蘇海華

（云銅集團玉溪礦業(yè)有限公司，云南玉溪 653100）

0 引言

礦山開采前，需要做好工程測量工作，為礦山的建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。測量工作的內(nèi)容包括礦山復(fù)墾、地面沉降、地層移動、巷道位移等，做好測量工作才能更好的進行礦山規(guī)劃設(shè)計，完成后續(xù)的勘探開發(fā)、生產(chǎn)運營等工作[1]。有效完成礦山工程測量，才能保證礦山資源的最大化開發(fā)，提供參考信息，作為管理和決策依據(jù)，降低安全隱患，提高安全生產(chǎn)水平。近些年來，我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，對礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用也更加重視，不斷擴大礦山的開采規(guī)模，加大開采深度，對工程測量有了新的要求和挑戰(zhàn)。因此，需要在原有的工程測量方法基礎(chǔ)上積極引用先進的科學(xué)信息技術(shù)，采取有效的測量方法提高測量水平。目前，我國礦山開采中，特別是露天礦山的工程測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用GPS、RTK等測量技術(shù)，更加快捷、高效[2]。

1 簡述 GNSS 技術(shù)

1.1 簡述GNSS 技術(shù)的特點和原理

1.1.1 GNSS 技術(shù)的特點

GNSS 技術(shù)的組成系統(tǒng)包括很多內(nèi)容，如GPS、BDS、GAILEO等，也可以稱為全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星系統(tǒng)[3]。其工作原理為通過衛(wèi)星系統(tǒng)，對需要測量地形的信息數(shù)據(jù)進行接收和發(fā)送，做好詳細記錄，作為工程測量和管理進行決策時的參考依據(jù)。相對于傳統(tǒng)的礦山測量技術(shù)，應(yīng)用GNSS 技術(shù)開展測量作業(yè)精準度更高。通過三維坐標精確獲取位置后，在特定的位置，設(shè)置固定測量點，獲取相關(guān)的信息數(shù)據(jù)。通過對靜態(tài)測量技術(shù)的應(yīng)用，獲取精準的數(shù)據(jù)信息，有利于測量質(zhì)量的提升。

1.1.2 GNSS 技術(shù)的原理

從傳統(tǒng)意義來看，GNSS 定位技術(shù)和后方交會的原理十分相像，可以將GNSS 接收機架設(shè)在特定位置，在固定的時間內(nèi)對衛(wèi)星到監(jiān)測點的幾何距離進行測量，按照后方交會原理，對獲取的信息數(shù)據(jù)進行全面分析[4]。通過對GNSS 系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射信號和導(dǎo)航電文的有效監(jiān)測，精準選擇監(jiān)測衛(wèi)星的位置。需要注意的是完成此項操作需要保證GNSS 接收機的信號，對4 顆以上的衛(wèi)星信號進行同步接收，才能應(yīng)用合理的計算方式對空間位置坐標進行確定，得出衛(wèi)星測站的具體位置。

不同于其他測量技術(shù)，GNSS 技術(shù)的操作基本屬于自動化技術(shù)，進行工程測量時通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能化。工作人員在礦山測量工作中，通過GNSS 技術(shù)能夠應(yīng)用便攜微型測繪設(shè)備獲取精準的檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件系統(tǒng)進行處理分析后獲取精確的信息。GNSS技術(shù)基本上沒有特別嚴苛的運行環(huán)境方面條件限制，能夠應(yīng)用在不同的領(lǐng)域和施工方面，具有較高的兼容度，操作簡便。相較于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的觀測，GNSS 技術(shù)對衛(wèi)星的捕捉和鎖定更容易，能夠有效提高獲取數(shù)據(jù)的精確度和處理分析速度。為了獲取較好的效果，可提升GNSS 技術(shù)的數(shù)目，擴大衛(wèi)星對地域的覆蓋范圍。

