GPS手持机在煤矿塌陷区勘查工作中的应用
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煤矿塌陷区勘查是对塌陷地及裂缝的位置、长度、宽度、面积的调查，为矿业用地的再生利用和生态系统恢复提供数据和资料。相比于传统勘查测量仪器，GPS手持机具有全天候、便于携带、简便高效的特点，能够实时、准确、翔实地掌握塌陷地貌的空间数据信息。特别是近年来亚米级GPS手持机的出现，使得手持机在塌陷区勘查工作中推广应用成为可能。
1 工程概况
平顶山某矿位于韩梁煤田腹地，属浅山丘陵区，已有30年开采历史，由于长期地下煤层自燃、原煤采挖和大量抽去地下水等因素，从娘娘山到青草岭南端地表出现塌陷，并在一些地表形成巨大裂缝，对耕地、房屋建筑、公路桥梁、给排水管线等造成一定损害，需要对塌陷造成的生产生活影响进行评估，掌握与塌陷裂缝相关的点线面要素坐标和面积数据。
2 GPS手持机的数据采集
本次任务采用中海达高精度Qstar5GPS手持机，这款机型使用单频单星，定位模式采用广域差分SBAS（Space Based Augmentation System），SBAS是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统，它配合地面站台以提供GPS校正讯号，让我们得到更准确的定位。目前全球发展的SBAS有欧空局的EGNOS，美国的DGPS、WAAS，日本的MSAS。Qstar5采用的MSAS，覆盖亚洲大陆，适合我国使用。中国MSAS卫星编号是129、137。因为这种技术，该款手持机定位精度达亚米级，完全可以满足塌陷区勘查的要求。
2.1 坐标转换参数的设置
GPS手持机直接获取的是点的WGS-84大地坐标，而现有地形图图件使用“1980西安坐标系”。 此时就需要进行坐标转换参数计算，手持机软件“工具”菜单下有“参数计算模块”，用户只需录入控制点的两套坐标，就可在模块功能下计算出转换参数并保存。再进行数据采集时，就能实现外业的实时动态投影，现场获取西安80坐标。
坐标转换模型有严密的布尔莎七参数，即两椭球之间在空间向量上的平移、旋转、尺度参数（Dx、Dy、Dz、Wx、Wy、Wz、K），且旋转量要很小，是一种比较严密的转换模型，需要三个点才能进行解算。一般选择简便的近似七参数（即三参数，Dx、Dy、Dz，K默认为1），只有空间向量上的平移参数，是一种精度较低的转换，一个已知点即可求解，但实际最好用至少三个已知点，以提高精度。
坐标转换的具体步骤是：
（1）在勘查区收集三个（或三个以上）均匀分布的等级控制点的B、L、H，将其转换为对应的空间直角坐标X、Y、Z；
（2）可用静态GPS实测控制点坐标，将其WGS-84大地坐标B、L、H转换为对应的空间直角坐标X、Y、Z；
（3）用第（2）的结果减去第（1）步结果，就能得到三组DX、DY、DZ，取其平均值作为转换参数。
通过相应计算，本次任务区的三个平移参数为：DX= -12m、DY= -116m、DZ= -37m。
手持机中另外还需录入两个参数Da、Df，均为常数，其中Da=-3m，Df=0.00000000250m。
2.2 裂缝相关数据的采集
采集数据功能是GPS手持机软件的核心，通过采集获取点、线、面等地物的定位数据，并实时成图，并借助数据词典功能记录地物属性信息。
2.2.1 点位坐标采集
手持机软件具有“点状地物采集”功能。将手持机放置在裂缝特征点中心，如图1（a）所示，点击屏幕“+”功能键，手动采集点位坐标；（b）图中点右上角“√”确认采集；之后点击图（a）中下方工具栏左侧第三个“笔状”记录按钮，记录该点属性信息。
强大的手持机软件提供多种数据采集方式，推荐使用：手动采集――添加当前点坐标；连续采集――可设置按时间或者距离采集，一般设置1秒采集一次；平滑采集――可设置同一个点的采集次数，再取平均值，以此提高采集精度。
2.1.2 长度的测量
长度是线状地物，线由点组成，线状地物的采集与点状地物采集类似。不同的是，点是采集一个坐标即输入相关属性记录；线则是要采集线的多个节点（2点以上连成线）坐标，即采集完整个线状地物的节点坐标后，方可输入相关属性记录，软件将自动将点连成线。
到达线状地物的一个节点，点击“+”，采集当前点坐标，弹出坐标确认界面，点击“√”，再移动到线状地物的另一个节点，点击“+”采集当前点坐标，弹出确认界面，点击“√”，依次采集此线状地物的多个节点。具体见图2。
2.1.3 周长、面积测量
手持机具有“面状地物采集”功能。首先应该以该地表塌陷区某一点作为测量的起始点开始存点，然后沿塌陷区边缘行进，每一个拐点都存点，直到重新回到起点，形成封闭多边形。如图3，此时使用手持机软件“高级”菜单下的“量算长度面积”功能，计算闭合面积。
3 使用中的注意事项
（1）为避免多路径效应影响降低定位精度，测点不要靠近高压线等电磁干扰物或茂密树林。
（2）利用手持机测定面积时，步幅与速度要均匀。
（3）想获取高精度的80坐标，坐标系统参数要求必须准确，否则误差累积后，有可能得到不正确的当地坐标。所以，对于已知控制点的测量，建议用户使用全站仪、静态GPS或RTK测量，从而控制精度。
（4）GPS手持机稳定接收卫星信号需要时间，集成高精度重力传感器G-sensor也需时间将GPS天线精确电子整平，所以首次定位时间一般是30s，建议开机后在整个测量过程中不要关机，采集点位坐标时最好静置在点位上30s后再测量坐标。
（5）手持机的高程测量精度是平面坐标精度的2-3倍（一般在3m左右），如需高精度高程数据，建议使用水准仪测量。
（6）采集完成后，可将数据导出查看与统计。使用USB数据线将数据从仪器中拷贝到计算机上。手持机供应商均提供可供使用的电脑桌面软件，该软件除具有查询、编辑、修改等功能，还可根据用户需求将手持机测量的数据文件转换为用户需要的数据格式如AutoCAD DXF、Excel CSV、TXT格式等。
4 结论
实践中，利用GPS手持机实测五条较大裂缝，裂缝总长4568.7m，测定塌陷面积共计4012.38m2。并利用采集的数据在矢量地形图上进行了绘制和注记，圆满完成了勘查任务。
通过实践表明：GPS手持机大大缩短了勘查工作的时间，降低了工作难度，节省了人力物力，节约了测量成本，且测量的平面坐标及高程满足勘查工作精度需要，为协调处理工农关系、明确责任赔偿和后期进行土地复垦、塌陷区治理提供了有力支持。
参考文献
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达卫星导航技术股份有限公司，2013.
作者简介
潘传姣（1978-），女，安徽省安庆市人。硕士学位。现为河南城建学院讲师。主要从事GPS定位与导航等的教学和研究工作。
作者单位
河南城建学院测绘工程学院 河南省平顶山市 467036