基于ArcGIS的GPS-RTK沉降监测数据分析

刘强

（陕西天元通信规划设计咨询有限公司陕西西安710000）

【摘要】矿井生产带来的地表沉降影响矿区周围环境，对沉降区进行有效监测对保障矿区居民安居乐业具有重要的意义。本文首先详细介绍了gps-RTK技术，并且在理论上探讨了大地高、正高和正常高的关系。通过GPS-RTK技术获取沉降监测数据，并采用多面函数进行区域似大地水准面拟合。以各观测线为对象，分别计算各测线上点的沉降量，分析其沉降规律.。最后，基于ArcGIS软件，对沉降量进行三维可视化和三维分析。

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关键词 GPS-RTK；原理；区域；ArcGIS

SettlementMonitoringDataAnalysisBasedonArcGISGPS-RTK

LiuQiang

(ShaanxiTianyuanCommunicationPlanningandDesignConsultingCo.,LtdXi´anShaanxi710000)

【Abstract】Surfacemineproductionimpactofminesubsidencecausedbythesurroundingenvironmentofthesettlementareaforeffectivemonitoringoftheprotectionoftheminingarearesidentsliveandworkisofgreatsignificance.ThispaperfirstintroducestheGPS-RTKtechnology,andintheorytoexploretheearthishigh,beinghighandnormalrelations.GetsubsidencemonitoringdataviaGPS-RTKtechnology,andtheuseofmulti-facetedfunctionsofregionalgeoidfit.Ineachobservationlineasanobject,thesettlementamountwerecalculatedforeachmeasurementpointline,analyzetheirsettlementrule..Finally,basedonArcGISsoftware,thesettlementamountforthree-dimensionalvisualizationandthree-dimensionalanalysis.

【Keywords】GPS-RTK;Principle;Area;ArcGIS

1.引言

（1）矿山资源的大规模开发和利用，极大地推进人类经济和社会的发展［1］。但是矿山资源开采引起地面沉降也给矿区人们的生活和生态环境带来消极的影响，矿山开采沉降对矿区环境造成了严重损害，已成为制约矿区可持续发展的主要问题之一。

（2）为了解决煤矿开采引起的地表沉降及对建筑物、构筑物的破坏问题，掌握由于开采引起的地表与岩层移动规律，合理的开展“三下”开采工作，各矿区必须进行开采沉降监测［2-4］。近几十年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是各种地面高精度观测技术及GPS为代表的空间大地测量技术的突破性进展，大大丰富了矿区开采沉降的观测手段［5-6］。而GPS-RTK测量技术也随之日益成熟，通过GPS-RTK技术能够在野外实时得到的定位精度为厘米级，它采用了载波相位动态实时差分方法，能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，依靠其技术优势已被应用于矿区地面沉降监测工作中。

（3）以ArcGIS为平台对地面沉降进行平面显示。利用ArcGIS软件的ArcScene应用程序对地表沉降信息实现三维立体显示，可以通过旋转多角度观察任意方向的变形，进行三维分析，对地表沉降的规律得到更准确、充分和直观的认识，为沉降监测提供了一种更好的分析方法［7-8］。同时也为合理、方便地进行沉降区治理提供了科学依据。

2.GPS-RTK的基本原理

（1）GPS-RTK定位技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位观测值为根据的实时差分GPS定位技术，实施动态测量（图1）。在GPS-RTK作业模式下，基准站将测站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等通过无线数据链一起发送给流动站。流动站在接收来自基准站的数据时，同步观测采集GPS卫星载波相位数据，通过在系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，得到基准站和流动站之间的坐标差值(ΔX,ΔY,ΔZ)，坐标差值加上基准站坐标就可以得到流动站点的WGS-84坐标，通过坐标转换和参数转换，得出流动站每个站点的当地坐标(x,y,h)。

（2）GPS-RTK技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。所谓修正法是将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标。所谓差分法是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。

3.区域似大地水准面拟合

GPS-RTK测量所得到的高程是相对于WGS-84椭球的大地高H84，而在实际工程应用中，地面点的高程采用正常高Hr，因此必须求出大地高与正常高之间的高程异常，通过高程拟合的方法解算出各测点的正常高，才能将GPS-RTK技术应用到沉降监测工作中。

