基于VRS技術的煤礦地表變形監測

張紅娟，祝文華，魏向輝，吳文壇

（1.中國地質大學 長城學院，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技術的煤礦地表變形監測

張紅娟1，祝文華1，魏向輝1，吳文壇2

（1.中國地質大學 長城學院，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測傳統測量方法全人工作業、工作效率低等問題，針對煤田開采地表變形監測布網特點，設計了VRS技術用于監測煤礦地表變形的施測方案。數據表明，大地高高差的測量精度能達到中誤差為±3．2 mm/km，滿足四等水準測量的精度要求，點位平面坐標內部精度為mm級，符合《煤礦測量規范》的精度要求。

VRS技術；煤礦；地表變形；監測方案

1 VRS技術定位原理

VRS系統主要由基準站網絡子系統、數據處理中心子系統、數據通訊子系統和用戶應用子系統4部分組成。數據處理中心實時接收網絡內各參考站觀測數據和流動站的概略坐標，并根據該概略坐標選擇附近幾個位置比較好的基準站信息，然后在該坐標處生成一個虛擬參考站，并對該虛擬參考站位置的對流層延遲、電離層延遲等空間距離相關誤差進行建模，生成VRS虛擬觀測值，再將標準原始觀測值或者改正數發送給流動站，實現高精度實時定位[1]。工作原理如圖1所示。

圖1 VRS技術工作原理圖

2 傳統煤礦地表變形監測

2.1 傳統監測布網特點

目前我國大多數的煤礦區均采用剖面線狀觀測站的布網形式，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的觀測線為傾向觀測線，沿煤層走向布設的觀測線為走線觀測線。為建立觀測站控制點和測定沉陷區域的邊界位置，要保證觀測線的兩端（半條觀測線時為一端）位于采動影響范圍外較穩定的位置。為了以大致相同的精度求得地表移動變形參數，一般等間距地布置監測點，監測點的數目和密度與開采深度等因素有關，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，根據采掘工作面的推進一般呈動態連續變化。變形移動的過程一般分為4個階段：初始階段、活躍階段、衰退階段和穩定階段[2]。地表移動觀測的基本內容是在采動過程中，定期重復測定觀測線上各監測點在不同時期內空間位置的變化。地表移動觀測站的觀測主要包括觀測站控制點的連接測量，采動前的全面觀測以及單獨進行的水準測量等。其中，采動過程中的日常觀測通常采用單程的附合水準或水準直線的往返測量，施測時按四等水準的精度要求進行[3]。

3 VRS技術用于煤礦地表變形監測

3.1 理論依據

影響VRS技術單點定位精度的誤差源主要是軌道誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等空間相關誤差[4]。根據現有的研究成果和CORS系統的具體實踐可知，VRS技術的定位精度為2～3 cm[1]。應用VRS技術可以滿足地表移動的位移量精度要求，進行沉陷監測通常不能滿足四等水準的精度要求。然而煤礦沉陷監測的直接觀測量是觀測點相對于基準點的高差，如果利用VRS技術對相距不太遠的兩點進行同步觀測，通過觀測結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測精度，為應用VRS技術進行煤礦開采沉陷監測提供了可能性。

通過VRS下相近點（＜3 km）高差測量結果的公式推導和量化分析得知，同步觀測條件下兩點間的高差可以達到±3．3 mm的監測精度[5]，通過同步觀測、觀測結果求差的方法有效消除了兩點高程的公共誤差，為cm級單點定位精度的VRS技術實現mm級高差監測提供了理論依據。

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

3.2 監測方案設計

傳統煤礦開采沉陷監測一般沿沉陷盆地的傾向和走向設置兩條觀測線，觀測線上設置沉陷監測點，基準點位于采動影響范圍外作為監測沉陷依據，基準點與監測點的距離由采區面積決定，從幾百m到1～2 km或更遠一點，一般不超過3 km。根據上述特點，應用VRS技術進行煤礦開采沉陷監測時，可以采取以下方法進行施測：在本次采動沉陷影響區外面設置擬穩點（可以是全面測量時使用的控制點，也可以是點位比較穩定的其他點），在采動區內按《煤礦測量規程》設置監測點，如圖3所示。施測時，分別在擬穩點和監測點架設儀器（流動站數據采集設備），對兩點進行同步觀測，取觀測值之差（大地高高差）作為最終觀測結果（這里是相對高程），各期觀測值之差作為沉陷依據。

