RTK技術在礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測中的應用

1、 GPS-RTK技術在礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測中的應用摘要：本文闡述了GPS-RTK在礦區(qū)監(jiān)測開采沉陷工程中應用的可行性，對GPS-RTK定位精度進行了探討，通過與常規(guī)測量精度比較，制定滿足監(jiān)測精度要求的GPS-RTK定位具體操作方法。關鍵詞：GPS-RTK;開釆沉陷；誤差分析礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測的觀測指標及意義礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測的觀測指標當?shù)V區(qū)開采工作進行到一定的階段,井下巖體的移動和破壞逐步波及到地表,使受采動影響的地表從原有的標高向下沉降,從而在采空區(qū)上方形成一個比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域。沉陷區(qū)域改變了原有的地表形態(tài),引起地表標高、水平位置發(fā)生變化,常用的定量表述這種變化的指標有:下沉、水平移動、傾斜

2、、曲率、水平變形。下沉。下沉就是地面點的沉降,用w表示,它是地表移動的垂直分量,通過測量本次和首次觀測標高值求差確定。(2)水平位移。地表下沉盆地中的某一點水平方向上的位移,用u表示,用本次與首次測得的從該點至控制點之間的水平距離差值表示。(3)傾斜。地表傾斜是指相鄰兩點在豎直方向的下沉差與其水平距離的比值,用以反映地表移動盆地沿某一方向的坡度。(4)曲率。地表曲率是兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點的水平距離的比值,它反映觀測線斷面上的彎曲程度。(5)水平變形。地表水平變形是指相鄰兩點之間的水平移動差與兩點之間的水平距離的比值,常用&表示。地表移動觀測期的觀測應包括平面坐標、高程、距離和裂縫測量

3、等,通過測量工作可以計算下列數(shù)據(jù):測點的下沉w和下沉速度V；測點的水平移動U和點間的水平變形8；測點在垂直面內(nèi)的移動向量W;測點在平面上的移動向量U、空間的移動向量Uw和坐標方位角a；并且可以得到觀測區(qū)域地形圖；觀測線地質(zhì)斷面圖；觀測線垂直下沉曲線圖；觀測點水平移動與水平變形曲線圖；觀測點在垂直面內(nèi)的移動向量圖。上述幾個定量分析地表移動規(guī)律的指標是進行地表沉陷預測理論的基礎,而它又是建立在測量數(shù)據(jù)準確性的基礎上。對于測量工作來說,主要是運用測量的手段獲取地表點的沉陷數(shù)據(jù),繪制出這些定量指標曲線,從而更好地預測和估計沉陷規(guī)律,指導礦山開采工作。礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測的意義滿足礦井安全，開展建筑物下、水

4、體下、鐵路下采煤工作的需要；安全合理地留設保護煤柱，解放壓煤量，節(jié)約煤炭資源；合理妥善安排采動區(qū)上方村莊搬遷時間和順序；為恢復與重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，需要提供本礦區(qū)地質(zhì)采礦條件下準確可靠的地表移動變形參數(shù)，以掌握由于采動引起的地表移動變形特征與規(guī)律。GPS-RTK定位技術簡介2.1基本原理GPS-RTK測量技術，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS(RTDGPS)測量技術。實時動態(tài)測量的基本原理是在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上,GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時,通過無線電傳輸設備,接

5、收基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對定位的原理,實時地計算并顯示用戶站的三維坐標其精度可達到厘米級。這樣通過實時計算的定位結(jié)果，便可監(jiān)測基準站與用戶站觀測結(jié)果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實時地判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測，縮短觀測時間。GPS-RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成GPS-RTK測量系統(tǒng)主要由GPS接收設備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。GPS接收設備在基準站和用戶站上，分別設置雙頻GPS接收機。由于雙頻觀測值不僅精度高，而且有利于快速準確地解算整周未知數(shù)。當基準站為多用戶服務時，其接收機的采樣率應與用戶接收機采用率最高的相一致。數(shù)據(jù)傳輸設備數(shù)據(jù)傳輸設備也稱數(shù)據(jù)鏈，由基準站的無線電發(fā)

