绿色开采中的测绘保障措施.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o t ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 19 6 4 2 0 0 4 0 20 2 2 4 0 5 绿色开采中的测绘保障措施 高井祥，王坚 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要变形监测及其数据处理和分析技术在“绿色开采”中处于重要地位，为土地复垦、景观重 建、生态恢复工程等具体应用领域工作的顺利开展提供了特殊的测绘保障措施．本文深入研究了 如下四个特殊方面的保障方法和途径 1 动态矿区高程基准的建立； 2 综合运用空间统计学、 分形理论、混沌学等理论研究了变形数据序列特征的量化方法； 3 研究了基于量化特征的预测 预报模型精度的改善途径； 4 针对矿区井筒变形的复杂性，研究了基于小波理论的低信噪比且 含一定量粗差的G P S 单历元井筒变形监测信号的分析方法． 关键词变形监测；特征量化；变形预报；小波理论 中图分类号T D1 7文献标识码A S e c u r i t yM e a s u r e sf o rS u r v e y i n ga n dM a p p i n gi nG r e e nM i n i n g G A OJ i n g x i a n g ，W A N GJ i a n S c h o o lo fE n v i r o n m e f i t a la n dS p a t i a lI n f o r m a t i c so fC U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u 。2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A l m t r a e t D e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n di t sd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ng r e e n m i n i n g ．I tc a np r o v i d et h es p e c i a lg u a r a n t e e sf o rs u r v e y i n gi nt h em a n ya s p e c t s ，s u c ha sl a n d r e c l a m a t i o n ，l a n d s c a p er e b u i l d i n ga n de c o l o g yr e c o v e r yp r o j e c t s ．T h i sp a p e rs t u d i e df o u rp r o b l e m s 1 s e t t i n gu pt h ev e r t i c a ld a t u mf o rt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o no fm i n i n ga r e a ；2 a n a l y z i n go nt h e d e f o r m a t i o nd a t at oo b t a i nt h eq u a n t i z a t i o nm e t h o do nt h eb a s i so fs p a c es t a t i s t i c s ，f r a c t u r et h e o r y a n dt u r b i d i t yt h e o r y } 3 m a k i n gi m p r o v e m e n ti nt h ep r e c i s i o no ft h eq u a n t i z e dp r e d i c t i o nm o d e l 4 f o rt h ec o m p l e x i t yo fp i ts h a f td e f o r m a t i o nd i s c u s s i n gt h em e t h o d st oa n a l y z et h em o n i t o r i n g s i g n a l so ft h ed e f o r m a t i o no fp i ts h a f tb ym e a n so fG P Ss i n g l ee p o c ha n dw a v e l e tt h e o r y ． K e yw o r d s d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；q u a n t i z a t i o nf e a t u r e ；d e f o r m a t i o np r e d i c t i o n ；w a v e l e tt h e o r y 通常情况下，测绘保障措施是通过布设平面和 高程控制网，为矿山开采提供精确的空间位置基 准，并评定坐标的精度．