GPS点校正方法在矿山测量中的应用探讨

GPS点校正方法在矿山测量中的应用探讨

徐晖唐俊杰

河西金矿山东省招远市265402

摘要：在矿山测量中常规三角、导线测量作业效率低、精度不均匀已不能满足某些工作需要。GPS的优点在于测站间无需通视、全天候、高精度、自动化、高效益等，GPS技术已基本上取代了常规测量方法。为此，在接下来的文章中，将围绕GPS点校正方法在矿山测量中的应用方面展开分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：GPS；点校正；矿山测量

引言

对于精度要求较高的矿山工程来说，尽量选择两点一步法校正方法，其抗干扰能力强，校正精度高，误差分布呈现偶然性。另外，两点校正精度虽然明显高于单点校正，但是该方法计算结果没有残差项，不能判断校正模型的正确性，所以在条件允许的情况下，尽量选择多的已知点作为检核。一步法校正理论是将水平校正和高程校正分开，已有研究成果显示，该方法高程校正精度较低，所以为了获取较高精度的三维坐标，GPS测量方法应当与水准测量、全站仪测量等方法配合使用。

1点校正理论及坐标转换类型

由于不同坐标系使用的参考基准和地图投影存在差异，致使构建的坐标系数学关系，即在坐标系统中表现的三维位置关系也存在一定差异。如图1，地面点A在不同数学关系坐标系统中对比发生了旋转、平移和缩放，所以，在GPS测量前，必须求解转换参数，构建不同坐标系统之间的数学关系转换模型［1］。GPS点校正是基于一定的约束条件(最小二乘法)，利用已知点在地方坐标系坐标和WGS－84坐标求取坐标转换参数，构建坐标转换数学关系模型，从而在GPS定位过程中，所测点位坐标在数学关系模型中被默认匹配为地方坐标系坐标。

图1坐标转换示意

对于GPS定位的坐标转换来说，目前我国常见的转换类型有:北京54与WGS－84坐标系的相互转换，西安80与WGS－84坐标系的相互转换，独立坐标系与WGS－84坐标系的相互转换。但是无论哪种坐标系与WGS－84坐标系之间的转换，简化后只是不同数学模型之间的转换问题，即三维模型间旋转、平移和缩放参数的计算过程。现有转换参数计算方法主要分为三参数法(三个平移参数△x、△y、△z)、四参数法(三个平移参数△x、△y、△z和尺度参数k)、布尔莎模型七参数法(三个平移参数△x、△y、△z，三个旋转参数εx、εy、εz和尺度参数k)。不同方法构建方程式所需要已知点个数不同，所以在实际应用中应当根据已知点个数和工程所需目的合理选择计算方法。

2一步法点校正原理

瑞士徕卡GPS(1+1)测量系统中介绍了三种定义坐标系的方法:一步法、两步法、经典三维法，其中两步法和经典三维法都必须知道独立坐标系椭球和地图投影，另外如果地方坐标不精确，点校正结果将与现有坐标系统不符合。一步法进行点校正，是通过将高程与点位分开进行转换，在平面点位转换中，首先将WGS－84坐标投影到临时的横轴墨卡托椭球，然后进行平移、旋转和比例变换使之与计算的“真正”投影相符合。这种方法利用的是临时参考基准，所以不需要知道地方坐标系的参考椭球与地图投影类型，并且高程与平面点位转换是分开进行的，高程误差不会传递给平面点位，在不知道点位高程或者高程已知点和平面点位不是同一个点情况下，仍旧能获得高精度的平面位置点校正结果。除此之外，这种方法可以在只有一个公共点的情况下计算地方坐标系与WGS－84坐标系统之间的转换参数(只有X和Y平移量)，所以在矿山工程中，一步法得到更广泛的使用。一步法的优点在于可以利用较少的已知信息内插获取转换参数，并且不需要知道已知地方坐标系的参考系统，在矿山工程中可以灵活使用。缺点在于已知信息的缺失，导致转换结果没有多余的约束条件，转换参数准确性较差，尤其在受到外界干扰(电磁波、多路径效应等)情况下，定位精度较低，所以该方法适用范围有限，一般仅限于在校正点附近有效。所以一步法进行点校正，应当根据矿山工程的需要，尽量多的选择约束条件，提高点校正精度。

