矿区GPS变形监测与变形分析

矿区GPS变形监测与变形分析栾元重！，韩李涛21.同济大学测量与国土信息工程系，上海200020%2.山东科技大学地科院，山东泰安2710193）的探讨。经对GPS实时监测变形数据分析可知，地表点的移动具有较强的分形增长规律，GPS变形监测技术能够揭示地表移动的非线性特征，为变形分析与预测提供了新的途径。

近二十年来，由于采矿事业的快速发展，各矿区都进行了大规模的开采，很多矿区在远离井下开采区域内发生了地表移动与变形，如建筑物产生开裂破坏，工业广场井筒产生了移动与变形，这些都不属于井下直接开采引起的地表损害。这些灾害的原因是多方面的，就开采间接影响的原因，主要有：一是井下开采造成地下水流失，使硫砂层或含水层压缩，引起矿区整体沉降；二是开采引起了地质构造的活化。据兖州矿区鲍店煤矿工业广场变形监测结果显示：工业广场内20年前埋设的基准点至今已下沉了0.3m.因此，在矿区大范围内开展变形监测是非常必要的。

目前，GPS卫星定位技术较之常规的测量方法有速度快、精度高、经费省且不受条件限制的优点，已在大地测量中广泛应用。近几年来，不少测绘科研单位将GPS定位技术应用于对矿区进行大范围变形监测。现就采用GPS定位技术进行矿区变形监测网的建立、监测方法、数据处理、变形分析及分形规律等问题进行探讨。

矿区GPS监测网的建立矿区GPS变形监测网不仅要监测井下开采引起的地表移动，而且还应对矿区多矿井开采引起的大范围地表移动进行监测。当矿区地表产生整体变形时，矿区控制点也可能随之产生变形。因此，在建立矿区控制网特别是建立GPS监测网时，要考虑兼有以下三种功能：一是满足矿区建设与生产需要建立足够密度的控制点，使其便于观测与使用，达到所需的精度要求；二是所建立的GPS控制网点，还应满足便于矿区变形监测的使用和精度要求的需要；三是为了发现控制网中某些点的移动与形变，需要在形变区外设置基准点，以利于发现控制网的形变，并进行形变分析。

布设矿区控制测量与变形监测GPS网时，应考虑矿山测量的特点，保证有关点间相互通视；控制点与监测点位选择及点的标志的埋设，必须保证点位稳定，基准点应布设在形变区域之外，满足监测点的要求。

提高GPS监测网观测精度的方法采用强制对中的观测镦，以减少安置在三角架上的GPS天线因风吹、日晒等因素产生的对中误差。

采用抗干扰能力强的天线，并在观测中将天线按指北方向进行定向。）选择足够的观测时间和恰当的观测窗口。

研究试验表明：若观测时间较长，对收到的多组星历进行拟合，可提高星历精度，延长观测时间，还可减弱其它随机误差的影响，提高观测精度。

减少对基线解算的影响。

5）制定合理的观测方案，保证有足够的多余观测，以利于粗差的剔除，防止误差的积累。

矿区地表变形的GPS监测矿区GPS变形监测主要有两种方法，**种是定期在监测点安置GPS接收机，进行变形观测，并分期地进行数据处理，根据多期GPS监测数据进行变形分析；第二种是GPS实时监测，在变形监测点上安置GPS接收机，全天候地进行GPS观测，根据地表变形特点，可每天施测4，8个时段，并直接将观测数据传入GPS解算软件，解算出基线变化量及三维坐标的变化量，实践表明GPS实时测量，能够监测出地表的多时段非线性变形，能够准确地建立地表移动的动态运动模型。

GPS进行变形监测时，为了避免因坐标系转换造成的精度损失，高程采用大地高，平面坐标可在测区内选择一子午线作为中央子午线，建立测点的平面直角坐标系。观测时，应同时使用多台GPS接收机，构成多边形同步环，具体实施时，应满足GPS测量规范的要求。

GPS监测网基线向量平差计算与变形值计算在三维直角坐标系中，基线向量误差方程式对于GPS监测网，即使采用精密星历，各期观测值之间仍存在系统性尺度偏差和方位偏差，为了消除这种系统性影响，可在每期GPS网中分别设立一个尺度参数，令其为：/x=1+Sm，则误差方程式为：的误差方程式为：如令，u，则误差方程式为：系数阵的秩亏数1=7，为了便于进行变形分析，求得未知参数的**解，需要根据监测网的实际情况，并结合不同基准的几何意义选择基准，主要有四种形式的基准，即：固定位置、重心尺度、重心方位基准；固定位置和尺度、重心方位的基准；拟稳基准；重心基准。通常是以某些相对稳定的点为基础建立基准方程，即拟稳基准，形式为：60时刻的三维位移向量为：然后可按！检验方法验证相对稳定点的稳定性，由坐标差”可按下式计算单位权方差：两期观测单位权方差为：1/r）栏内的数据，运用*小二乘法进行拟合，可得到盒覆盖双对数回归方程为：根据分形维数估计原理，盒覆盖中双对数回归直线的斜率就是分形图形的分形维数，可得到地表总下沉曲线的分形维数为：知道了地表下沉点的定量表征参量一维数+，则使地表移动这一非线性动力学系统问题得到了简化，我们可以用分维来刻画地表移动系统动态演化特征，根据GPS不同时期地表变形监测数据，可求得多个不同时期的分维+.如果同一地表点在多个时期分维+存在峰点，则可判断地表点分维峰点的变形序列已发生突变，尤其是在边坡预测中，代表边坡已失稳。

综上所述，实现地表移动的GPS实时监测，在线数据处理与变形分析，用分形理论预测地表移动的非线性特征，满足了变形测量自动化的要求，做到实时预测预报。