鹤岗矿区似大地水准面精化及成果应用

赵喜江, 杨新宇, 霍大亮

(1.黑龙江科技大学 发展规划与高等教育研究处, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

GNSS 技术是地面采集单点空间坐标最为高效、快速的方式[1],但是通过 GNSS所获取到的高程值并不能直接应用于实际矿山测量工作,原因是GNSS 技术获取的点的高程是依赖于参考椭球 WGS-84 坐标系的大地高程,而我国矿山测量工作中,所采用的高程是以似大地水准面为基准的正常高或正高,在大地高与正常高之间存在差值,此差值即为高程异常,因此,利用RTK技术直接获取高程时,精度无法满足矿区地表1∶500、1∶1 000比例尺测图和开采沉陷监测精度要求。随着GNSS卫星定位技术、现代通信技术、空间信息技术以及网络技术的快速发展,许多大型矿区都在陆续建设覆盖本矿区的CORS系统,但是矿区建设的CORS系统时,站点的初始参数由设备提供商的技术支持人员进行简易设置,一般没有充分考虑局部区域地理位置和地形地势的影响,高程异常值精度一般为分米级,而大型矿区地表变形监测和工程测量的精度要求厘米级,导致矿区CORS-RTK测量高程精度无法满足测绘生产要求,制约了RTK技术在矿区地表大比例尺测图和开采沉陷监测工作中的应用。因此,对于高程变化较大的大型矿区,通过似大地水准面精化[2]得到矿区高程异常值的最或是值来调整CORS系统的参数设置,对于提升RTK测量高程精度具有重大的工程意义。

表1 静态约束平差基线最弱边

1 研究工作与技术路线

1.1 测区概况

鹤岗市处于三江平原向小兴安岭山地过渡的明显上升地段,地势西北高东南低,可分为低山丘陵、漫岗、平原、沟谷及漫滩四种地貌类型,地势由西北向东南倾斜,西北部为山区,最高山峰小白山海拔1 022 m,境内海拔200 m以上的山峰有34座。有梧桐河、鹤立河、阿凌达河、嘉荫河等18条主要河流从西北流向东南。市区南部为丘陵漫岗,东南部为三江平原的边缘地带,平坦开阔,平均海拔80 m左右。鹤岗矿区位于鹤岗市东部,地理位置为东126°36′44″～127°31′46″,北纬45°40′20″～45°11′38″之间,从北端的平顶山到南端新华北山直线距离约50 km,从东端梧桐河东到西端的新水源约30 km。矿区西北部和东南以丘陵地形为主,南部以河漫滩为主,矿区高程变化较大,地形地貌错综复杂。测区道路较窄,时有大量运输煤炭的大型货车通行,通视条件一般,通信信号覆盖较好。

1.2 工作内容

本次研究工作在鹤岗矿区2021年建成的14个C级GNSS控制点(图1)和3个CORS站等已有控制网观测成果基础上,依据鹤岗市区2020年7月建立的新鹤II-33二等水准点,参考富力煤矿办公楼、兴安南桥头、峻德矿办公楼、二跨桥、公铁交叉口、水泥厂、梧桐河水文站、新华北山等原有矿区三等水准高程控制点,通过对矿区14个C级GNSS控制网点中的356ps、新水源、梧桐河东、鸟山、东线场、新华30队等六个外围点和矿务局、峻德救护队、鸟山等3个CORS站进行三等水准联测,再利用C级GNSS控制点中平顶山、阴日山和新华北山三个已知三等水准高程值,进行矿区高程平差结算和高程拟合,完成矿区似大地水准面精化,得到全部14个控制点三等水准高程和3个CORS站的高程异常值,进而调整CORS站高程异常参数和RTK参数设置。为了检验精度,在矿区主要矿井工业广场附近布设10个近矿点,平面用E级GNSS控制点施测,高程用三等水准施测。通过RTK实际10个近矿点高程来进行精度验证。

