張紅娟，祝文華，魏向輝，吳文壇

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 長城學(xué)院，河北 保定 071000；

2.河北省測繪地理信息局 測繪資料檔案館，河北 石家莊 050032）

基于VRS技術(shù)的煤礦地表變形監(jiān)測

張紅娟1，祝文華1，魏向輝1，吳文壇2

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 長城學(xué)院，河北 保定 071000；

2.河北省測繪地理信息局 測繪資料檔案館，河北 石家莊 050032）

為解決煤田開采地表變形監(jiān)測傳統(tǒng)測量方法全人工作業(yè)、工作效率低等問題，針對(duì)煤田開采地表變形監(jiān)測布網(wǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了VRS技術(shù)用于監(jiān)測煤礦地表變形的施測方案。數(shù)據(jù)表明，大地高高差的測量精度能達(dá)到中誤差為±3．2 mm/km，滿足四等水準(zhǔn)測量的精度要求，點(diǎn)位平面坐標(biāo)內(nèi)部精度為mm級(jí)，符合《煤礦測量規(guī)范》的精度要求。

VRS技術(shù)；煤礦；地表變形；監(jiān)測方案

1 VRS技術(shù)定位原理

VRS系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng)4部分組成。數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各參考站觀測數(shù)據(jù)和流動(dòng)站的概略坐標(biāo)，并根據(jù)該概略坐標(biāo)選擇附近幾個(gè)位置比較好的基準(zhǔn)站信息，然后在該坐標(biāo)處生成一個(gè)虛擬參考站，并對(duì)該虛擬參考站位置的對(duì)流層延遲、電離層延遲等空間距離相關(guān)誤差進(jìn)行建模，生成VRS虛擬觀測值，再將標(biāo)準(zhǔn)原始觀測值或者改正數(shù)發(fā)送給流動(dòng)站，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位[1]。工作原理如圖1所示。

圖1 VRS技術(shù)工作原理圖

2 傳統(tǒng)煤礦地表變形監(jiān)測

2.1 傳統(tǒng)監(jiān)測布網(wǎng)特點(diǎn)

目前我國大多數(shù)的煤礦區(qū)均采用剖面線狀觀測站的布網(wǎng)形式，如圖2所示。觀測站通常由兩條互相垂直相交的觀測線組成，其中沿煤層傾向布設(shè)的觀測線為傾向觀測線，沿煤層走向布設(shè)的觀測線為走線觀測線。為建立觀測站控制點(diǎn)和測定沉陷區(qū)域的邊界位置，要保證觀測線的兩端（半條觀測線時(shí)為一端）位于采動(dòng)影響范圍外較穩(wěn)定的位置。為了以大致相同的精度求得地表移動(dòng)變形參數(shù)，一般等間距地布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)目和密度與開采深度等因素有關(guān)，一般為十幾m到幾十m。

2.2 觀測工作

圖2 剖面線狀觀測站

地表沉陷變形的移動(dòng)，根據(jù)采掘工作面的推進(jìn)一般呈動(dòng)態(tài)連續(xù)變化。變形移動(dòng)的過程一般分為4個(gè)階段：初始階段、活躍階段、衰退階段和穩(wěn)定階段[2]。地表移動(dòng)觀測的基本內(nèi)容是在采動(dòng)過程中，定期重復(fù)測定觀測線上各監(jiān)測點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的變化。地表移動(dòng)觀測站的觀測主要包括觀測站控制點(diǎn)的連接測量，采動(dòng)前的全面觀測以及單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測量等。其中，采動(dòng)過程中的日常觀測通常采用單程的附合水準(zhǔn)或水準(zhǔn)直線的往返測量，施測時(shí)按四等水準(zhǔn)的精度要求進(jìn)行[3]。

3 VRS技術(shù)用于煤礦地表變形監(jiān)測

3.1 理論依據(jù)

