呂偉才， 高井祥， 蔣法文， 黃 暉， 杭玉付， 王文波

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001；4.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001）

地下開采引起的巖層及地表移動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)空過(guò)程，巖體及地表移動(dòng)預(yù)測(cè)尚難以采用純理論方法解決，需要利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定參數(shù)。世界各國(guó)在不同礦區(qū)建立了大量的地表移動(dòng)觀測(cè)站，以根據(jù)本礦區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法和預(yù)測(cè)參數(shù)體系，指導(dǎo)本礦區(qū)的安全生產(chǎn)活動(dòng)。

在建立地表移動(dòng)觀測(cè)站的過(guò)程中，涉及連接測(cè)量、全面觀測(cè)、巡視測(cè)量、日常觀測(cè)等階段的數(shù)據(jù)采集工作［1］，特別是全面觀測(cè)和日常觀測(cè)階段的數(shù)據(jù)采集工作更為頻繁，同時(shí)文獻(xiàn)［2］對(duì)觀測(cè)程序進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，例如，在地表移動(dòng)活躍期，觀測(cè)站的全面觀測(cè)（平面測(cè)量和三等高程測(cè)量）和日常觀測(cè)（主要是四等高程測(cè)量）必須在1d內(nèi)完成。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多的情況下，采用常規(guī)方法就需要組織大量的人力物力來(lái)實(shí)施。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，目前還處于常規(guī)測(cè)量（全站儀導(dǎo)線測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量）和GPS測(cè)量（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）并存的狀態(tài)［3－6］。在觀測(cè)站建立的過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)的積累越來(lái)越豐富，數(shù)據(jù)處理和分析的工作量也越來(lái)越大。

圖1 地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框架

為恢復(fù)與重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、礦山開采沉陷工程治理提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司委托安徽理工大學(xué)和南京科博空間信息科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱科博公司）開展“地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”。限于篇幅，本文在介紹自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，主要對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)組成

“地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”以潘一東區(qū)1242（1）工作面地表沉陷區(qū)為試點(diǎn)研究區(qū)，以GNSS CORS技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、移動(dòng)PDA技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等為支撐，建立地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；研究自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模式，及時(shí)監(jiān)測(cè)由于井下開采導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、分析，獲取地表移動(dòng)變形參數(shù)，為工業(yè)廣場(chǎng)及各類煤柱留設(shè)提供依據(jù)，為淮南礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)提供新的監(jiān)測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)分析模式。

按照地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)，共布設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)站、9個(gè)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站和約60個(gè)非連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站（地表移動(dòng)觀測(cè)站中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)）［7］。地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

基準(zhǔn)站（PYDCDP）布設(shè)于礦區(qū)辦公樓頂，提供監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)及差分?jǐn)?shù)據(jù)；9個(gè)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站（CORS1～CORS9）分別布設(shè)于觀測(cè)線關(guān)鍵部位，采用連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式；非連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)、事后監(jiān)測(cè)模式，也可采用全站儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量模式。地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由GNSS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、GNSS連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集終端子系統(tǒng)和通訊子系統(tǒng)等組成，以形成一種集設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、沉陷預(yù)計(jì)與預(yù)警、開采損害評(píng)價(jià)的綜合地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［8］。

1.1 GNSS基準(zhǔn)站子系統(tǒng)

基準(zhǔn)站（PYDCDP）布設(shè)在工業(yè)廣場(chǎng)主辦公樓樓頂，觀測(cè)環(huán)境很好，采用直徑為400mm的不銹鋼鋼架結(jié)構(gòu)?；鶞?zhǔn)站（及監(jiān)測(cè)站）采用科博公司自主研制的具有多頻、多星、多用途的第一代GNSS專用一體機(jī)，兼容 BDS、GPS、GLONASS、預(yù)留Galileo。該接收機(jī)已融合傾斜儀，經(jīng)擴(kuò)展還可以與位移、溫度、氣壓、濕度、降雨量等傳感器集成，實(shí)現(xiàn)GNSS定位信息與傳感器采集信息的融合。

1.2 連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站子系統(tǒng)

根據(jù)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要，將GNSS連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站布設(shè)在地表移動(dòng)變形特征點(diǎn)上，GNSS接收機(jī)以1s采樣率連續(xù)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