6、射臺與用戶站的接收機組成，其頻率和功率的選擇主要取決于用戶站與基準站的距離、環(huán)境質(zhì)量、數(shù)據(jù)的傳輸速度。軟件系統(tǒng)支持實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能，對于保障實時動態(tài)測量的可行性、測量結(jié)果的可靠性和精確性，具有決定性意義。這種軟件系統(tǒng)突出的功能是能夠快速解算整周未知數(shù)，能選擇快速靜態(tài)、準動態(tài)、和實時動態(tài)等作業(yè)模式，實時完成對解算結(jié)果的質(zhì)量分析和評價。GPS技術在礦山測量中的作業(yè)流程內(nèi)業(yè)準備在實施GPS外業(yè)測量前，應事先對測區(qū)進行踏勘，根據(jù)礦山測量的特點完成內(nèi)業(yè)的準備工作，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:根據(jù)工程項目，設定工程名稱;參數(shù)設置:基準站的數(shù)據(jù)采樣率一般為4SS,流動站的數(shù)據(jù)采樣率一般為1

7、2S，高度截止角通常設定為10度。若已知坐標轉(zhuǎn)換參數(shù),則輸入手簿。實施工程放樣前,內(nèi)業(yè)輸入每個放樣點的設計坐標、線路方位角,以便野外實時、準無遮擋、電臺有良好覆蓋區(qū)域的地方,首選是測區(qū)中央地區(qū)。求定測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)礦山測量是在北京坐標系或獨立坐標系上進行的，這就存在WGS一84坐標與北京坐標系或獨立坐標系的坐標轉(zhuǎn)換問題。由于GPS-RTK作業(yè)要求實時給出當?shù)刈鴺?，這使得坐標轉(zhuǎn)換工作非常重要。對于較大型的測區(qū)事先測定轉(zhuǎn)換參數(shù)，在GPS-RTK作業(yè)時，直接輸入?yún)?shù)和基準站坐標。利用高等級控制點同一點的2種坐標求出的轉(zhuǎn)換參數(shù)。也可在GPS-RTK作業(yè)時臨時求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。首先在對空視野開闊的地方設立基準站

8、并采集單點定位WGS一84坐標，然后流動站聯(lián)測3個以上的高等級的控制點，求解坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。基準站的安置為保證觀測的精度和提高工作效率，基準站的安置應滿足下列條件?；鶞收究稍O立在精確坐標的已知點上，也可設立在條件較好的未知點上;基準站安置應選擇在地勢較高、通視為防止多路徑效應和數(shù)據(jù)鏈的丟失，基準站200米范圍內(nèi)應無高壓電線、電視差轉(zhuǎn)臺、無線電發(fā)射臺等干擾源，周圍應無GPS信號反射源。基準站電臺的天線應架設在GPS接收機主機的北方。因為南北極附近是衛(wèi)星的空洞區(qū)。2.4GPS-RTK技術優(yōu)點作業(yè)效率高：在一般的地形地勢下，高質(zhì)量的GPS-RTK設站一次即可測完4km半徑的測區(qū)，大大減少了傳統(tǒng)測量所需

9、的控制點數(shù)量和測量儀器的“搬站”次數(shù)，僅需一人操作，在一般的電磁波環(huán)境下幾秒鐘即得一點坐標，作業(yè)速度快，勞動強度低，節(jié)省了外業(yè)費用，提高了勞動效率。定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，沒有誤差積累：只要滿足GPS-RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)(一般為4km)，GPS-RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級。GPS-RTK技術當前的測量精度平面10mm+2ppm；高程20mm+2ppm。降低了作業(yè)條件要求：GPS-RTK技術不要求兩點間滿足光學通視，只要求滿足“電磁波通視”。因此，和傳統(tǒng)測量相比，GPS-RTK技術受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來由于地

10、形復雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)，只要滿足GPS-RTK的基本工作條件，它也能輕松地進行快速的高精度定位作業(yè)。GPS-RTK作業(yè)自動化、集成化程度高，測繪功能強大。GPS-RTK可勝任各種測繪內(nèi)、外業(yè)。流動站利用內(nèi)裝式軟件控制系統(tǒng)，無需人工干預便可自動實現(xiàn)多種測繪功能，使輔助測量工作極大減少，減少人為誤差，保證了作業(yè)精度。操作簡便，容易使用，數(shù)據(jù)處理能力強：只要在設站時進行簡單的設置，就可以邊走邊獲得測量結(jié)果或進行坐標放樣。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強，能方便快捷地與計算機、其它測量儀器通信，手簿軟件的使用簡單易學。3利用GPS-RTK開展地表沉陷監(jiān)測的步驟GPS-RTK技術是能夠

