕“+”功能鍵，手動采集點位坐標；（b）圖中點右上角“√”確認采集；之后點擊圖（a）中下方工具欄左側第三個“筆狀”記錄按鈕，記錄該點屬性信息。

強大的手持機軟件提供多種數據采集方式，推薦使用：手動采集——添加當前點坐標；連續采集——可設置按時間或者距離采集，一般設置1秒采集一次；平滑采集——可設置同一個點的采集次數，再取平均值，以此提高采集精度。

2.1.2 長度的測量

長度是線狀地物，線由點組成，線狀地物的采集與點狀地物采集類似。不同的是，點是采集一個坐標即輸入相關屬性記錄；線則是要采集線的多個節點（2點以上連成線）坐標，即采集完整個線狀地物的節點坐標后，方可輸入相關屬性記錄，軟件將自動將點連成線。

到達線狀地物的一個節點，點擊“+”，采集當前點坐標，彈出坐標確認界面，點擊“√”，再移動到線狀地物的另一個節點，點擊“+”采集當前點坐標，彈出確認界面，點擊“√”，依次采集此線狀地物的多個節點。具體見圖2。

2.1.3 周長、面積測量

手持機具有“面狀地物采集”功能。首先應該以該地表塌陷區某一點作為測量的起始點開始存點，然后沿塌陷區邊緣行進，每一個拐點都存點，直到重新回到起點，形成封閉多邊形。如圖3，此時使用手持機軟件“高級”菜單下的“量算長度面積”功能，計算閉合面積。

3 使用中的注意事項

（1）為避免多路徑效應影響降低定位精度，測點不要靠近高壓線等電磁干擾物或茂密樹林。

（2）利用手持機測定面積時，步幅與速度要均勻。

（3）想獲取高精度的80坐標，坐標系統參數要求必須準確，否則誤差累積后，有可能得到不正確的當地坐標。所以，對于已知控制點的測量，建議用戶使用全站儀、靜態GPS或RTK測量，從而控制精度。

（4）GPS手持機穩定接收衛星信號需要時間，集成高精度重力傳感器G-sensor也需時間將GPS天線精確電子整平，所以首次定位時間一般是30s，建議開機后在整個測量過程中不要關機，采集點位坐標時最好靜置在點位上30s后再測量坐標。

（5）手持機的高程測量精度是平面坐標精度的2-3倍（一般在3m左右），如需高精度高程數據，建議使用水準儀測量。

（6）采集完成后，可將數據導出查看與統計。使用USB數據線將數據從儀器中拷貝到計算機上。手持機供應商均提供可供使用的電腦桌面軟件，該軟件除具有查詢、編輯、修改等功能，還可根據用戶需求將手持機測量的數據文件轉換為用戶需要的數據格式如AutoCAD DXF、Excel CSV、TXT格式等。

4 結論

實踐中，利用GPS手持機實測五條較大裂縫，裂縫總長4568.7m，測定塌陷面積共計4012.38m2。并利用采集的數據在矢量地形圖上進行了繪制和注記，圓滿完成了勘查任務。

通過實踐表明：GPS手持機大大縮短了勘查工作的時間，降低了工作難度，節省了人力物力，節約了測量成本，且測量的平面坐標及高程滿足勘查工作精度需要，為協調處理工農關系、明確責任賠償和后期進行土地復墾、塌陷區治理提供了有力支持。

參考文獻

[1]劉延萍，滕桂法.基于GPS的土地數據獲取與圖形生成方法研究[J].測控自動化，2011，27（10）：33-35.

[2]李國防，閆新亮.手持GPS定位精度測試及其在礦產勘查中的應用[J].礦產勘查，2010，1（4）：380-384.

[3]東海宇.手持GPS北京54和西安80系的參數設置分析[J].礦山測量，2011（6）：45-46.

[4]中海達.Hi-Q 軟件使用說明書[Z]. 中海

達衛星導航技術股份有限公司，2013.

