基于北斗系統的GPS在礦山沉降形變監測中的應用

黃 斌

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局二總隊，貴州 六盤水 553000）

礦產資源的開發與利用是社會經濟和科學技術發展的基礎，隨著科學技術的進步，人類可利用的礦產資源類型越來越多。隨著資源的持續開發，在礦區形成了大量的采空區，進而使得礦區地表產生不同程度的沉降形變問題，這是由于采空區頂板的巖土體受力結構發生了改變，導致上覆巖體的靜壓力逐漸向采空區四周匯聚，進而使得上覆巖體發生彎曲形變，甚至是破裂、坍塌等，進而引起地表發生不同程度的沉降形變[1]。礦山地表沉降形變演化規律的研究是有效防治塌陷事故的主要途徑，也是減少深部資源浪費的主要措施。因此，如何有效地監測礦山地表沉降形變發育特征以及演化規律是當前亟待解決的問題[2]。隨著現代化科學技術的發展，礦山地表沉降形變監測方法越來越多，如D-InSAR、三維激光掃描技術、遙感技術和GPS等，均取得了較好的監測效果。近些年來，我國的北斗系統快速發展，有效地提升了實時動態定位技術的發展，逐步實現了實時動態監測目的。因此，本文將GPS技術、數據處理技術、現代化通訊技術等相互結合，嘗試在某一金屬礦山地表沉降形變監測中的應用，為推動該技術的發展應用提供參考。

1 基于北斗系統的GPS系統

1.1 GPS監測系統概況

GPS監測系統是以我國的北斗定位系統為基礎發展起來的，在該監測系統中充分利用了現代化通訊技術、數據采集與處理技術以及智能化監測警報系統等多項現代化技術，其監測系統的主要組成部分見圖1所示，各個系統的特征如下所述：

圖1 GPS監測系統示意圖

（1）數據采集系統主要包括設備的自檢、數據的采集和遠程控制功能，該部分對監測精度的影響較為明顯，故數據的采集系統一般是由GPS參考站和監測站兩部分組成[3]。其中，GPS參考站一般設置在未發生明顯形變的穩定區域，能夠有效地提高沉降形變監測精度；監測站主要分布在形變區域，根據形變范圍適當選擇合適的布設位置即可，且監測站以有利于GPS觀測條件為佳。

（2）現代化通訊技術主要實現線路檢查、數據傳輸以及遠程下載等功能，是融合了有線傳輸和無線傳輸兩種技術。故該技術在實施過程中需要保障礦山范圍內的網絡信號良好，以網絡傳輸數據為主。

（3）數據處理系統主要實現基線解算、坐標計算和精度估算等功能，其核心功能是將GPS監測站所獲取的數據實現實時動態處理，在海量數據中提取關鍵性的異常數據，進而根據實時動態處理形成的形變演化趨勢圖等，對所監測范圍內的地表沉降形變演化趨勢進行綜合預測，進而將預測結果通過現代化通訊系統傳輸至用戶端，為進一步預警決策等提供基礎數據依據。此外，根據前人大量研究表現，在數據處理過程中若采用卡爾曼濾波集成單歷元整數解算法對實時動態GPS監測數據進行結算，能夠有效地提高數據處理的時效性，且監測結果的精度可達毫米級。

（4）監測預警系統主要實現監測分析、報表生成以及發布預警等目的[4]。因此，監測預警系統是以數據處理系統中反饋的地表沉降形變位移量、演化趨勢、形變速率等進行綜合判斷，同時結合軟件自動生成的地表沉降形變曲線圖、形變場等成果性圖件數據，進而根據事先設定的閾值觸動不同類型的警報等級，通知作業人員快速撤離等，為礦山的安全生產提供了基礎性保障。