图1 鹤岗矿区C级GNSS控制点和CORS站点示意

1.3 技术路线

利用前期项目实测矿区首级GNSS控制网及CORS站坐标和大地高程,采用三等水准测量的方法联测了矿区外围控制点高程,完成了矿区高程平差计算,通过平面模型法、二次曲面模型法、多面函数拟合法高程拟合比较,优选了结合EGM2008 模型的组合法,运用“移去-恢复”法精化矿区似大地水准面模型[3-5],得到鹤岗矿区全部14个首级GNSS控制点及3个CORS站处的高程及高程异常值,通过调整CORS高程异常参数设置,在矿区主要矿井的近矿点上通过实际高程测量进行精度验证。

2 平面及高程控制测量

2.1 GNSS近矿点选点遵循的原则

(1)在10°～15°高度角以上不能有成片障碍物,点的周围200 m范围内不能有强电磁波干扰源,如大功率无线电发射设施、高压输电线等。

(2)为避免或减少多路径效应的发生,近矿点应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物,如高层建筑、成片水域等。

(3)为保证后期验证实验质量,近矿点选在覆盖整个鹤岗矿区的鸟山、益新、富力、兴安、竣德等主力生产矿井工业广场附近,保证交通便利且点位应易于保存处。

(4)相邻点间最小距离应为平均距离的1/2～1/3;相邻点间最大距离应为平均距离的2～3倍;特殊情况下个别点的间距允许超出精度和边长表中的规定。

2.2 GNSS近矿点布设

为了检验研究成果,以矿务局、峻德救护大队2个CORS站为起始点,在矿区5个主力生产矿井的工业广场附近布设鸟山1、2,益新1、2,富力1、2,兴安1、2,峻德5、6等10个E级GNSS近矿平面和高程控制点,作为实验高程精度验证点,如图2所示。

图2 鹤岗矿区主力矿井E级GNSS近矿点分布

2.3 GNSS近矿控制点平面控制测量

2.3.1 外业施测

使用南方极点RTK惯导版C对近矿点进行平面控制测量,各静态点观测不少于2个时段,每个时段观测45 min,与鹤岗市内CORS站共同进行解算。

2.3.2 内业数据处理及精度

解算软件采用南方地理数据处理平台软件SGO(简称SGO)。对于相邻点距离较近的短边保证进行同步观测。静态观测及解算精度符合CJJ 8—010《城市测量规范》、CJJ/T73—010《卫星定位城市测量技术规范》要求。

GNSS近矿控制点的内业平差计算过程如图3所示,近矿控制点平面精度,其中静态约束平差基线最弱边(表1)和平面最弱点(表2),基线和点位误差满足规程规定。

图3 静态约束平差基线最弱边

表2 静态约束平差平面最弱点

2.4 矿区高程控制测量

2.4.1 水准测量外业

根据研究工作的精度需要,课题组采用三等水准建立了覆盖矿区的高程控制网。在矿区已有高程控制点现场踏勘和现状调查基础上,确定了采用原矿区11个C级GNSS控制点和本次选定的10个E级GNSS近矿点作为平面控制点的同时兼做矿区高程控制点,采用CGCS2000坐标系和1985国家高程基准。为了保证精度,坚持每测站观测程序“后前前后”“单程双站(变仪器高)”观测。三丝能读数,视距小于100 m,前后视距差和累计差不超限,累计实测三等水准路线约80 km。

2.4.2 水准测量精度检查

选择地形起伏较大的最长闭合环鹤立河-兴安南桥-公铁交叉口-鹤立河的闭合水准路线(图4)来验证水准施测精度,闭合差及限差见表3。

图4 闭合水准路线

表3 闭合线路闭合差及限差统计

3 似大地水准面精化及效果验证

对平面拟合法、二次曲面拟合法、多面函数拟合法和结合EGM2008模型的组合法进行对比试验,确定上述方法在矿区内的适用性和拟合精度,优选出结合EGM2008模型的“移去-恢复”法来建立矿区似大地水准面,求出高程异常值最或是值的方法。

3.1 结合EGM2008模型的“移去-恢复”

原理是基于近年由NGA(美国国家地理空间情报局)释放EGM2008全球超高阶地球重力场模型,采用该模型以及GPS/水准数据采用“移去-恢复”法[6-7],利用矿区C级GNSS平面控制和三等水准测量得到的坐标和高程测量成果,获得高精度的区域似大地水准面。具体步骤如下。

