GPS-RTK在礦區(qū)測量中的應(yīng)用

石衛(wèi)青

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

引言

在煤礦開采過程中不可避免地會對原地質(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)需及時做好環(huán)境測繪、監(jiān)測和記錄，尤其是地面的沉降。隨著科技水平的提升，煤礦測繪技術(shù)也不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的測量技術(shù)與工具已逐漸被新式測量技術(shù)與工具取代[1]。

1 GPS-RTK技術(shù)

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

圖1 GPS-RTK測量原理圖

GPS-RTK測量系統(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，一臺作為基準(zhǔn)站，一臺作為流動站，兩臺接收機(jī)同時進(jìn)行GPS定位，利用載波相位差分技術(shù)對兩個接收機(jī)的觀測量進(jìn)行差分處理。RTK技術(shù)就是利用實(shí)時差分計(jì)算，提供測站點(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。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)）的觀測數(shù)據(jù)包裝后進(jìn)行無線電發(fā)送，傳遞到流動站。流動站接收機(jī)接收到基準(zhǔn)站傳遞來的原始GPS信息后，與本機(jī)此時采集的觀測數(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)算精確到厘米級的流動站坐標(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)確地在測區(qū)進(jìn)行定位測量、地形放樣等工作。

GPS-RTK測量技術(shù)的優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

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

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

4）GPS-RTK測量結(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)測量。

2 提高測繪精度的方法

2.1 基準(zhǔn)站的選擇

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

1）基準(zhǔn)站盡量設(shè)置在已知坐標(biāo)或未知坐標(biāo)但條件相對較好的坐標(biāo)點(diǎn)上，例如周圍通視良好，地勢相對較高，電臺完全覆蓋的測區(qū)中央。

2）基準(zhǔn)站200 m范圍內(nèi)應(yīng)無高壓線、無線電發(fā)射臺、電視差轉(zhuǎn)臺等干擾源及GPS信號反射源，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組不同類型沉積物。其中冰水沉積物樣品為作者實(shí)地采樣勘測所得數(shù)據(jù)，但受制于客觀條件，其余類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測量出的坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，這兩個坐標(biāo)系由于定義參數(shù)不同，在坐標(biāo)上差異很大，因此在測量工作中需要進(jìn)行兩個坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際測量過程中，應(yīng)事先測定整個礦區(qū)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)，若轉(zhuǎn)換參數(shù)不準(zhǔn)確，則會對測量結(jié)果精度造成很大影響。

2.3 儀器設(shè)備的使用

GPS-RTK測量技術(shù)的測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)和熟練程度也會影響測量精度。GPS測量主要依靠接收機(jī)接收衛(wèi)星信號來確定坐標(biāo)，誤差來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和接收機(jī)，其中GPS衛(wèi)星和信號傳播過程中的誤差屬于系統(tǒng)誤差，操作人員無法采取措施進(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)，選擇合適的觀測時間，保證觀測時GPS接收機(jī)的POOD值不大于6，減小接收機(jī)的定位誤差，從而提高測量精度及效率。

3 GPS-RTK在礦區(qū)沉降觀測的應(yīng)用

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

3.1 理論基礎(chǔ)

3.1.1 全站儀測量精度分析

3.1.1.1 平面度精度

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

每公里測距中誤差mD=2+2×1=4 mm；

3.1.1.2 高程精度

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

3.1.2 GPS-RTK測量精度分析

1）平面度精度：使用GPS-RTK進(jìn)行測量，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

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

3.2 測區(qū)概況

測區(qū)面積約20 km，以山地為主，隨著開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大與開采年限的增長，很多地區(qū)開始出現(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)，需要對沉降地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。采用傳統(tǒng)的全站儀測量方法和GPS-RTK測量方法進(jìn)行觀測，對兩者的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，在測區(qū)中選定11個觀測點(diǎn)，如圖2所示，其中B001和B005為已知基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 測區(qū)觀測點(diǎn)分布

3.3 平面精度分析

分別使用GPS-RTK和全站儀對測區(qū)測點(diǎn)進(jìn)行觀測，記錄水平坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1與下頁表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值對比

表2 平面坐標(biāo)Y值對比

3.4 高程精度分析

沉降區(qū)高程的變化是沉降觀測的重點(diǎn)，同樣對高程觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對比結(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

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

表3 高程數(shù)值對比

4 結(jié)語

GPS-RTK測量技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法相比，精度高、操作簡便、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)測量，且已逐步在礦區(qū)測量中得到應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。