煤矸石山治理中RTK联合免棱镜全站仪的测图实践

2013-12-16陈胜华

中国矿业 2013年8期

陈胜华，梁爽

(1.太原理工大学阳泉学院，山西阳泉 045000；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

煤矸石是采煤过程中排出的固体废弃物，是我国目前存量最大的工业固体废弃物，目前最主要的排放方式是露天堆积。由于组成物质具有特殊的物理与化学性质，大量露天堆放的煤矸石经长期风化、淋溶、氧化自燃等物理化学作用，对煤矿区以及周边环境造成严重的生态破坏和环境污染，因而导致诸多社会问题和环境问题，如因氧化与自燃对矿区土壤及水环境造成的酸性污染与重金属污染，严重性不容忽视，亟待进行研究并采取措施进行控制。

在对煤矸石山进行综合治理过程中，地形图是规划设计及工程量计算所必需的基础资料，能否快速获得具有良好现势性的地形图，直接影响煤矸石山综合治理的顺利实施。煤矸石山属人工堆垫，区域地貌往往较为复杂，如坡度陡峭、矸石疏松等，传统的测图方法难以进行，且测量速度慢，费工费时。RTK实时动态测量技术不需布设加密控制网，定位速度快、精度高，在地形较为陡峭、难以立杆施测地区，可采用与免棱镜全站仪联合施测的方法，辅助快速采集碎部点。本文在北京市门头沟区龙泉镇煤矸石山采用RTK与免棱镜全站仪联合的测图方法，实践表明该方法可靠易行，并进一步总结了煤矸石山测量的特殊性及对策。

1 项目区概况

项目区位于北京市门头沟区的龙泉镇境内，属采煤矿业废弃地，为原京西局城子矿煤矸石堆积场(停止排矸迄今约20年)，自上而下的排矸方式形成椎形山体，属典型的“人工地貌”，占地面积约6.09hm2，无自燃现象。如图1所示，项目区煤矸石基本裸露，大部分区域寸草不生，锥形山体西侧和北侧人工挖掘并有自然冒落痕迹，形成坡度大于45°，松软极不稳定；山体东侧及南侧可见野生植被，乔木以臭椿为主，偶有洋槐，草本以禾本科为主，但植被覆盖密度小，生长凌乱，品种单一，乔木间距大，不利保持水土和环境保护；山的中下坡及山谷几乎无植被，堆积矸石粒径较大，难以在短期内自行粉碎风化，因此空隙大，持水性差。另外，裸露矸石与周围绿色植被和美丽的自然景观形成鲜明对比，并导致当地土壤质量下降、生物多样性减少和生态系统失调，危害当地生态环境和社会环境，严重影响龙泉镇乃至全区的人居生活及旅游业的发展。为了适应北京市生态保护区的建设和镇的经济发展的主导思想，拟将该煤矸石山及其周边的空地进行植被恢复，加快自然植被恢复的速度，实施矸石山绿化工程。如何针对煤矸石山的特殊地形，快速提供真实可靠的地形数据，便成为测量工作的关键。

图1 龙泉镇煤矸石山

2 RTK相对测量原理与可行性分析

所谓RTK(实时动态定位技术)测量技术是以载波相位观测值为根据的实时差分技术，RTK定位是通过基准站接收机实时地把观测数据(如伪距或相位观测值)及已知数据(如基准站点坐标)实时传输给流动站接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到4颗以上卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置坐标。应用RTK技术测量，原则上需要在测区周围有至少两个已知控制点作为检核，即先在一已知控制点上架设基准站，然后用移动站在另一已知控制点进行检核，检查合格后就可以进行施测。

本项目区面积大约6.09hm2，位于地理位置相对偏远的废弃矿区，周围主要是山地，地形起伏，通常这里干扰卫星信号的因素少，能够接收到的卫星数量多，较之传统的测量方法，RTK技术具有明显的优势，可以快速采集项目区内碎部点，对于局部陡峭地方无法立杆采点区域，使用全站仪快速补充采点，最终顺利完成项目区内数据采集任务。其次，对项目区采集地形数据主要是为矸石山绿化工程计算工程量服务，故最终地形数据只要保证相对位置数量正确无误即可，所以采用流动站测得的WGS-84坐标作为拟适用的坐标系统，在缺少已知控制点的情况下，解决相对定位问题是可行的。