影響VRS技術(shù)單點(diǎn)定位精度的誤差源主要是軌道誤差、電離層延遲誤差、對(duì)流層延遲誤差等空間相關(guān)誤差[4]。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和CORS系統(tǒng)的具體實(shí)踐可知，VRS技術(shù)的定位精度為2～3 cm[1]。應(yīng)用VRS技術(shù)可以滿足地表移動(dòng)的位移量精度要求，進(jìn)行沉陷監(jiān)測通常不能滿足四等水準(zhǔn)的精度要求。然而煤礦沉陷監(jiān)測的直接觀測量是觀測點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，如果利用VRS技術(shù)對(duì)相距不太遠(yuǎn)的兩點(diǎn)進(jìn)行同步觀測，通過觀測結(jié)果求差的方法可以減弱兩站的公共誤差，從而提高大地高高差的監(jiān)測精度，為應(yīng)用VRS技術(shù)進(jìn)行煤礦開采沉陷監(jiān)測提供了可能性。

通過VRS下相近點(diǎn)（＜3 km）高差測量結(jié)果的公式推導(dǎo)和量化分析得知，同步觀測條件下兩點(diǎn)間的高差可以達(dá)到±3．3 mm的監(jiān)測精度[5]，通過同步觀測、觀測結(jié)果求差的方法有效消除了兩點(diǎn)高程的公共誤差，為cm級(jí)單點(diǎn)定位精度的VRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)mm級(jí)高差監(jiān)測提供了理論依據(jù)。

隨著空間相關(guān)誤差的減弱和消除，多路徑效應(yīng)對(duì)高差觀測值的影響凸顯出來，由于多路徑誤差具有時(shí)空和環(huán)境效應(yīng)等特殊性質(zhì)，很難使用改正模型的方法對(duì)其進(jìn)行定量研究。同時(shí)，多路徑效應(yīng)在基線兩端不具有相關(guān)性[6]，也無法通過差分技術(shù)消除或減弱其影響。根據(jù)多路徑效應(yīng)的周日特性[7,8]，設(shè)計(jì)不同周期的觀測進(jìn)行定時(shí)（以首期觀測時(shí)間為基準(zhǔn)，每期觀測提前時(shí)間4 min×與首次間隔日數(shù)）觀測，將多路徑效應(yīng)對(duì)高差的影響固定下來，成為每期高差觀測值都含有的系統(tǒng)誤差，通過各期觀測值之差可以有效消除多路徑效應(yīng)的影響。

3.2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)煤礦開采沉陷監(jiān)測一般沿沉陷盆地的傾向和走向設(shè)置兩條觀測線，觀測線上設(shè)置沉陷監(jiān)測點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)位于采動(dòng)影響范圍外作為監(jiān)測沉陷依據(jù)，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的距離由采區(qū)面積決定，從幾百m到1～2 km或更遠(yuǎn)一點(diǎn)，一般不超過3 km。根據(jù)上述特點(diǎn)，應(yīng)用VRS技術(shù)進(jìn)行煤礦開采沉陷監(jiān)測時(shí)，可以采取以下方法進(jìn)行施測：在本次采動(dòng)沉陷影響區(qū)外面設(shè)置擬穩(wěn)點(diǎn)（可以是全面測量時(shí)使用的控制點(diǎn)，也可以是點(diǎn)位比較穩(wěn)定的其他點(diǎn)），在采動(dòng)區(qū)內(nèi)按《煤礦測量規(guī)程》設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。施測時(shí)，分別在擬穩(wěn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)架設(shè)儀器（流動(dòng)站數(shù)據(jù)采集設(shè)備），對(duì)兩點(diǎn)進(jìn)行同步觀測，取觀測值之差（大地高高差）作為最終觀測結(jié)果（這里是相對(duì)高程），各期觀測值之差作為沉陷依據(jù)。

圖3 監(jiān)測方案初步設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與精度評(píng)定

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)基于SWEPOS-HEBEI，該系統(tǒng)2009年10月進(jìn)入試運(yùn)行階段，目前共有34個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站，點(diǎn)間距平均為70 km，可直接提供2000國家大地坐標(biāo)系下的定位成果（X，Y，Z）或（B，L，H）。由于條件限制只布設(shè)a、b兩點(diǎn)，其中點(diǎn)a為擬穩(wěn)點(diǎn)，點(diǎn)b為監(jiān)測點(diǎn)，相距2．53 km。a、b點(diǎn)場地比較開闊，接收衛(wèi)星信號(hào)條件良好，一般情況下能夠接收到8～12顆衛(wèi)星信號(hào)。GPRS通信信號(hào)良好，能接收到良好的CORS系統(tǒng)的內(nèi)插改正信息。