1.2 GNSS 技術(shù)應(yīng)用的重要性

GNSS 技術(shù)是衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能夠全面提供信息數(shù)據(jù)，包括不同的方位、速度、時間和位置等。在地面基準站作為接收數(shù)據(jù)的基點，基于內(nèi)設(shè)系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)多個控制點應(yīng)用靜態(tài)差分定位技術(shù)精準定位，由注入站按照規(guī)定向GNSS 衛(wèi)星注入格式編輯導(dǎo)航電文。具體操作方法為，定位測量中通過對流動站儲存星歷的系統(tǒng)利用，初步計算出不同衛(wèi)星的大概位置，應(yīng)用計算機設(shè)備對衛(wèi)星進行觀測，選擇衛(wèi)星數(shù)量為4 顆，相對范圍較廣，對GNSS 系統(tǒng)中的空間位置坐標進行確定，計算出流動站具體的精確坐標。GNSS 技術(shù)測量作業(yè)人員只需要3 人，能夠縮短測量時間，獲取更加豐富的導(dǎo)航信息，十分高效。另外，每次測量可控制5mm+1ppm 的測量精度，且不會受到各種因素的影響，具有實時性，再加上容易操作的實用性特點，目前應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛[5]。由此來看，在礦山工程測量工作中應(yīng)用具有良好的前景，可有效提高測量數(shù)據(jù)的精準度，縮短數(shù)據(jù)和獲取和處理速度，具有重要的作用。

2 不同條件下礦山測量的應(yīng)用方向及措施

2.1 礦山測量的應(yīng)用方向

2.1.1 在控制測量中的應(yīng)用

控制測量能夠在礦產(chǎn)開采的不同階段提供參考，包括坐標和基準點等。做好控制測量工作，才能夠為礦山的開采規(guī)劃、設(shè)計、勘探、開發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。GNSS 技術(shù)的應(yīng)用主要是通過靜態(tài)差分定位技術(shù)進行測量，經(jīng)接收機對控制點實現(xiàn)差分定位，調(diào)整測量時間實現(xiàn)精準測量。傳統(tǒng)的礦山控制測量中主要應(yīng)用導(dǎo)線測量方法，存在一定的局限性；而應(yīng)用GNSS 進行控制測量不會被相關(guān)因素影響（地形、天氣等），控制精度更高，且不需要較為嚴格的測量條件和控制點選點。所以，礦山測量中常應(yīng)用GNSS技術(shù)進行控制測量以獲取更為精準的數(shù)據(jù)。

2.1.2 在建設(shè)工程及地形測量中的應(yīng)用

GNSS 技術(shù)在建設(shè)工程及地形測量中的應(yīng)用也很普遍，能夠?qū)Σ煌V山地區(qū)（能源性礦區(qū)、金屬性礦區(qū)等）的地形進行測量，包括測量范圍和復(fù)雜地貌等。例如，充分應(yīng)用GNSS 實時差分技術(shù)構(gòu)建礦山控制坐標系（至少3 個控制點），應(yīng)用接收機對衛(wèi)星和基準站的空間數(shù)據(jù)進行獲取和記錄，通過內(nèi)置系統(tǒng)對收集到的數(shù)據(jù)進行擬合計算，準確計算觀測點的坐標位置，更加快捷高效。傳統(tǒng)的測量工作中，一般先航拍整個礦區(qū)，全面了解后，應(yīng)用測量儀器繪制礦區(qū)地形圖，具有較大的工作量，且測量速度難以滿足要求[6]。再加上礦山開采過程中地形條件不斷發(fā)生變化，無法全面掌控礦區(qū)的相關(guān)信息。因此，需要不斷對測量方法進行創(chuàng)新。在這種情況下，GNSS 技術(shù)的應(yīng)用十分重要，因具有較高的精度、組織靈活，且作業(yè)高效受到了普遍的認可，具有較高的推廣價值。