作者簡介

潘傳姣（1978-），女，安徽省安慶市人。碩士學位。現為河南城建學院講師。主要從事GPS定位與導航等的教學和研究工作。

作者單位

河南城建學院測繪工程學院 河南省平頂山市 467036endprint

【關鍵詞】GPS手持機 塌陷區勘查 數據采集

煤礦塌陷區勘查是對塌陷地及裂縫的位置、長度、寬度、面積的調查，為礦業用地的再生利用和生態系統恢復提供數據和資料。相比于傳統勘查測量儀器，GPS手持機具有全天候、便于攜帶、簡便高效的特點，能夠實時、準確、翔實地掌握塌陷地貌的空間數據信息。特別是近年來亞米級GPS手持機的出現，使得手持機在塌陷區勘查工作中推廣應用成為可能。

1 工程概況

平頂山某礦位于韓梁煤田腹地，屬淺山丘陵區，已有30年開采歷史，由于長期地下煤層自燃、原煤采挖和大量抽去地下水等因素，從娘娘山到青草嶺南端地表出現塌陷，并在一些地表形成巨大裂縫，對耕地、房屋建筑、公路橋梁、給排水管線等造成一定損害，需要對塌陷造成的生產生活影響進行評估，掌握與塌陷裂縫相關的點線面要素坐標和面積數據。

2 GPS手持機的數據采集

本次任務采用中海達高精度Qstar5GPS手持機，這款機型使用單頻單星，定位模式采用廣域差分SBAS（Space Based Augmentation System），SBAS是利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強系統，它配合地面站臺以提供GPS校正訊號，讓我們得到更準確的定位。目前全球發展的SBAS有歐空局的EGNOS，美國的DGPS、WAAS，日本的MSAS。Qstar5采用的MSAS，覆蓋亞洲大陸，適合我國使用。中國MSAS衛星編號是129、137。因為這種技術，該款手持機定位精度達亞米級，完全可以滿足塌陷區勘查的要求。

2.1 坐標轉換參數的設置

GPS手持機直接獲取的是點的WGS-84大地坐標，而現有地形圖圖件使用“1980西安坐標系”。 此時就需要進行坐標轉換參數計算，手持機軟件“工具”菜單下有“參數計算模塊”，用戶只需錄入控制點的兩套坐標，就可在模塊功能下計算出轉換參數并保存。再進行數據采集時，就能實現外業的實時動態投影，現場獲取西安80坐標。

坐標轉換模型有嚴密的布爾莎七參數，即兩橢球之間在空間向量上的平移、旋轉、尺度參數（Dx、Dy、Dz、Wx、Wy、Wz、K），且旋轉量要很小，是一種比較嚴密的轉換模型，需要三個點才能進行解算。一般選擇簡便的近似七參數（即三參數，Dx、Dy、Dz，K默認為1），只有空間向量上的平移參數，是一種精度較低的轉換，一個已知點即可求解，但實際最好用至少三個已知點，以提高精度。

坐標轉換的具體步驟是：

（1）在勘查區收集三個（或三個以上）均勻分布的等級控制點的B、L、H，將其轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（2）可用靜態GPS實測控制點坐標，將其WGS-84大地坐標B、L、H轉換為對應的空間直角坐標X、Y、Z；

（3）用第（2）的結果減去第（1）步結果，就能得到三組DX、DY、DZ，取其平均值作為轉換參數。

通過相應計算，本次任務區的三個平移參數為：DX= -12m、DY= -116m、DZ= -37m。

手持機中另外還需錄入兩個參數Da、Df，均為常數，其中Da=-3m，Df=0.00000000250m。

2.2 裂縫相關數據的采集

采集數據功能是GPS手持機軟件的核心，通過采集獲取點、線、面等地物的定位數據，并實時成圖，并借助數據詞典功能記錄地物屬性信息。

2.2.1 點位坐標采集

手持機軟件具有“點狀地物采集”功能。將手持機放置在裂縫特征點中心，如圖1（a）所示，點擊屏幕“+”功能鍵，手動采集點位坐標；（b）圖中點右上角“√”確認采集；之后點擊圖（a）中下方工具欄左側第三個“筆狀”記錄按鈕，記錄該點屬性信息。