試驗(yàn)采用Trimble R8型雙頻接收機(jī)，配有CORS系統(tǒng)改正信息接收模塊，使用腳架安置接收機(jī)架設(shè)在測點(diǎn)上，嚴(yán)格對(duì)中、整平，量取天線高，采用VRS測量形式（準(zhǔn)動(dòng)態(tài)）在各點(diǎn)上以地形點(diǎn)的測量方式（1 s采樣率采集5個(gè)有效觀測歷元）進(jìn)行測量，進(jìn)行1次/min測量并存儲(chǔ)測量結(jié)果。觀測6 min得6個(gè)大地高數(shù)據(jù)。連續(xù)觀測了6 d，測量時(shí)定時(shí)、定人、定儀器，自第2天每天開始觀測時(shí)間比前一天提前4 min（保證衛(wèi)星空間分布與前一天相同）。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用天寶數(shù)據(jù)處理隨機(jī)軟件TTC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)束后將手簿中的．dc文件導(dǎo)入軟件，以．CSV格式導(dǎo)出文件以便查看點(diǎn)位坐標(biāo)信息。取a、b點(diǎn)每天6次采集的數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)天該點(diǎn)最終成果，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，平面坐標(biāo)采用北京54坐標(biāo)系，高程仍為CGCS2000下的大地高，原始數(shù)據(jù)見表1。

將a、b 點(diǎn)各期坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)與6期觀測數(shù)據(jù)的平均值求差得各期數(shù)據(jù)坐標(biāo)分量的偏差數(shù)據(jù)，如圖4、圖5。

表1 采集的原始數(shù)據(jù)

圖5 b點(diǎn)各期數(shù)據(jù)坐標(biāo)分量偏差

圖4 a點(diǎn)各期數(shù)據(jù)坐標(biāo)分量偏差表

根據(jù)野外實(shí)時(shí)采集的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算a、b點(diǎn)間的高差，結(jié)果見表2。

表2 2點(diǎn)間大地高高差計(jì)算結(jié)果

計(jì)算的a點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差分別為6．0、7．9；b點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差分別為3．9、10．0；兩點(diǎn)間高差的中誤差為5．1。

按以下公式計(jì)算a、b 兩點(diǎn)間的每km高差中誤差：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

1）由圖4和圖5知，a、b 點(diǎn)在6個(gè)周期觀測中，坐標(biāo)分量與平均值的偏差大多在±1 cm左右，最大不超過2 cm，具有很好的內(nèi)部符合性，說明VRS技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位可靠性強(qiáng)。

2）由圖4和圖5知，兩點(diǎn)各期高程分量偏差大于平面坐標(biāo)分量的偏差，大約為平面坐標(biāo)分量偏差的2倍，說明VRS技術(shù)高程測定精度要低于平面位置的精度，數(shù)值上大約為平面位置精度的1/2。

3）通過6期數(shù)據(jù)采集得a、b兩點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，它們的大小都小于1 cm，處在mm級(jí)的精度上，說明可以直接用VRS技術(shù)觀測結(jié)果作為地表變形平移量的依據(jù)。

4） VRS直接用于高程測量的精度為10 mm；由表2知，通過同步觀測兩點(diǎn)間求差所得的高差6期數(shù)據(jù)間離散很小，a、b每km高差中誤差≤5 mm，完全滿足四等水準(zhǔn)測量要求，可以作為地表變形下沉值的依據(jù)。

5 結(jié) 語

VRS技術(shù)測定點(diǎn)位的精度目前只能達(dá)到cm級(jí)，但對(duì)于相距不太遠(yuǎn)的兩點(diǎn)進(jìn)行同步觀測，通過觀測結(jié)果求差的方法能夠有效消除兩點(diǎn)間公共誤差。根據(jù)多路徑效應(yīng)的周日特性以及其他系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)，采用定時(shí)、定儀器、定人的觀測措施可以達(dá)到固化誤差的目的，提高高差的觀測精度，從而使VRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)mm級(jí)煤礦開采地表移動(dòng)監(jiān)測成為可能。

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P258

B

1672-4623（2015）02-0150-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.053

張紅娟，碩士，主要從事測繪工程專業(yè)教學(xué)與科研。

2013-10-23。

項(xiàng)目來源：唐山市科學(xué)技術(shù)局應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目（09140203A-2）。