為避免人為破壞，并兼顧今后該區(qū)域地表沉降的影響，采用高度不低于6m的水泥電線桿作為觀測(cè)標(biāo)志。監(jiān)測(cè)站配備的主要設(shè)備有：與基準(zhǔn)站相同的GNSS接收機(jī)、天線對(duì)中盤、避雷針、攝像頭、太陽(yáng)能板、儀器箱、蓄電池、傾斜傳感器、測(cè)點(diǎn)標(biāo)志牌等。

為保證電線桿的穩(wěn)定性，其基礎(chǔ)加工為地下1.5m×1.5m×1.5m的基坑，先以混凝土澆注到1.0m處，再放入蓄電池和測(cè)斜儀，然后全部用混凝土澆實(shí)。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)是整個(gè)地表自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，與基準(zhǔn)站之間依靠信號(hào)饋線連接，與監(jiān)測(cè)站通過(guò)3G或GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。地表自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心設(shè)在潘一東礦辦公樓，主要由服務(wù)器、顯示器、路由器、防火墻、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件和GIS開采沉陷數(shù)據(jù)管理軟件等組成，通過(guò)中國(guó)電信2MSDH專線對(duì)外發(fā)布和接收數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心配置的主要設(shè)備有：HP Z800 X5550服務(wù)器1臺(tái)，三星S22A330BW顯示器1臺(tái)，TP－LINK TL－ER5510G 路 由 器 （內(nèi) 置 防 火墻）1臺(tái)。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要由自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件和GIS地表移動(dòng)變形空間管理分析軟件組成，以地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)信息綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，主要功能模塊如圖2所示。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和分析工作，如GNSS數(shù)據(jù)后處理、水準(zhǔn)網(wǎng)平差、平面網(wǎng)平差、開采沉陷預(yù)計(jì)、移動(dòng)變形計(jì)算、移動(dòng)變形曲線圖的繪制、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、開采沉陷損害評(píng)價(jià)分析等，主要由“礦山開采沉陷綜合數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)軟件包（簡(jiǎn)稱 MISPAS軟件包）”執(zhí)行［9－11］。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要功能模塊

1.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集終端子系統(tǒng)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集終端子系統(tǒng)結(jié)合開采沉陷監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，研究基于移動(dòng)GIS的網(wǎng)絡(luò)RTK（Network RTK，NRTK）在PDA上的應(yīng)用、終端與數(shù)據(jù)中心的通訊、移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)組織、終端和數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)融合等內(nèi)容，解決當(dāng)前開采沉陷數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段落后、效率低、信息化程度低等問(wèn)題。在CORS的空間信息框架下，集成CORS和移動(dòng)GIS的先進(jìn)技術(shù)，為“地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件”提供一套可靠、實(shí)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)的硬件主要由PDA、全站儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀、科博GNSS接收機(jī)組成。PDA用于加載開采沉陷信息采集系統(tǒng)軟件，用于沉陷信息采集、管理、分析以及全站儀和GNSS接收機(jī)的智能控制；全站儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀和GNSS接收機(jī)用于快速獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間信息，其中GNSS接收機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)RTK功能。終端系統(tǒng)的主要功能有：

（1）終端軟件能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（GPRS、CDMA、3G等）實(shí)現(xiàn)與CORS中心、數(shù)據(jù)處理中心（服務(wù)器端）之間的數(shù)據(jù)通信與傳輸；數(shù)據(jù)處理中心可對(duì)移動(dòng)終端的行為進(jìn)行控制（如終止非法用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等）。

（2）終端軟件能夠通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與GNSS接收機(jī)、全站儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀之間的數(shù)據(jù)通信，并且能夠?qū)ORS中心的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)RTK定位；存儲(chǔ)在移動(dòng)終端的原始導(dǎo)航定位和差分信息可根據(jù)用戶需要，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心（服務(wù)器）進(jìn)行進(jìn)一步處理。