圖3 監測方案初步設計

4 試驗數據處理與精度評定

4.1 試驗數據采集

試驗基于SWEPOS-HEBEI，該系統2009年10月進入試運行階段，目前共有34個連續運行參考站，點間距平均為70 km，可直接提供2000國家大地坐標系下的定位成果（X，Y，Z）或（B，L，H）。由于條件限制只布設a、b兩點，其中點a為擬穩點，點b為監測點，相距2．53 km。a、b點場地比較開闊，接收衛星信號條件良好，一般情況下能夠接收到8～12顆衛星信號。GPRS通信信號良好，能接收到良好的CORS系統的內插改正信息。

試驗采用Trimble R8型雙頻接收機，配有CORS系統改正信息接收模塊，使用腳架安置接收機架設在測點上，嚴格對中、整平，量取天線高，采用VRS測量形式（準動態）在各點上以地形點的測量方式（1 s采樣率采集5個有效觀測歷元）進行測量，進行1次/min測量并存儲測量結果。觀測6 min得6個大地高數據。連續觀測了6 d，測量時定時、定人、定儀器，自第2天每天開始觀測時間比前一天提前4 min（保證衛星空間分布與前一天相同）。

4.2 試驗結果分析

使用天寶數據處理隨機軟件TTC進行數據處理，測量結束后將手簿中的．dc文件導入軟件，以．CSV格式導出文件以便查看點位坐標信息。取a、b點每天6次采集的數據的平均值作為當天該點最終成果，經坐標轉換，平面坐標采用北京54坐標系，高程仍為CGCS2000下的大地高，原始數據見表1。

將a、b 點各期坐標觀測數據與6期觀測數據的平均值求差得各期數據坐標分量的偏差數據，如圖4、圖5。

表1 采集的原始數據

圖5 b點各期數據坐標分量偏差

圖4 a點各期數據坐標分量偏差表

根據野外實時采集的原始數據，計算a、b點間的高差，結果見表2。

表2 2點間大地高高差計算結果

計算的a點的平面點位中誤差和高程中誤差分別為6．0、7．9；b點的平面點位中誤差和高程中誤差分別為3．9、10．0；兩點間高差的中誤差為5．1。

按以下公式計算a、b 兩點間的每km高差中誤差：

試驗數據分析：

1）由圖4和圖5知，a、b 點在6個周期觀測中，坐標分量與平均值的偏差大多在±1 cm左右，最大不超過2 cm，具有很好的內部符合性，說明VRS技術實時動態定位可靠性強。

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

3）通過6期數據采集得a、b兩點的點位中誤差，它們的大小都小于1 cm，處在mm級的精度上，說明可以直接用VRS技術觀測結果作為地表變形平移量的依據。

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

5 結 語

VRS技術測定點位的精度目前只能達到cm級，但對于相距不太遠的兩點進行同步觀測，通過觀測結果求差的方法能夠有效消除兩點間公共誤差。根據多路徑效應的周日特性以及其他系統誤差的特點，采用定時、定儀器、定人的觀測措施可以達到固化誤差的目的，提高高差的觀測精度，從而使VRS技術實現mm級煤礦開采地表移動監測成為可能。

[1] 劉彥芳． VRS技術的改正信息生成算法及定位精度研究[D]．唐山：河北理工大學，2010

[2] 郭高川，李慧． 煤礦開采沉陷對環境的影響[J]． 山西煤炭，2007,27(2):55-57

[3] 中華人民共和國能源部． 煤礦測量規程[S]．

[4] 楊洋． 虛擬參考站（VRS）技術及其精度評定[D]． 成都：西南交通大學，2007

[5] 張紅娟． 基于CORS的煤礦開采沉陷監測可行性研究[D]．唐山：河北聯合大學，2011

[6] 戴吾姣，丁曉利，朱建軍． GPS動態變形測量中的多路徑效應特征研究[J]． 大地測量與地球動力學，2008,28(1):65-70

[7] Georgiadou Y, Kleusberg A． On Carrier Signal Multi-path effects in Relative GPS Positioning[J]． Manuscripta Geodaetica, 1998(13): 172-179

[8] Hofmman W B, Lichtenegger H, Collins J． Global positioning System(GPS) Theory and Practice[M]． New York: Springer, 1992

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教學與科研。

2013-10-23。

項目來源：唐山市科學技術局應用基礎研究資助項目（09140203A-2）。