11、在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時分(Real-timeKinematic)方法，是GPS應用的重要里程碑，它的出現(xiàn)，極大地提高了工程放樣、地形測圖和各種控制測量的外業(yè)作業(yè)效率。開采區(qū)域地表沉陷監(jiān)測作業(yè)系統(tǒng)主要是由GPS參考站、GPS流動站、電腦及數(shù)據(jù)后處理軟件組成。作業(yè)過程分三步，即測前準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理。1測前準備(1)在工業(yè)廣場保護煤柱內(nèi)制作穩(wěn)定的儀器觀測墩，并將LeicaGPS1200天線安置在觀測墩上，用數(shù)據(jù)電纜線將GPS天線連接參考站控制室內(nèi)GPS接收機，接收機與開通網(wǎng)絡的電腦相連。參考站在Spider軟件和網(wǎng)絡的支持下實現(xiàn)對流動站差分數(shù)據(jù)

12、鏈的播發(fā)。建立GPS-RTK開采地表沉陷觀測坐標系在開采區(qū)域均勻布設56個測點，其中有3個埋石點分別均勻分布在工廣和開采區(qū)域外穩(wěn)定位置，作為GPS-RTK監(jiān)測時檢?；鶞?。GPS靜態(tài)控制按D級網(wǎng)測量要求施測，解算各點54坐標和84坐標;根據(jù)解算的各點54坐標和84坐標，應用經(jīng)典三維計算方法(選取北京54橢球和高斯投影)計算該區(qū)域84坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立坐標系。3.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集進行流動站系統(tǒng)配置，建立作業(yè)名;選擇設定的坐標系;初始化儀器通信端口，建立流動站與參考站網(wǎng)絡連接后便可以觀測，每個測點觀測20個歷元。3.3數(shù)據(jù)的后處理3.3.1開采沉陷觀測數(shù)據(jù)分析與基礎資料收集沉陷地區(qū)的井上下對照圖和開采

13、計劃圖，確定井下開采與地面的準確關系。沉陷地區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，包括地質(zhì)柱狀圖、水文條件工作面設計參數(shù)，包括巷道布置、采煤方法、頂板管理方法、開采厚度、工作面推進速度、回采時間。礦區(qū)已有的開采沉降資料，如：移動角、下沉角、充分采動角、松散層移動角及其它相關參數(shù)。3.3.2數(shù)據(jù)下載并處理。將GPS-RTK采集的觀測點三維坐標下載至電腦指定的文件中，根據(jù)測點數(shù)據(jù)變化情況和收集的基礎資料，應用監(jiān)測地表沉陷專用軟件進行數(shù)據(jù)處理，得出相應準確可靠的地表移動變形參數(shù)，為下一步生產(chǎn)決策服務。4利用GPS-RTK進行地表沉陷觀測的可靠性分析進行礦區(qū)地表沉陷觀測，常規(guī)測量方法是：平面采用全站儀附合導線測量，

14、高程采用水準測量，以獲取測點的三維坐標。無論是全站儀附合導線測量還是水準測量，都必須有可靠的測量基準點。測量基準點的穩(wěn)定性和基準點位置分布直接影響地表沉陷觀測點的可靠性。由于受采動的影響，地表沉陷觀測基準點必須遠離采動區(qū)域，造成基準點之間連接測量線路拉長，加大數(shù)據(jù)采集的工作量的同時，損失了測點的觀測精度。4.1常規(guī)測量地表沉陷觀測點誤差分析4.1.1平面精度分析。走向線起點和終點之間長5km,若采用導線測量則附合導線長5km,最弱點位于導線的中點。導線測量儀器用LeicaTC702全站儀(儀器標稱精度：測角2，測距為2+2ppmXD)。為便于推算導線最弱點誤差，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，假設導線是等邊