3 煤矸石山地形数据采集

3.1 RTK基准站架设

经过在项目区范围内实地踏勘，决定将基准站架设在矸石山旁边公路旁相对较高的位置，视野较开阔，远离大功率无线电发射源诸如电台、微波站以及高压输电线路。根据所适用的南方天王星9800GPS电台的功率及覆盖能力，在此位置选取WGS-84坐标系统下的已知点(假设高程值为200，这样保证整个施测区域高程值为正)作为基准站，不仅可以很好的安置仪器设备，又可以获取最佳的数据通讯有效半径。

完成好GPS接收机以及相关数据线的连接后，开启GPS电源等待搜索卫星信号，待接受卫星信号达到5颗及以上时，即可开通电台，待电台信号指示灯稳定后，即可使用流动站开始碎部点采集。

3.2 测量工作要点

流动站数据线连接好后，打开电源和手簿电源，等待接收卫星信号，当卫星信号达到5颗及以上时，在手簿上设置好工程、文件，当状态为固定解时，便可以适用流动站开始采集数据点，坐标点随即便存入手簿中。

煤矸石山绿化工程是对煤矸石山进行植被恢复和生态重建的土地复垦工作，是一个复杂的系统工程，所以前期地形资料的提供不仅仅是简单的地形数据，更有许多反映煤矸石山上实地情况的实时数据需要了解，以下对此次测量工作要点做简要说明：

1) 根据复垦区域实际情况，煤矸石山复垦绿化工程规划设计需要较为详细的地形资料，按照需要，地形图施测比例尺为1∶500。

2) 煤矸石山绿化工程主要任务是对整座矸石山进行植被恢复，并构建一个多元的生态系统。在煤矸石山复垦整形时，对于植被恢复或土壤风化较好的地方，应尽量保持地表不动，所以在矸石山体上采集碎部点应对以下区域着重进行：山体上局部地区的小平台；一些灌木、乔木(如臭椿，洋槐)长势比较好的区域，分为疏林和密林地两类(对个别长势尤其好的树木要采集坐标)；山体上局部风化比较好的草地；大片在复垦时需要进行客土的砾石地等。

3) 对于三级平台区域，要适时采集相当数量的高程点，以便形成真实的等高线图，便于施工设计计算土方量。

4) 以上各项工作在用流动站采集数据点的时候，主要是对其边界特征碎部点进行数据采集，另外由于山体复杂，另需一人实时记录草图。全部数据采集完成后，还需在内业成图工作中体现出来。

3.3 数据存储

索佳SET系列免棱镜全站仪一人照准即可操作，方便快捷，在北坡陡面按纵列顺序均匀采集数据点，所采集坐标最后成图时按表1格式保存。

表1 陡坡补测点格式存储

3.4 精度分析

项目区快速点位采集误差主要来自于三个方面：已知控制点误差，RTK测量误差，全站仪测量误差。本次测量保证采集碎部点相对位置正确无误，故只考虑RTK测量误差和全站仪测量误差。

1) RTK测量误差

RTK测量误差一是和仪器以及干扰有关的误差，包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素；二是与距离有关的误差，包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。

对固定基站而言，和仪器以及干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，与距离有关的误差将随移动站至基站的距离的增加而加大，所以RTK作业时，半径不宜过长(3km以内)。

在流动站采集完数据以后，为了进行数据的可靠性检核，从所测数据中抽取30组数值，用全站仪进行复测比较。实验结果表明，在3km半径范围内，南方测绘公司RTK采集碎部点数据与索佳SET系列全站仪所测数据比较得出，差值最小为4mm，最大为20mm，高程值最大为27mm。这种点位坐标误差完全符合绿化工程要求，不影响土方量计算可靠性。

2) 全站仪测量误差全站仪测量误差主要有仪器误差、外界条件影响和观测误差三部分，直接误差来自于对中、照准、测角和量边，假设其函数关系为：

根据误差传播定律，对上式两边取全微分，得：

所以有

式中,mA、mD、mα、md、mx分别为测站点误差、量边误差、测角误差、对中误差和照准误差，D为边长。本次测量所使用的索佳SET系列全站仪测角部精度为2″，测距部精度为±(4+3×10-6×D)mm，式中其他数值在测区1km范围内分别取±2.0cm、±0.2cm、±0.2cm、±1.0cm，其中mα=±2″，计算得到点位误差为±2.1cm。