2.1.3在生態(tài)環(huán)境破壞監(jiān)測中的應(yīng)用

社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展下，人類生產(chǎn)活動逐漸增加，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞。礦產(chǎn)開采中可能會出現(xiàn)一些地質(zhì)環(huán)境問題，例如地面裂縫、地面沉陷等。因此，需要對生態(tài)環(huán)境破壞情況進行檢測。原有的監(jiān)測方法主要為全站儀，在觀測生態(tài)環(huán)境的沉降情況時會受到一定因素的限制，如地形地貌、控制點數(shù)量等，效果較差，無法滿足當前環(huán)保理念下的監(jiān)測要求。而GNSS 技術(shù)的有效應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量，特別是沉降區(qū)域的范圍、深度等都能夠通過靜態(tài)差分定位技術(shù)進行測量，相對其他測量技術(shù)來說工程量更小，便于操作，且精確度更高，是一種有效的監(jiān)測方法，值得推廣應(yīng)用。

2.1.4 礦區(qū)大比例尺地形圖的測繪

礦山開采程度隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展在不斷推進，大量應(yīng)用機械化作業(yè)雖然縮短了工程量，但是精細度明顯不足。不同時間或者區(qū)域內(nèi)的礦山地形會發(fā)生變化，且無明確的變化規(guī)律，需要測量工作人員持續(xù)對礦山地形進行補測和加密測量，以便為后續(xù)礦山的開采管理和決策提供參考依據(jù)[7]。傳統(tǒng)的測量過程主要應(yīng)用三角網(wǎng)控制測量方法，整個工程具有較大的工作量，需要較多的工作人員，并且操作要求較高，所以測量速度很慢。在測量過程中，若氣候不好，或者環(huán)境發(fā)生變化，均會影響測量的進度和測量數(shù)據(jù)的準確性。而應(yīng)用GNSS 測量技術(shù)相對來說更加簡單，優(yōu)勢明顯，只需要選擇較高的地點架設(shè)基準站，然后在開闊平坦的區(qū)域選擇一名工作人員對流動站進行操作，測量速度非?？?，一個測量點的三維坐標只需要不超過3s 的時間即可采集數(shù)據(jù)。通過計算機設(shè)備導(dǎo)出數(shù)據(jù)后，結(jié)合測量點編碼應(yīng)用相關(guān)成圖軟件即可繪制地形圖，極大地減少了工作量。因GNSS 技術(shù)應(yīng)用下的操作流程更加高效簡便，讓大比例尺地形圖的繪制更加簡單，能夠加快更新率，有利于增強礦山建設(shè)實時管理的可能性。

2.1.5 礦區(qū)的變形監(jiān)測

在礦山開采過程中，隨著開采深度不斷加大，地形相對高差逐步增大，邊坡數(shù)量不斷增加，出現(xiàn)崩塌的可能性不斷加大，與此同時，受采空區(qū)影響，礦山周邊地面出現(xiàn)塌陷的風險也不斷增加，開展礦區(qū)變形監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)安全風險并預(yù)警是避免重大安全事故發(fā)生，保證人員財產(chǎn)安全的有效手段。然而，變形監(jiān)測的各項指標往往需要達到毫米級或者亞毫米級的精度，這是傳統(tǒng)監(jiān)測方法所難以達到的。此時，建立由數(shù)據(jù)采集、傳輸和GNSS 數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)成的GNSS 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)長期穩(wěn)定監(jiān)視監(jiān)測點、無線傳送高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，全年連續(xù)對礦山變形進行觀測的目的，同時，GNSS 數(shù)據(jù)處理中心可實時將觀測數(shù)據(jù)進行分析處理，預(yù)警超過限制的變形，為礦山管理者實時掌握礦山安全信息提供可能。