3.1高程系统之间的关系。

高程系统之间的关系可以用图2表示，图中N是大地水准面至椭球面的距离称大地水准面差距，ζ是似大地水准面与椭球面之间的差距称为高程异常。其中：

N=H-Hg

ζ=H-Hr

Hr-Hg=Hr(gm-rm)/gm(1)

3.2多面函数拟合法。

美国人Hardy于1977年提出多面函数拟合法，并将其用于形变分析。该方法基于这样的思路：任何一个圆滑的数学表面总可以用一系列的有规则的数学表面的总和以任意精度逼近，则任意一点(x,y)处的高程异常值ζ可以表示为：

ζ=∑mi=1aiQ(x,y,xi,yi)(2)

式中，ai为待定系数，Q(x,y,xi,yi)为核函数，x，y为待求点坐标，xi，yi为已知点坐标。

核函数一般采用如下的正双曲面函数：

Q(x,y,xi,yi)=［(x-xi)2+(y-yi)2+δ2］1/2(3)

式中，δ为光滑系数。

当待求点数等于已知点数时，任一点ζP为：

ζP=QPQ-1ζ(4)

当待求点数多于已知点数时，

ζP=QP(QTQ)-1QTζ(5)

4.基于ArcGIS的数据可视化

ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3DAnalyst，可以用它来创建动态三维模型和交互式地图，从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理。

利用三维分析扩展模块可以进行三维视线分析、剖面图绘制和创建表面模型(如TIN)。任何ArcGIS的标准数据格式，不论二维数据还是三维数据都可通过属性值以三维形式来显示。例如，可以把平面二维图形突出显示成三维结构、线生成墙、点生成线。因此，不用创建新的数据就可以建立高度交互性和可操作性的场景。如果是具有三维坐标的数据，利用该模块可以把数据准确地放置在三维空间中。

4.1三维数据生成。

此次设计的研究数据来源于对内蒙古某矿区地表沉降的监测数据。现在已用GPS-RTK技术对矿区进行了两期观测。由于环境的限制及点位的破坏，两期观测的点位不完全重合；现已计算出两期所测各个点的X、Y坐标、大地高H及高程转换的数据。

(1)将采集的三维数据(X,Y,Z)存储在Excel表格中；

(2)用ArcCatalog读取Excel中数据，选中数据单击右键“Createfeatureclass”-“FromXYtable”。

(3)ZField选择H，“Coordinatesystemofinputcoordinate”选择“WGS-84”，选择好存储路径后，点击OK，则三维数据即可生成，其后缀为*.shp。

4.2沉降量可视化。

（1）散点图（见图3）。

4.3沉降量分析。

（1）把ArcGIS中ArcScene下生成下沉值的离散点图层和TIN图层加载到ArcMap中，在图层中绘制一条插值线，图形显示如图5。

（2）用观测线绘制的剖面图如图6所示。

（3）从图6可以得出，该条测线最大下沉量约为-2.6m，下沉区域0～500m之间。在500m～2000m之间有小的波动，由于误差的存在可视为无下沉。

5.结论

在ArcGIS中，ArcMap提供了一体化的完整地图绘制、显示、编辑和输出的集成环境。可以按照要素属性编辑和表现图形，也可直接绘制和生成要素数据；可以在数据视图中按照特定的符号浏览地理要素，能够进行多种方式的地图标注，具有强大的制图编辑功能；ArcScene对地表沉降信息实现三维立体显示，可以通过旋转多角度观察任意方向的变形，进行三维分析，对地表沉降的规律得到更准确、充分和直观的认识，为沉降监测提供了一种更好的分析方法。

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参考文献

［1］何国清，杨伦，凌庚娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994.

［2］唐立刚.天津市地面沉降的GPS监测研究［D］.天津:天津大学，2005.

［3］庄蕊.浅谈全球定位系统GPS技术在矿区测量中的应用［J］.科技致富向导，2011,8(8):372-373.

［4］吴晓红.GPS+RTK技术在矿区测量工作中的应用［J］.煤炭技术，2010,29(4):145-147.

［5］徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用［M］.武汉:武汉大学出版社，2008.

［6］王佩贤,张国卿,王宝山,等.大地测量学基础［M］北京:煤炭工业出版社，2007.

［7］张清.论矿山测量中新测绘技术及其特点［J］.山西建筑，2012,38(3):224-225.

［8］WeiLi,ChangWang.GPSintheTailingsDamDeformationMonitoring［J］.ProcediaEngineering,2011(26):1648-1657.

［文章编号］1006-7619（2014）09-09-539