而“绿色开采”对变形监测 及其数据分析理论提出了特殊的要求．本文主要针 对这一方面的内容，研究了动态矿区高程基准的建 立途径、变形数据序列特征的量化方法，预测预报 技术以及低信噪比且含一定量粗差的G P S 单历元 井筒变形监测信号的分析方法，从变形监测的角度 审视了“绿色开采”中特殊的测绘保障措施。并进行 了深入研究．通过提供足够精度的矿山变形信息为 土地复垦、景观重建、生态恢复工程等工程以及井 筒安全决策提供了基础性的测绘保障措施． 1 矿区高程基准的建立 1 ．1 参考点的稳定性判别 由于原有矿区参考点的稳定性难免受到地下 开采的影响，因此采取有效、可靠的方法来判别参 考点点位的稳定性，保证似大地水准面模型的精 度，是矿区高程基准建设中要解决的关键技术之 一．作者在华东某矿区的高程基准建设中采用二种 方法其一，对重要的控制点布设成3 ～4 个一组的 精密水准点，并与国家G P S 网联测成网，通过观测 收稿日期2 0 0 3 1 0 1 0 作者简介；高井祥 1 9 6 0 1 ，男，江苏省涟水县人．中国矿业大学教授，博士生导师，从事测绘工程与技术集成方面的研究 万方数据 第2 期 高井祥等绿色开采中的测绘保障措施 各期的沉降，采用统计分析的方法确定控制点的稳 定性情况；其二，在坐标转换中，采用抗差处理模 型，通过调整权函数对粗差控制点赋权重为0 ，减 少变动参考点对转换结果的影响．通常情况下，需 要针对具体情况选择不同的方法，如高崩溃污染率 抗差估计的坐标转换模型，首先采用强淘汰权函数 确定抗差估计的初始权，再通过L S 计算转换参 数、残差及单位权中误差的初始值．然后，进行相关 观测抗差估计．选用如下等价权函数式 1 ，从而将 粗差影响降低到最低，求得最佳的转换参数0 1 f 此v j ／o ≤k 。， I 。‰r 岛一“ ，／扫| ] 2 ，， 瓦一l 蹦1 丽L 1 百J ‰。 1 I 口，／j ≤k 1 i ，J 一1 ，2 ，⋯，m ， 【0 f 矾／j7 k 1 ， 式中p 。为相关等价权元素，由其构成相关等价权 P ；‰为分位参数，一般取岛一1 ．o ～1 ．5 ． 对于精密水准网中参考点的稳定性判别常用 平均间隙法、稳健迭代法和单点位移分量法等．以 通用的变形分析方法一一平均间隙法为例简要说 明基点稳定性的判别过程．该方法的特点是构造的 检验统计量与控制网的基准无关．首先对监测网进 行整体性检验，通过F 检验判断两期观测之间控 制点是否变动，如果检验通过，则认为参考点没有 显著性变化} 反之，可采用尝试法，逐个检验参考点 直到整体性检验通过，从而确定变动点口4 ] ． 1 ．2 高程基准的的建立 G P S 直接测定的是地面G P S 点在W G S 一8 4 坐 标系中的大地高．因此，要求得非联测点的正常高， 需要先求出各点之高程异常．如果用几何水准联测 具有G P S 大地高的均匀分布控制点的正常高，然 后求出水准联测点的高程异常℃，即可根据水准联 测点上的高程异常及G P S 点的坐标，建立测区的 似大地水准面的数学模型．其基本思路是，首先根 据联测点上的高程异常，对测区内的似大地水准面 进行趋势分析，选择适合测区的似大地水准面的数 学模型，再利用联测点的拟合高程异常的表达式和 已知高程异常值建立起参数的方程式．当水准联测 点数最充足、分布合理时就可以利用最小二乘法求 出拟合曲面参数．即确定了该数学模型的具体表达 式．最后根据非联测点的坐标，利用数学模型，即 可求得非联测点的高程异常值，然后求出G P S 点 正常高．华东某矿区的研究表明采用多项式拟合模 型和多面函数模型求解精度较高，能获得三等的 G P S 水准高程． 1 ．2 ．1 多项式拟合模型 采用n 个参数 通常n 可取4 ，6 ，1 0 多项式可 拟合似大地水准面模型．华东某矿区进行分区拟合 时，建立的东区似大地水准面的多项式模型 二次 曲面模型 为 f 一0 ．0 7 8 x 4 ．9 7 3 y - 0 ．0 1 9 x y 一0 ．0 6 1 x 2 0 ．0 1 2 y 2 6 7 3 ．8 5 8 ， 2 该模型的拟合中误差为2 ．7 4c m ． 1 ．