2.1.6 露天礦區(qū)的控制測量

露天礦區(qū)的控制測量中，傳統(tǒng)的測量方法存在較大的局限性，不僅嚴格要求測站點間的通視，還存在工序復(fù)雜、測量周期較長等問題，由于操作過程限差較多、不能實時掌控精度也是明顯的缺點，經(jīng)常容易造成返工。因此，露天礦區(qū)的控制測量需要采用更加先進的技術(shù)方法。GNSS 技術(shù)的應(yīng)用能夠通過靜態(tài)控制測量技術(shù)和相應(yīng)的軟件處理結(jié)合，對控制點的平差坐標進行精準計算，保證礦山控制測量的高效性。

2.1.7 爆破鉆孔的放樣

全站儀放樣功能是礦山爆破鉆孔時常用的測量方法，在應(yīng)用過程中具有較高的通視程度（測站點與立鏡員之間）要求，較高的配合程度（觀測員于立鏡員間）要求[8]。為了能夠有效提高測量質(zhì)量，降低測量難度，可應(yīng)用GNSS 技術(shù)完成。不同于傳統(tǒng)的測量方法，GNSS 技術(shù)應(yīng)用過程中只需要一個工作人員，于GNSS 移動站手薄導(dǎo)入爆破鉆孔坐標即可完成放樣，不會受到相關(guān)因素的影響，工作效率更高，具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 礦山測量的具體步驟

2.2.1 收集資料

對整個礦山工作區(qū)已知的資料，進行全面、詳細收集，包括專業(yè)性圖件、氣候環(huán)境類資料、社會經(jīng)濟類資料等內(nèi)容。例如，礦山區(qū)域的大地點、水準點、接收點位置、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、氣象條件、高程異常改正值、接收點數(shù)量、不同比例尺地形測繪圖、建筑分布圖、社會經(jīng)濟情況、交通圖、平面布置圖、行政區(qū)劃圖等。

2.2.2 測區(qū)踏勘

測區(qū)踏勘需要對礦區(qū)的整體情況有所了解，例如地形地貌、通信情況、地質(zhì)環(huán)境、供電情況、氣象水文等。特別需要注意的是，應(yīng)用GNSS 測量技術(shù)時會受到礦山地區(qū)高壓線、無線電發(fā)射臺站等分布情況的影響，需要全面掌控相關(guān)信息；對礦山地區(qū)已有的位置信息（GNSS 點、三角點、水準點、導(dǎo)線點）進行現(xiàn)場實地核對，精準計算基準站位置，確定后對邊界位置進行測量。

2.2.3 GNSS 儀器檢驗

GNSS 儀器檢驗主要是為了保證測量工作的順利開展，控制測量精準度。檢查內(nèi)容較多，首先需要對儀器本身進行檢查，包括是否出現(xiàn)破損、配件是否齊全、儀器箱是否匹配、是否配備接收機天線、電源信號燈是否能夠正常工作、按鍵和顯示系統(tǒng)是否正常運轉(zhuǎn)等[9]。在實際的檢驗過程中，不僅需要人工查看確認，還可以利用自測試進行檢驗。例如，測試接收機接收信號、衛(wèi)星失鎖情況、衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集和分析速度的快慢等。在上述內(nèi)容全部進行檢驗，均確認正常無誤后，可繼續(xù)下一步檢驗。打開設(shè)備，開始測量試驗。對不同通道中衛(wèi)星的方位和高度角進行跟蹤記錄，通過連續(xù)觀測獲取的數(shù)據(jù)，計算出經(jīng)緯度。在設(shè)備的運行中，觀察相關(guān)數(shù)值的情況是否正常，例如接收機內(nèi)部噪聲水平、蓄電池的充電度等。確定完成所有檢驗環(huán)節(jié)，且均質(zhì)量合格，才能正式開始使用GNSS 儀器。