3矿山工程实例中的点校正精度分析

本文选择王某煤矿煤堆测量和污水处理厂基建项目为研究对象，进行实例分析。选择工业广场内办公楼点、宿舍楼点和招待所点为已知点，属于国家四等导线控制点。施测中，基准站均为任意点布置，仅测定点位的水平位置，不考虑高程信息。图2为煤堆测量，煤场内1、2、3号点坐标已经精确测定。图3为污水处理厂基建项目，污水处理厂基建内工程控制点K1、K2和K3三个点，宿舍楼点距离办公楼距离245m左右，K1距离办公楼点640m左右，路线上需要经过公园水域、树林以及楼房等信号干扰物。

本文采用一步法对GPS进行点校正，北煤堆测量为单点校正，污水处理厂为单点校正和两点校正。从中可以得出结论，第一，煤堆单点校正后测量结果对比误差主要表现在x方向，最大值为1号点0．873m，王庄煤矿煤堆测量精度要求为单向误差≤±1．0m，所以单点校正满足煤堆测量需要，三点位误差差值分布比较均匀，煤堆测量结果是为了获取实时的煤仓储量，需要的是相对精度，对点位要求较低，并且校正点距离基站距离为250m左右，距离较近，周围没有较大的GPS信号干扰物，所以单点校正一步法是满足煤堆测量需要的。第二，污水处理厂基建，单点校正结果误差都在3m以上，误差太大，误差在x和y方向上都表现明显，污水处理厂基建项目对控制点精度要求较高，按照设计要求为点位误差≤±0．100m，所以单点校正明显满足不了基建要求[1]。第三，两点一步法校正，选择办公楼点和招待所点作为校正基准，并以宿舍楼点作为检验点，结果显示两点校正结果精度明显提高，完全满足基建精度要求，点位误差分布不均匀，随着距离增加，点位误差也随之变大。单点校正，计算结果转换参数只有x和y平移量，缺少尺度参数，校正结果缺少约束条件，所以出现误差均匀分布现象，并且随着观测点与已知点距离的增大，点位误差随之增大，并且误差增加速度明显。在距离相同的情况下，测量信号传播路线上树林、楼房、电线和水域等信号干扰物对点位定位精度影响很大[2]。同样利用一步法两点校正，转换参数计算结果中多了绕坐标Z轴旋转量εz和尺度参数k，在坐标轴校正数学模型计算上多了一些约束条件，点校正结果精度明显提高，而又通过已知点的坐标检核，更加确定了点校正结果的正确性，在点位测量结果上来看精度明显提高，并且点位误差在分配上也呈现偶然性，该方法在抗测量信号干扰性上也明显提高，测量模型的可控性更高，测量结果更具备科学性。

4结论

简而言之，利用GPS定位技术服务于矿山测量，需要进行必要的坐标转换或点校正工作，而点校正结果的准确性直接关系到GPS测量坐标系与施工坐标系统的吻合程度以及点位测量精度。为此，文章围绕GPS点校正方法在矿山测量中的应用方面进行了分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值[3]。

参考文献

[1]谢和平．岩土介质的分形孔隙与分形粒子[J].力学进展，2017，23(2):145－164．

[2]李子文，林柏泉，郝志勇，等．煤体多孔介质孔隙度的分形特征研究[J].采矿与安全工程学报，2018，30(3):437－442．

[3]辜敏，陈昌国，鲜学福．非均匀多孔介质表面变压过程的分形特征研究[J].煤炭转化，2017，24(2):37－39．