2 ．2 多面函数拟合模型 G P S 似大地水准面的建立，或高程异常的求 解，除可采用多项式模型外，还可以采用多面函数 模型．该方法的基本原理是任何数学表面和任何 不规则的圆滑表面，总可以用一系列有规则的数学 表面的总和，以任意精度逼近．华东某矿区进行分 区拟合时，建立的西区似大地水准面的多面函数模 型为“J f f x ，y 一∑q Q x ，y ，2 t ，，y ， ， 3 式中q 是待定系数；Q z ，Y ，x ，，y j 是x 和Y 的二 次核函数，其中心在 z ，，Y i 处．多面函数模型所采 用的核函数为 Q z ，Y ，T ，，Y j 一 1 ／√A 十B d C d 2 E d 3 ． 式中A ，B ，C 和E 为常数；z ，Y 为G P S 点坐标转 换后的基准点平面坐标；而，Y ，为结点坐标；d 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ √ zz ， 2 y Y ， 2 ． 建立的模型参数见表1 ，拟合中误差为 0 ．5 2c m ． 表1多面函数转换模型参数 T a M e1T h em o d e p a r a m e t e Ho f m u l t i f u n e t l o nt r a i l s f o t m 模型系数 m 2 1 弧3 9 8 唧一33 8 9 0 3 5 岫2 22 5 4 5 3 8 ‘璺三二 堕生三 些三二 堕 - 望 棱函数常参数A 150 0 0 ．0 0 0 占 1 ．0 0 0 c 5o 。oE - o ．0 0 0 2 变形数据特征分析 2 ．1 变形数据特征分析方法 变形数据序列本身反映出来的序列自身的非 线性特征是进行数据序列更深人研究和应用的前 提，各种量化的特征参数是进一步对形变体的历 史、现状和发展进行模拟和预报的基础．国内外学 者已经在形变数据的模拟、预测预报方法上做了大 量的工作，现有的各类成熟模型比较多．为了能进 一步改进现有模型，提高模拟和预报的精确度，需 要寻求变形数据序列存在方式的量化特征描述途 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 径，从而更理性的对模型进行改善．可以将量化的 特征作为修正参数引入到数据预测预报模型中，达 到进一步提高模型预报精度的目的．矿区变形过程 受到地下采煤、矿区用水等多种复杂因素的影响， 整个过程属非线性动力学系统．并具有一定的不确 定性．可以采用空间统计学、分形理论、混沌学的相 关原理等进行形变数据的特征分析．变形数据可看 成区域化特征变量，控制点变形数据在时间方向上 具有随机性，依时间轴t 的位置可进行特征分析． 通过变形数据序列的变异函数 s e m i v a r i o g r a m 来 描述该矿区变形数据的随机特征，探讨变形数据变 化程度的评定方法，提取变形数据的一些基本特 性．变形数据的量化空间的相关特征7 A t ，称为 变异函数，可定义为嘲 7 A t I E [ h f 一 ￡ 血 ] 2 ， 4 式中 ∞，h t A t 分别表示变形量h 在位置t 和 t 十 的值；血为矢量滞后距． 变形时序数据序列的非线性特征决定其相空 间维数可能很高，甚至无穷，而且很难确定，而吸引 子的维数一般低于相空间的维数．因此，采用关联 维G P 算法确定变形序列的关联维特征．可定义 变形数据序列的关联维数D ”为 D 6 P i l n C ． r ， 5 式中C 。 r 为对应r 间隔时，重构相空间关联积分 值；r 为定义的小于此间隔的各期变形数据序列． 变形数据序列的混沌性判定可采用主分量分 析方法，通过选取一定的嵌入维数，并由该时间序 列形成轨线矩阵，通过求取轨线矩阵的特征值，并 绘制相应的生分量谱图．如果主分量谱图是一条x 轴接近平行的直线，则变形数据序列为噪声序列， 若为过定点且斜率为负的直线，则为混沌信号．由 此可初步确定变形序列的混沌特征旧． 2 ．2 变形数据特征分析实例 华东某矿区某矿主井井塔周围的1 号控制点 2 0 期等时间闯隔的数据分析 其中，去除第2 期数 据非等时间数据序列，观测时间间隔为2 周 沉降 数据的性态特征分析研究表明．其变异函数为 f 0 9 4 6 0 2 5 7 △t 一0 0 0 23 2 △‘ 3 7 A t {A t ≤6 ．0 8 ， 6 【1 ．9 9 △f 6 ．0 8 ． 取嵌入维为5 ，进行主分量分析，计算沉降值 的谱函数，作出对应谱函数图 图1 ．由图1 可判 断沉降数据序列属于混沌动力学系统．并计算出关 联维数为1 ．7 3 3 ．截距为一2 ．3 2 7 ，拟合的相关系数 为0 ．9 8 6 ．