石衛(wèi)青

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)原地質(zhì)環(huán)境造成影響，地下形成大規(guī)模采空區(qū)可能會(huì)造成巖體變形、地面塌陷、地下水疏干等地質(zhì)災(zāi)害，煤礦企業(yè)需及時(shí)做好環(huán)境測(cè)繪、監(jiān)測(cè)和記錄，尤其是地面的沉降。隨著科技水平的提升，煤礦測(cè)繪技術(shù)也不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)與工具已逐漸被新式測(cè)量技術(shù)與工具取代[1]。

1 GPS-RTK技術(shù)

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是一種全新的測(cè)量方法（如圖1所示），采用載波相位差分實(shí)時(shí)差分，可以實(shí)現(xiàn)野外實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量且精度達(dá)到厘米級(jí)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到電力、公路、鐵路、房產(chǎn)測(cè)繪、地質(zhì)勘探等行業(yè)。

圖1 GPS-RTK測(cè)量原理圖

GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中GPS接收機(jī)至少有兩臺(tái)，一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，一臺(tái)作為流動(dòng)站，兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行GPS定位，利用載波相位差分技術(shù)對(duì)兩個(gè)接收機(jī)的觀測(cè)量進(jìn)行差分處理。RTK技術(shù)就是利用實(shí)時(shí)差分計(jì)算，提供測(cè)站點(diǎn)在特定坐標(biāo)系中的具體三維坐標(biāo)且精度能達(dá)到厘米級(jí)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將基準(zhǔn)站（通常為固定點(diǎn)）的觀測(cè)數(shù)據(jù)包裝后進(jìn)行無(wú)線電發(fā)送，傳遞到流動(dòng)站。流動(dòng)站接收機(jī)接收到基準(zhǔn)站傳遞來(lái)的原始GPS信息后，與本機(jī)此時(shí)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中匯集處理，利用軟件系統(tǒng)計(jì)算出基準(zhǔn)站與流動(dòng)站接收機(jī)間的基線向量，利用已知的基準(zhǔn)站位置信息計(jì)算精確到厘米級(jí)的流動(dòng)站坐標(biāo)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，從而快速準(zhǔn)確地在測(cè)區(qū)進(jìn)行定位測(cè)量、地形放樣等工作。

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

2）GPS-RTK測(cè)量技術(shù)所需要投入的人力和設(shè)備較傳統(tǒng)測(cè)量方法大大減少，操作簡(jiǎn)便，作業(yè)效率可以提高3倍左右。

3）基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間無(wú)需通視，觀測(cè)距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)24 h作業(yè)。

4）GPS-RTK測(cè)量結(jié)果能在野外提高并進(jìn)行校核，即便遇到障礙物失鎖也可在重新捕獲衛(wèi)星并在數(shù)分鐘后繼續(xù)測(cè)量。

2 提高測(cè)繪精度的方法

2.1 基準(zhǔn)站的選擇

基準(zhǔn)站是測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，能否達(dá)到測(cè)量目的與基準(zhǔn)站的選擇有很大關(guān)系，因此在選擇基準(zhǔn)站時(shí)必須慎重，為了保證測(cè)量精度，提高測(cè)量效率，基準(zhǔn)站的選擇應(yīng)考慮一下幾個(gè)方面：

1）基準(zhǔn)站盡量設(shè)置在已知坐標(biāo)或未知坐標(biāo)但條件相對(duì)較好的坐標(biāo)點(diǎn)上，例如周?chē)ㄒ暳己?，地?shì)相對(duì)較高，電臺(tái)完全覆蓋的測(cè)區(qū)中央。

2）基準(zhǔn)站200 m范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)高壓線、無(wú)線電發(fā)射臺(tái)、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)等干擾源及GPS信號(hào)反射源，以防出現(xiàn)多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)鏈丟失現(xiàn)象。

3）為了避開(kāi)南北極附近衛(wèi)星空洞區(qū)，基準(zhǔn)站的天線應(yīng)架設(shè)在基準(zhǔn)站接收機(jī)的北方。

為了比較九襄地區(qū)堆積體與其它不同類(lèi)型的具有代表性的沉積物在粒度參數(shù)上的差異，作者選取河流[18]、黃土[19]、冰川[20]、海洋[21]、湖泊[22]、冰水這6組不同類(lèi)型沉積物。其中冰水沉積物樣品為作者實(shí)地采樣勘測(cè)所得數(shù)據(jù)，但受制于客觀條件，其余類(lèi)型的沉積物只能借助其他學(xué)者的相關(guān)研究成果和數(shù)據(jù)。由于不同類(lèi)型沉積環(huán)境所取樣品粒度的分布存在差異，因此分析其粒度特征在一定程度上能夠區(qū)分和分析沉積類(lèi)型、沉積作用、并且能夠復(fù)原古環(huán)境。

2.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)