強大的手持機軟件提供多種數據采集方式，推薦使用：手動采集——添加當前點坐標；連續采集——可設置按時間或者距離采集，一般設置1秒采集一次；平滑采集——可設置同一個點的采集次數，再取平均值，以此提高采集精度。

2.1.2 長度的測量

長度是線狀地物，線由點組成，線狀地物的采集與點狀地物采集類似。不同的是，點是采集一個坐標即輸入相關屬性記錄；線則是要采集線的多個節點（2點以上連成線）坐標，即采集完整個線狀地物的節點坐標后，方可輸入相關屬性記錄，軟件將自動將點連成線。

到達線狀地物的一個節點，點擊“+”，采集當前點坐標，彈出坐標確認界面，點擊“√”，再移動到線狀地物的另一個節點，點擊“+”采集當前點坐標，彈出確認界面，點擊“√”，依次采集此線狀地物的多個節點。具體見圖2。

2.1.3 周長、面積測量

手持機具有“面狀地物采集”功能。首先應該以該地表塌陷區某一點作為測量的起始點開始存點，然后沿塌陷區邊緣行進，每一個拐點都存點，直到重新回到起點，形成封閉多邊形。如圖3，此時使用手持機軟件“高級”菜單下的“量算長度面積”功能，計算閉合面積。

3 使用中的注意事項

（1）為避免多路徑效應影響降低定位精度，測點不要靠近高壓線等電磁干擾物或茂密樹林。

（2）利用手持機測定面積時，步幅與速度要均勻。

（3）想獲取高精度的80坐標，坐標系統參數要求必須準確，否則誤差累積后，有可能得到不正確的當地坐標。所以，對于已知控制點的測量，建議用戶使用全站儀、靜態GPS或RTK測量，從而控制精度。

（4）GPS手持機穩定接收衛星信號需要時間，集成高精度重力傳感器G-sensor也需時間將GPS天線精確電子整平，所以首次定位時間一般是30s，建議開機后在整個測量過程中不要關機，采集點位坐標時最好靜置在點位上30s后再測量坐標。

（5）手持機的高程測量精度是平面坐標精度的2-3倍（一般在3m左右），如需高精度高程數據，建議使用水準儀測量。

（6）采集完成后，可將數據導出查看與統計。使用USB數據線將數據從儀器中拷貝到計算機上。手持機供應商均提供可供使用的電腦桌面軟件，該軟件除具有查詢、編輯、修改等功能，還可根據用戶需求將手持機測量的數據文件轉換為用戶需要的數據格式如AutoCAD DXF、Excel CSV、TXT格式等。

4 結論

實踐中，利用GPS手持機實測五條較大裂縫，裂縫總長4568.7m，測定塌陷面積共計4012.38m2。并利用采集的數據在矢量地形圖上進行了繪制和注記，圓滿完成了勘查任務。

通過實踐表明：GPS手持機大大縮短了勘查工作的時間，降低了工作難度，節省了人力物力，節約了測量成本，且測量的平面坐標及高程滿足勘查工作精度需要，為協調處理工農關系、明確責任賠償和后期進行土地復墾、塌陷區治理提供了有力支持。

參考文獻

[1]劉延萍，滕桂法.基于GPS的土地數據獲取與圖形生成方法研究[J].測控自動化，2011，27（10）：33-35.

[2]李國防，閆新亮.手持GPS定位精度測試及其在礦產勘查中的應用[J].礦產勘查，2010，1（4）：380-384.

[3]東海宇.手持GPS北京54和西安80系的參數設置分析[J].礦山測量，2011（6）：45-46.

[4]中海達.Hi-Q 軟件使用說明書[Z]. 中海

達衛星導航技術股份有限公司，2013.

作者簡介

潘傳姣（1978-），女，安徽省安慶市人。碩士學位。現為河南城建學院講師。主要從事GPS定位與導航等的教學和研究工作。

作者單位

河南城建學院測繪工程學院 河南省平頂山市 467036endprint