应引人这些特征值进行随后的研究 l n7 图1主分量分析的谱函数图 F i g ．1 S p e c t r u mf u n c t i o nf i g u r eo tp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s 3 矿区区域变形的预测、预报 矿区变形监测的目的是应用现有数据分析其 中蕴含信息，并进行预测预报，为矿山工程安全提 供决策支持，为“绿色开采”提供测绘保障，如预报 地表下沉，判别稳定性，为土地复垦提供依据．变形 预测预报的方法很多，如回归分析、神经网络预报 方法、灰色预报等． 3 ．1回归分析预报方法 取变形量为因变量，环境、时间、序列特征参数 等为自变量，建立多元回归模型，用回归分析的方 法判断各类因子对变形结果的影响程度，确定回归 方程中的未知参数，用于变形预测预报．可以综合 应用主成份分析、相关分析、岭回归分析、偏回归模 型等回归分析方法，提高预报精度．实际应用表明 回归分析方法是一种有效的预测预报方法． 3 ．2 神经网络预报模型 采用神经网络也可进行时间序列的预测预报， 采用动态数据观测序列第i 期前的m 期观测值预 报i 期观测值以后的”个动态监测形变值，可定义 m l x n 的B P 网络预报模型，输人向量x 和目标 输出向量r 表示为 x [ △ ．，△ H ，⋯，△ ⋯ 1 ] T T [ 从⋯，A h Ⅲ，⋯，A h m ] T 通过i 的变动，产生多组网络的训练样本，模拟动 态序列的非线性变化过程，并用于预测预报． 3 ．3 灰色预报理论 灰色理论已成功在工程、社会、经济、生物等各 领域得到广泛应用．采用灰色理论为基础建立的灰 色预报模型是一种外推型模型，属连续型预报方 法，是用来处理动态观测数据的一种有效工具．灰 色理论在地表沉陷预报中的应用刚起步，具有广阔 的前景．灰色预测可分为数列预测、灾变预测、季节 突变预测、拓扑预测、系统综合预测．数列预测可采 万方数据 第2 期 高井祥等绿色开采中的测绘保障措施 用G M 1 ，1 模型建立预测预报模型．建立华东某 矿区某矿主井1 1 号沉降控制点的G M 1 ，1 模型 为‘7 1 主‘1 ’ 矗 1 一7 ．1 5 94 7 e o 腑帅雌一6 ．3 4 94 7 ． 7 采用此模型进行预报获得检核点相对偏差为 2 ．3 ％，并根据模型的模型精度检验等级为“好”． 3 ．4 自适应G M 1 ，1 模型的基本原理 常规灰色预报G M 1 ，1 模型较高精度的预测 值仅仅是最近的一二个数据，更远的数据只能反映 一种均势．因此，采用新信息模型会更好一些．其基 本思路为采用已知数列建立的G M 1 ，1 模型预报 一个值；然后，补充一个新信息数据到已知数列中， 同时去掉最老的一个数据，使数据等维；接着再建 立G M 1 ，1 模型，这样逐个滚动预报，依次递补直 到预报目标为止，华东某矿的工业广场沉降预报实 践中发现此模型优于常规的G M 1 ，1 模型． 3 ．5 变形预报效果评价及模型改进 通常情况下，回归分析预报方法和灰色预报模 型能够取得较高的预报精度．虽然在特定条件下， 神经网络的预报效果比较好，但由于网络对输入输 出数据有特殊的要求，易于振荡，收敛速度易受初 值影响，实际的应用效果并不能完全满足现场需 要． 为了提高预报模型的精度可引入数据量化特 征。通常的方法可有两种，其一，将量化特征作为模 型的修正参数，引入模型，直接对模型修正；其二， 通过建立预测残差与量化模型的关系，直接对预测 值进行修正．回归分析与灰色预报模型可采用模型 修正的方法，而神经网络预测预报模型可采用预测 值直接修正的方法． 4 井筒安全监测的测绘保障 地下开采对工业广场沉降的影响是一种混沌 状态，很难用简单的模型解释它们之问复杂的关 系．通常可认为地下开采主要是通过影响地下水位 的变化来影响工业广场的沉降．而井筒是工业广场 最重要的构筑物，关系全矿的生死存亡．井筒的安 全是矿区一切工作的基础．只有确保井简安全，“绿 色开采”建设工作才能得以顺利开展．单历元G P S 井筒变形监测数据的小波分析技术为井简安全提 供了特殊的测绘保障措施．利用小波变换的时频局 域化特点，充分发挥多尺度分析的优势．用小波分 析信号的成熟理论和方法对形变监测数据分析，获 得相应变形信息，为主井安全提供测绘保障． 矿区主井 高层建筑物 塔顶形变受到井筒自 振频率、风力、光压、设备提升等多种复杂因素的综 合影响，变形监测手段复杂。数据处理和分析困难． 研究中采用G P S 单历元观测方法并采用小波理论 进行数据分析，可以提取建筑物的自振频率、光压 周期等重要信息，并具有抗强干扰的能力．根据小 波变换定义可知，任意信号， 曲∈L 2 R 的小波变 换定义为o ] Ⅳ／∞，6 r 一 一／ 一 ＼ l Ⅱl _ 1 肛I， f 雪【生 I 出． 