15、直伸附合導線。最弱點縱向中誤差：最弱點橫向中誤差：m=吟嚴徂2)(n22九4)=2i.i(mm)導線邊長L=250m，測站數(shù)n=20,按四等測角精度，測角中誤差竹=2.5,貝V：每公里測距中誤差：mD=2+2X1=4最弱點點位中誤差：m=殳m2)=22.9(mm)1.2高程精度分析，走向線構(gòu)成5km長附合水準線路，高程最弱點誤差處在水準線路中點處。水準按四等要求施測，每公里高差中誤差為M“=10mm最弱點高程誤差為：m=M”lL=I5.8(mm),(L=5km)4.2應用GPS-RTK技術地表沉陷觀測點誤差分析4.2.1平面精度分析。用徠卡GPS1200進行GPS-RTK觀測，其平面精度為5+

16、0.5ppmXD，最弱點在離參考站距離最遠處即走向線終點處，距離D=6km，貝V：最弱點位誤差：m=1(52(6x0.5)2)=5.8(mm)4.2.2高程測量誤差分析。用徠卡GPS1200進行GPS-RTK，其高程精度為10+1ppmXD,最弱點在離參考站距離最遠處即走向線終點處，距離D=6km，貝V：可見理論上用GPS-RTK作業(yè)模式測量的平面點位誤差和高程精度均優(yōu)于全站儀導線測量和水準測量精度。從理論上保證了GPS-RTK監(jiān)測礦區(qū)開采地表沉陷的可行性。5應用GPS-RTK監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的技術措施GPS-RTK定位精度包括內(nèi)部符合精度和外部符合精度。內(nèi)部符合精度反映了觀測值的離散程度，具

17、有偶然性。外部符合精度包括坐標系誤差等多種誤差，具有系統(tǒng)誤差的特性，它直接影響了GPS-RTK實際定位精度。5.1增加GPS-RTK觀測歷元，提高其內(nèi)部符合精度在應用GPS-RTK技術進行地表沉陷觀測前，我們做了大量的實驗，將流動站架設在走向線起點和終點的控制點上進行長時間數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明增加觀測歷元數(shù)可以迅速提高觀測值內(nèi)部符合精度，觀測20個歷元尤為明顯，平面內(nèi)部符合精度能達到5mm，高程內(nèi)部符合精度達到9mm。當達到50個歷元后精度變化處于平緩，此時增加觀測歷元并不能顯著提高觀測精度。因此我們在用GPS-RTK進行地表沉陷觀測時，選擇每個測點觀測20歷元，這樣既能保證GPS-RTK必要的

18、精度，又可以提高工作效率。5.2用GPS-RTK觀測已知控制點，進行測區(qū)實時偏差值修正在為求取GPS-RTK沉陷監(jiān)測坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)布設的靜態(tài)GPS控制時，在地表沉陷區(qū)域外均勻布設3個穩(wěn)定的GPS埋石點，并用GPS靜態(tài)測量無約束平差求出各點地方坐標，作為地表沉陷監(jiān)測的參考基準。每次在進行地表沉陷GPS-RTK觀測的開始和結(jié)束后均對這3個GPS點進行20歷元的GPS-RTK觀測，用兩次觀測三維坐標平均值與各點的已知坐標比較得出坐標差值，將3個點坐標差值的平均值加權(quán)修正到地表沉陷點坐標值中，降低了GPS-RTK外部符合精度對定位成果系統(tǒng)誤差的影響，提高了地表沉陷點GPS-RTK定位的實際精度。設任一監(jiān)

19、測點GPS-RTK測量坐標為(x.，y.，zj，GPS控制點GPS-RTK測量坐標匕，y，zj，jjjyyy將已知GPS點坐標為(xa，za)視為真值，GPS-RTK偏差值為:yyyLxX-1gX1gAy=yg-Yg一Az一z1-aJLzJ1)為方便推導監(jiān)測點修正坐標(咅，兀，引點位精度，推算時不考慮修正值的加權(quán)情況，則修正坐標近似表達式為:xj%zj嚴鬥両悶+=yj+yg-Yg(2)(2)式中不考慮GPS已知點坐標起算誤差，可以看出監(jiān)測點修正坐標中已抵銷了GPS-RTK觀測的外部誤差，但偶然誤差無法消除，根據(jù)誤差傳播定律和多次試驗得出的GPS-RTK觀測20個歷元離散精度分別為：平面m”=5mm、高程m=9mm，則監(jiān)測點坐標修正后點位誤差卩H為：平面點位中誤差為：m=V2mp=7.1(mm)