(1)移去。选择鹤岗矿区范围内具有 GPS 数据与水准数据的17个重合点,利用重合点的正常高和大地高求出各点对应的高程异常值,利用EGM2008 模型能够得到各点的重力高程异常,据此可以计算出对应点的剩余高程异常量。

(2)拟合剩余高程异常量。针对在对重力场模型的利用之下所获得重力异常,通常而言我们会将其视为无误差值。在此的拟合数据为这17个点的剩余高程异常,采用拟合函数解算后,即可得到相应的拟合参数,将待求点的平面坐标通过确定参数后的模型计算后,剩余高程异常值就能够通过内插形式所获得。

(3)恢复。利用重力场模型求出重力高程异常,与内插得到的剩余高程异常相加,就能够得到各待求点的高程异常,据此可以求解出待求点的正常高。

3.2 鹤岗矿区高程异常等值线

通过结合EGM2008模型的“移去-恢复”,计算得到的17个点的高程异常值,进而生成鹤岗矿区高程异常等值线图(图5)。

图5 鹤岗矿区高程异常等值线

3.3 成果应用及精度验证

3.3.1 高程异常改正

文中以鹤岗矿区LEICA GNSS Spider CORS网络参考站高程异常值修正过程为例,说明矿区高程异常成果在 CORS系统的应用。

①创建一个新的远程站点服务器连接。启动软件,从“菜单栏”中点击“服务器”,选择“新建站点服务器”,输入服务器名称、服务器密码,输入服务器的PC名称或者TCP/IP地址。

②配置通信设备和参数。打开创建的服务器,设置传感器类型和传感器连接方式,并且通过浏览日志栏检查是否已经建立了传感器通讯。

③设置常规站点参数。输入站点名称,并通过下拉列表为该站点接收机上记录的数据文件选择下载间隔时间。

④配置接收机坐标等信息。输入本CORS站点精确的经纬度、大地高和高程异常值,(高程异常值即为通过拟合计算求出的本CORS站点处的高程异常值),配置界面如图6所示。

图6 配置接收机信息

⑤配置完成并上传。

⑥配置接收机记录参数。设置采样率、文件长度和自动删除记录文件的时间阈值,文件长度为传感器创建数据记录的新文件的时间间隔。

⑦连接至流动站。流动站通过输入TCP/IP端口与接收机进行连接,连接成功后,即可接收相关的参数和数据。

⑧实测矿区地面点坐标及高程。

根据“创建项目-设置参数-连接流动站”的步骤。可以通过该软件中的“转换”功能对相应的参数、参考椭球、投影和大地水准面模型/残差进行定义,并通过RTCM信息将它们波发至流动站,流动站不需要手动设置任何转换参数即可进行坐标转换。

3.3.2 似大地水准面精化效果检验

为了验证结合EGM2008模型的“移去-恢复”法对矿区似大地水准面精化的精度情况,课题组依据似大地水准面精化成果对鹤岗矿区内已经建成的矿务局、峻德和鸟山3个CORS站点的高程异常值进行重新赋值,并用RTK实测了分布在矿区内5个煤矿的近矿点高程进行检验,验证实验采用E级GNSS近矿点和CORS站点的实测三等水准高程值与似大地水准面精化高程拟合后RTK实测高程进行对照检验(表4)。

表4 实测三等水准高程与似大地水准面精化后RTK实测值对照统计

由实验结果可以看出,鹤岗矿区范围内依托CORS站的RTK采集高程点的误差从不小于 20 cm提高到不大于2 cm。实验证明通过矿区似大地水准面精化和高程拟合,可以显著削弱高程异常对RTK高程测量带来的影响。

4 结 论

(1)研究结果证明,基于矿区实测GNSS平面控制成果和三等水准高程控制成果,结合EGM2008模

型,运用“移去-恢复”法精化矿区范围内似大地水准面模型的技术路线可行。

(2)诸如鹤岗矿区这类地表高程变化较复杂的大型矿区,采用文中精化技术路线得到的矿区似大地水准面模型和高程异常值,采用改进后的CORS-RTK系统进行高程测量误差小于2 cm,可以极大地提高RTK高程测量的精度。

(3)改进后的CORS-RTK系统可以较好的满足矿区范围内大比例尺测图和开采沉陷日常监测的精度需要,极大地拓宽了RTK在矿区地面高程测量应用场景。