實(shí)際工作中使用的坐標(biāo)系一般為1954北京坐標(biāo)系，而GPS-RTK測(cè)量出的坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，這兩個(gè)坐標(biāo)系由于定義參數(shù)不同，在坐標(biāo)上差異很大，因此在測(cè)量工作中需要進(jìn)行兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)事先測(cè)定整個(gè)礦區(qū)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)，若轉(zhuǎn)換參數(shù)不準(zhǔn)確，則會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果精度造成很大影響。

2.3 儀器設(shè)備的使用

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度主要取決于儀器性能和抗干擾能力，另外使用人員的使用水平、工作經(jīng)驗(yàn)和熟練程度也會(huì)影響測(cè)量精度。GPS測(cè)量主要依靠接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定坐標(biāo)，誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和接收機(jī)，其中GPS衛(wèi)星和信號(hào)傳播過(guò)程中的誤差屬于系統(tǒng)誤差，操作人員無(wú)法采取措施進(jìn)行消除，只能提高操作水平，認(rèn)真進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，正確使用接收裝置，做好衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，選擇合適的觀測(cè)時(shí)間，保證觀測(cè)時(shí)GPS接收機(jī)的POOD值不大于6，減小接收機(jī)的定位誤差，從而提高測(cè)量精度及效率。

3 GPS-RTK在礦區(qū)沉降觀測(cè)的應(yīng)用

以某礦區(qū)為例，使用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)沉降情況進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)采用傳統(tǒng)全站儀測(cè)量沉降情況，驗(yàn)證GPS-RTK測(cè)量方法的適用性[2]。

3.1 理論基礎(chǔ)

3.1.1 全站儀測(cè)量精度分析

3.1.1.1 平面度精度

測(cè)區(qū)的走向線長(zhǎng)度為10 km，采用附合導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量，最弱點(diǎn)在附合導(dǎo)線中點(diǎn)。使用的全站儀精度為2″，測(cè)距為（2+2D×10-6）mm。假設(shè)導(dǎo)線每條邊長(zhǎng)均相等，即導(dǎo)線邊長(zhǎng)l=500 m，測(cè)站數(shù)n=16，按照四等測(cè)角精度，測(cè)角中誤差mβ=2.5″，可以得到：

每公里測(cè)距中誤差mD=2+2×1=4 mm；

3.1.1.2 高程精度

測(cè)區(qū)高程最弱點(diǎn)也在附合水準(zhǔn)線中點(diǎn)，L=10 km，水準(zhǔn)測(cè)量按四等水準(zhǔn)要求測(cè)量，每公里的高差中誤差mh=10 mm，可以得到：

3.1.2 GPS-RTK測(cè)量精度分析

1）平面度精度：使用GPS-RTK進(jìn)行測(cè)量，平面精度為（3+0.5D×10-6）mm，最弱點(diǎn)在離基準(zhǔn)站距離最遠(yuǎn)處，D=10 km，可以得到：最弱點(diǎn)誤差m=

2）高程精度：高程精度約為（5+0.5D×10-6）mm，最弱點(diǎn)同樣在離基準(zhǔn)站距離最遠(yuǎn)處，可以得到最弱點(diǎn)高程誤差

3.1.3 分析結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，GPS-RTK的測(cè)量精度無(wú)論是水平面精度還是高程精度均優(yōu)于全站儀測(cè)量，說(shuō)明了GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在煤礦沉降觀測(cè)中的可行性。

3.2 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)面積約20 km，以山地為主，隨著開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大與開(kāi)采年限的增長(zhǎng)，很多地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的地面沉降，存在一定的安全隱患，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，需要對(duì)沉降地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方法和GPS-RTK測(cè)量方法進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)兩者的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在測(cè)區(qū)中選定11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖2所示，其中B001和B005為已知基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 測(cè)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)分布

3.3 平面精度分析

分別使用GPS-RTK和全站儀對(duì)測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，記錄水平坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1與下頁(yè)表2所示。

從表1和表2中可以看出，兩者采集的數(shù)據(jù)是基本一致的，偏差很小。

表1 平面坐標(biāo)X值對(duì)比

表2 平面坐標(biāo)Y值對(duì)比

3.4 高程精度分析

沉降區(qū)高程的變化是沉降觀測(cè)的重點(diǎn)，同樣對(duì)高程觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)比結(jié)果如表3所示。兩者的數(shù)據(jù)也是基本一致的。

3.5 分析結(jié)論

由以上對(duì)比分析可知，GPS-RTK測(cè)量方法的觀測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)全站儀的觀測(cè)結(jié)果保持一致，水平精度和高程精度均能滿(mǎn)足觀測(cè)要求，因此可以替代效率較低的傳統(tǒng)全站儀觀測(cè)進(jìn)行煤礦沉降觀測(cè)。

表3 高程數(shù)值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，精度高、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)效率高，即便遇到障礙物失鎖也可重新捕獲衛(wèi)星并在數(shù)分鐘后繼續(xù)測(cè)量，且已逐步在礦區(qū)測(cè)量中得到應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。