2.2.4 設(shè)定基準點

設(shè)定基準點需要先對礦區(qū)的中央子午線和平面坐標系統(tǒng)進行確定。通常情況下應(yīng)用國家大地坐標系統(tǒng)。需要確定的基準點主要有2 個，選擇位置時，盡量選擇空曠的固定建筑，因為會涉及很多影響因素[10]。例如，基準點建筑物的地基是否穩(wěn)定、能不能長期作為基準點使用、作業(yè)環(huán)境是否安全等。另外，還需要考慮視野開闊情況，確保周圍無成片障礙物（≥15°），包括現(xiàn)場操作GNSS 儀器是否方便等情況。最后，可通過GNSS 儀在設(shè)定好的基準點上對衛(wèi)星信號進行接收，實現(xiàn)對控制點平面坐標和高程測定的有效測量。

2.2.5 建立獨立平面坐標網(wǎng)

應(yīng)用GNSS 儀在設(shè)定好的基準點建立獨立平面坐標網(wǎng)，建立方法包括不同的形式，例如星型網(wǎng)、單三角形、附合導(dǎo)線網(wǎng)、三角網(wǎng)等。需注意的是每個GNSS 控制點需要保持一定的通視方向，至少不低于2 個。

2.2.6 數(shù)據(jù)處理

全面檢查和驗收外業(yè)提供的成果，對偶然誤差和系統(tǒng)誤差比例進行統(tǒng)計，首先選擇同一時段的數(shù)據(jù)計算剔除率，然后進行基線解算，選擇最優(yōu)結(jié)果。最后進行質(zhì)量檢驗，確保三邊同步環(huán)的坐標分量不超過規(guī)范值。

2.3 GNSS 技術(shù)在礦山工程測量中的具體應(yīng)用

本文選擇某礦山應(yīng)用GNSS 技術(shù)的案例進行分析：登記區(qū)域等級為E 級，由5 個點構(gòu)成GPS 控制網(wǎng)點，東西長度為1.64km，南北長度為1.43km，總面積為2.35km/m2（實際可控）。工程測量過程中，應(yīng)用接收機為V30，使用數(shù)量為4 臺，作業(yè)方式為邊連接。對礦區(qū)的C 級GPS 控制網(wǎng)點（3 個）進行聯(lián)測覆蓋，作為起始數(shù)據(jù)進行控制網(wǎng)的解算。

高程測區(qū)擬合（GPS）后進行空間作業(yè)，起始點基礎(chǔ)數(shù)值為三等水準高程數(shù)值，對所有的GPS 測控點應(yīng)用全站儀進行三角高程網(wǎng)絡(luò)測量。平差計算后獲取不同測點的高程值，進行精度驗證。驗證過程包括坐標基本轉(zhuǎn)換、高程擬合，通常情況下，應(yīng)用布爾沙函數(shù)模型（7 個轉(zhuǎn)換參數(shù)）完成直角坐標系的坐標轉(zhuǎn)換。不過，目前我國坐標系的測量主要應(yīng)用二維常規(guī)技術(shù)，相對來說，大地高差較高，需要根據(jù)已知點的三維坐標，結(jié)合經(jīng)緯度坐標換算其余點的方式完成坐標轉(zhuǎn)換。高程擬合主要對礦山測區(qū)內(nèi)的水準重合點進行擬合，擬合依據(jù)為削高補低，通過平滑多項式曲面實現(xiàn)對大地水準面的擬合，于GNSS 定位網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)起算點對大地水準面的基本形狀進行確定，計算高程異常，擬合數(shù)據(jù)模型和曲面表達式。

3 結(jié)語

GNSS 測量技術(shù)在礦山測量中，能夠通過對衛(wèi)星的有效利用（發(fā)射時間、偽距、星歷）完成測量工作，且不會受到障礙物和一定條件的影響，具有較高的兼容度，能夠有效提高測量信息數(shù)據(jù)的收集與處理速度，可廣泛應(yīng)用在控制測量、生態(tài)環(huán)境破壞監(jiān)測等方面，具有良好的前景。未來可廣泛應(yīng)用在礦山開采工程中的更多方面，能夠發(fā)揮更多的作用，意義重大。