1.2 GPS監測系統優點

與傳統的GPS技術相比，該系統將我國的北斗系統引入至監測系統中[5]，不僅顯著的增加了監測系統的監測精度，而且實現了實時動態監測的目的，并提高了監測系統的自動化程度。基于北斗系統的GPS監測系統與其它監測方法相比，該監測技術具有以下幾個方面的優勢：①監測數據具有連續性，即使用該監測系統能夠獲取該點的實時動態監測數據，為進一步分析礦山地表沉降形變規律、形變方向、演化規律以及形變速率等提供了詳實的數據支撐[6]；②更高的監測精度，將北斗系統引入至GPS監測系統中，其監測精度可達毫米級，為識別礦山地表微小的沉降形變信息奠定了基礎，為深入分析礦山地表形變規律提供了微細信息；③監測結果穩定，該監測系統受監測環境的影響較小，降低了環境對監測結果的影響，即該技術可實現全天候條件的監測任務，外部環境對監測結果的影響不大[7]；④監測成果的多樣化，該監測系統可自動處理數據并生成相應的形變曲線圖、形變場圖等，成果圖件具有多樣化；⑤自動化程度高，該監測技術從數據的采集、數據處理以及監測成果圖件的輸出，均均有較高的自動化，降低了人為操作失誤的概率[8]；⑥更高的時效性，該監測系統與D-InSAR等監測技術相比，該監測系統對異常數據的處理是通過自動化程度實現的[9]，提高了數據處理的時效性，所獲監測成果也就具有更佳的時效性。

綜上所述，將GPS監測系統應用至礦山地表沉降形變監測中，不僅具有較強的時效性，而且所獲監測結果的精度更高。

2 GPS監測系統在礦山沉降形變監測中的應用

2.1 參考站與監測站布設

本次監測范圍為一銅金多金屬礦山，礦床的開采方式以井下開采為主。礦床屬于斑巖型銅金多金屬礦床，含礦斑巖體總體上呈北西—南東向的串珠狀分布，礦體形態在平面上呈近圓狀、近橢圓狀。根據礦山已有地質資料顯示，在礦區深部現存采空區4處。其中，較大一處采空區上部已出現數條微細的地裂縫，其余三處較小的采空區上部尚未發現地裂縫。根據礦山采空區基本分布規律等，將GPS參考站設置在遠離采空區南東側的花崗巖體上，將形變監測站設置在4處采空區上部（圖2）。

圖2 研究區參考站及監測站分布圖

2.2 監測結果分析

根據礦山某一時段內的監測數據，將該批次實時動態監測數據導入至監測系統中的數據處理系統中的數據處理模塊，按照卡爾曼濾波集成單歷元整數解算法對該批次數據進行解算處理，并在輸出模塊中選擇P1監測點額水平位移軌跡圖（圖3a）和下沉量變化圖（圖3b）。由圖3中表達的內容可以得出：P1監測點的初始形變方向為南東向，且形變速率相對較大；經過一段時間后（8月左右），形變速率逐漸下降，并保持不變，但總體的形變方向由南東向逐漸轉變為北東向；于1月11日左右，形變方向由北東向轉變為南東向，且具有較大的形變速率。同時，與參考站P0的坐標相比，最大形變量可達983mm。此外，根據圖3可以得出研究區的形變規律具有“形變速率由快→慢→快”的變化規律，最大的下沉速度可達25.7mm/d，最終的下沉量可達3683mm。

圖3 P1監測點水平位移軌跡圖（a）和下沉量變化圖（b）

3 精度可靠性對比

為了研究GPS監測系統所獲監測數據精度的可靠性，本文對4處監測站進行了對比監測，即隨機的選擇某一時間段進行全站儀監測，同時與GPS實時動態監測數據進行對比，其監測結果見表1。由表1的統計數據可知：使用GPS監測系統所獲的監測結果與同一時段內全站儀監測結果的變化趨勢基本一致，二者的誤差值均小于1mm，說明基于北斗系統的GPS監測方法在礦山地表沉降形變監測中具有較高的精度和可靠的監測穩定性，所獲數據的質量是可靠的，且監測精度能夠滿足礦山監測需求。

表1 GPS實時動態監測結果與全站儀監測結果對比表

4 結語

綜上所述，將GPS監測技術與北東系統有機結合在一起，不僅具有較強的時效性，而且所獲監測結果的精度更高，實現了實時動態和自動化監測的目的。此外，該方法的使用環境受限制較小，能夠輸出多元化成果，可將微細形變特征反映出來，對地表沉降形變規律研究、形變演化等具有較好的預判性。同時，該方法受環境影響較小，能夠適用于更多環境監測任務中，故可將該方法應用于地質災害、大壩形變等監測領域中。