8 J 一∞ 、Ⅱ 式中W f a ，6 为小波系数I 节 f 为基本小波函 数；尘 z 为g t t 经过尺度因子d 伸缩，参数b 平移生成的子小波函数；口 f 表示g t t 的共轭．小 波理论通过， ￡ ∈L 2 R 在小基函数9 ￡ 上展开 成线性形式，达到使用线性方法解决复杂的非线性 问题．并且通过小渡基函数的平移、缩放达到对， f 在不同尺度上的观察，突出信号的特征．小波分 析也是一种综合时一频局部化分析方法． 以单历元G P S 对主井顶端变形监测的模拟数 据为例分析，假设数据中还含有部分粗差，研究小 渡降噪和粗差识别的效果，其基本步骤口3 为 1 对形变信号在小波基函数上进行分解，确 定高、低频分解系数； 2 对高频系数进行特征分析，研究合适的阈 值确定方法； 3 进行阚值量化，采用确定的阈值对小波分 解的高频系数量化．通常可采用软阈值或硬阈值两 种量化方法； 4 对量化处理后的小波系数重构形成降噪后 的形变信号． 小渡降噪方法能从信噪比较低的信号中分离 出本质信号，并可以局部放大突出信号的特征．对 含10 0 0 个历元的模拟G P S 形变监测数据加入下 述粗差，第3 0 0 历元强制为2m m 孤立态粗差，4 0 0 历元到4 0 3 历元强制为1 ．5m m 的离散态粗差， 6 0 0 到6 2 0 加入区域态粗差2m m ，得强干扰形变 数据 图z ．图2 中很难看出信号的形变趋势；在 6 0 0 历元处能看到区域态粗差的存在，而孤立点粗 差和离散状粗差的位置根本无法确定． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 01 0 02 0 0 3 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 7 0 0 8 0 09 肿1 0 0 观溯所元数观潮历元数 a 原含噪信号 币台粗差 b 含不同类型粗差的含噪信号 图2 原始信号和含粗差信号 F i g ．2 P r i m i t i v es i g n a la n ds i g n a li n c l u d i n gs o m eg r o s se r r o r s 基于M A L L A T 正交小波快速分解算法，采用 d b 2 小波对强污染信号做5 层分解，对各层系数重 构原信采用表2 阚值对各分解层小波系数进行软 阈值消噪，然后重构得形变信号趋势 图3 小渡降 噪的效果相当不错，不仅能有效的提取形变信号， 还能识别出粗差出现的位置． 表2 小波去噪各分解层的高频去噪阈值 T a b l e2W a v e l e td e n o i s t n gt h r e s h o l dv a l u eo f d e c o m p o s i t i o nl e v e l s 分僻水平12345 阚值 自线表示 } 噪；信号 l 舢l曲 “u ▲L I - 『胛1 『 I ⋯W I 哪 R 1 1 l 2 0 04 0 06 0 0B 0 01 0 ∞ 观测历元数 图3 软阚值去噪结果 F i g ．8 R e s u ko f s o f tt h r e s h o l dd e n o i s i n g 参考文献 高井祥，张华海，余学祥．矿区G P S 网坐标转换的抗 差模型[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 2 t9 9 1 0 3 ． 陶本藻．测量数据统计分析[ M ] ．北京测绘出版社． 1 9 9 2 ． 张方仁，于正林．平差基准点稳定性分析与判别[ A ] ． 於宗俦。陶本藻，刘大杰．平差模型误差理论及应用 论文集[ c ] ．北京测绘出版杜，1 9 9 3 ．1 6 4 1 7 1 ． 刘经南，施闯，姚宜斌，等．多面函数拟台法及其在 建立中国地壳平面运动速度场模型中的应用研究 E J ] ．武汉大学学报 信息科学版 ，2 0 0 1 ，2 6 i 6 5 0 1 5 0 8 ． 于崇文．数学地质的方法及应用[ M ] ．北京治金工业 出版社，1 9 7 8 ． 吕金虎．陆君安．混沌时序时间序列[ M ] ．武汉武汉 大学出版社．2 0 0 2 ． 邓聚龙．灰色系统基本方法[ M ] ．武汉华中理工学院 出版社，1 9 8 1 ． M a r rD ．视觉计算理论[ M ] ．姚国正译．北京科学出 版社，1 9 8 8 ． 李爱萍，段利国．小波分析在信号降噪处理中的应用 E 1 ] 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