（3）移動(dòng)終端軟件能夠?qū)崿F(xiàn)開采沉陷信息的現(xiàn)場(chǎng)快速采集、錄入、編輯、變形分析、制圖、預(yù)警等工作。

1.5 網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)是地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要“脈絡(luò)”，主要實(shí)現(xiàn)GNSS連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)之間的雙向通訊：監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)流可實(shí)時(shí)“流向”數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，同時(shí)可獲得來(lái)自數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的指令和差分信息。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)采用潘一東礦內(nèi)部局域網(wǎng)，并由網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)，通過(guò)IP端口映射接入外網(wǎng)。監(jiān)測(cè)站與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的通信采用3G或GPRS無(wú)線網(wǎng)路，它們之間基于TCP／IP和Ntrip通訊協(xié)議。Ntrip由NtripClient、NtripServer和NtripCaster 3個(gè)模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，Ntrip－Client是用戶端軟件，用于接收由NtripCaster分發(fā)的數(shù)據(jù)；NtripServer是HTTP客戶端軟件，用于將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)絅tripCaster；而Ntrip－Caster是HTTP服務(wù)器軟件，它根據(jù)數(shù)據(jù)源的IP地址、坐標(biāo)等規(guī)則，將NtripServer傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)，同時(shí)提供管理接口。

圖3 Ntrip組成結(jié)構(gòu)圖

2 精度分析

地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，決定了該系統(tǒng)能否滿足開采沉陷監(jiān)測(cè)的需要。對(duì)于礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)，其平面位置采用5″導(dǎo)線進(jìn)行，高程采用三等（四等）幾何水準(zhǔn)的方法進(jìn)行［2］。為保證解算的開采沉陷的關(guān)鍵參數(shù)（如邊界角、移動(dòng)角等）的精度，根據(jù)推算，要求相鄰兩期間平面點(diǎn)位相對(duì)中誤差≤±2cm，最弱點(diǎn)高程中誤差≤±1cm。這就要求一次測(cè)量的平面點(diǎn)位相對(duì)中誤差≤±1.4cm，最弱點(diǎn)高程中誤差≤±0.7cm。為評(píng)價(jià)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度［12］，利用2014年3月11日全天觀測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)采樣率60s），在 WGS－84坐標(biāo)系下，對(duì)9個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站（CORS1～CORS9）的高斯平面坐標(biāo)X、Y和大地高程H的內(nèi)符合精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1所列。

表1 連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站內(nèi)符合精度mm

由表1可知，9個(gè)GNSS站X方向的內(nèi)符合精度在±3.4～±4.8mm，平均為±4.4mm；Y方向的內(nèi)符合精度在±3.0～±4.7mm，平均為±3.8mm；H方向的內(nèi)符合精度在 ±8.0～±10.2mm，平均為±8.9mm。從內(nèi)部符合精度上來(lái)說(shuō)，GNSS連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站的平面位置測(cè)量精度在±4.5～±6.4mm，平均為±5.8mm，完全滿足開采沉陷監(jiān)測(cè)的精度要求（一次測(cè)量的平面點(diǎn)位相對(duì)中誤差≤±1.4cm）；空間三維位置測(cè)量精度在±10.3～±11.7mm 之間，平均為±10.7mm。對(duì)于9個(gè)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站，總體上，其平面位置、高程方向和空間位置的測(cè)量精度是一致的，其內(nèi)部符合精度的中誤差分別為±0.6、±0.7、±0.6mm，這說(shuō)明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，9個(gè)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)精度是一致的，均可獲得穩(wěn)定的測(cè)量成果。

對(duì)于9個(gè)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)站，高程測(cè)量精度比平面位置測(cè)量精度低1倍，尚未達(dá)到開采沉陷監(jiān)測(cè)的精度要求（最弱點(diǎn)高程中誤差≤±0.7cm），這與GNSS系統(tǒng)的固有特性有關(guān)，也是需進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

地表移動(dòng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究涉及經(jīng)典大地測(cè)量技術(shù)（全站儀導(dǎo)線測(cè)量、高精度幾何水準(zhǔn)測(cè)量等）、測(cè)繪高新技術(shù)（GNSS技術(shù)、CORS技術(shù)、GIS技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)）、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、軟件工程技術(shù)）以及地質(zhì)、采礦等學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，研究成果不僅可以解決礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的瓶頸問(wèn)題，節(jié)約人力資源，還可應(yīng)用于高層建筑物變形監(jiān)測(cè)，港口、碼頭、堤防變形監(jiān)測(cè)，山體滑坡變形監(jiān)測(cè)，城市地表沉降和橋梁等的變形監(jiān)測(cè)；同時(shí)為研究我國(guó)“北斗二代”在礦山沉陷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了先期的研究基礎(chǔ)。

［1］ 何國(guó)清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991：53－56.

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