CORS 系統下GPS 測繪技術在煤礦地表沉降中的應用分析

范天水

（晉能控股煤業集團白洞礦業公司地質測量部，山西 大同 037001）

0 引言

我國具有大量的地下煤礦，在煤礦開采過程中，隨著煤炭的采出，礦井區域的地表沉降成為影響開采區域地質生態的重要因素[1]，地表沉降過大易對礦區的生態造成破壞，對礦區的安全生產造成影響，且地質沉降具有不可逆性，因此對礦區的地表沉降進行有效的監測是保證煤礦友好型開采的重要依據[2]，可提高煤礦開采的持續性。CORS 系統是基于GPS 技術發展進行空間測量及數據處理的方法[3]，進行空間測量時具有精度高、可靠性高、自動化程度高的特點，可應用于煤礦的地表沉降測量中，從而提高測量的精度，且采用GPS 定位技術可較大程度地減小觀測周期，提高測繪效率[4]，從而實現對礦區生態環境的保護，提高煤礦的環保性，有利于社會的可持續發展。

1 利用CORS 系統進行地表沉降測量方案

CORS 系統通過GPS 衛星將測量范圍定位在一定的區域內，依據地表沉降測量需求建立連續運行的參考站，GPS 通過計算機、數據通訊將參考站及數據中心組成相應的通訊網絡[5]，依照給定的采樣頻率進行周期性的采樣觀測，并將數據通過網絡傳輸至數據中心進行解算，通過具有GPS 功能的接收機進行GPS數據的接收、修改及定位導航等[6]，從而實現對煤礦地表沉降的測量。

利用CORS 系統進行煤礦地表沉降測量時包括4 個基礎部分，即數據中心、參考站系統、數據通訊及用戶系統，各系統之間相互連通，形成分布式控制的局域網。數據中心為系統的穩定安全運行及定位服務提供保障[7]，參考站系統采集GPS 衛星觀測的數據信息，通過網絡傳輸至數據中心，提供監測服務，數據通訊系統對各基站的數據進行用戶的播發，終端的用戶系統接收GPS 衛星的數據并通過接收機進行數據的存儲，實現對數據的觀測。COPS 系統的框架結構如圖1 所示。

圖1 CORS 系統結構框架圖

針對某煤礦礦區的地表沉降情況進行CORS 系統的建設，布置有12 個運行的參考站，參考站之間的距離約為20～40 km，系統采用NetRS 接收機，通過VRS 技術進行動態網絡的RTK 定位。采用VRS（虛擬基站技術）進行網絡RTK 的差分解算[8]，VRS 是應用最廣的數據解算方法，通過在地面布置多個GPS 參考站組成網絡，依據采集的數據建立誤差模型，從而消除誤差，提高測量的精度。

進行地表沉降測繪VRS 解算時，流動站發出服務請求，并將自身的位置發送給數據中心，數據中心通過各參考站的誤差生成該區域內沉降數據誤差模型，并估算相應的殘余誤差，通過無線通訊系統傳輸給流動站的用戶[9]，流動站利用虛擬的觀測值，并結合自身的測量數據對坐標進行精確解算，從而得到精確的測繪值，VRS 解算的工作原理如圖2 所示。通過VRS 進行地表沉降數據測繪的解算具有較高的穩定性及解算精度，對數據的負荷較小，可以提高測繪的效率及精度。

圖2 VRS 數據解算的流程示意圖

2 利用CORS 系統進行地表沉降測量應用

采用CORS 系統進行礦區的地表沉降測量，可對礦區的地表沉降進行有效的防治，提高煤礦開采的安全性及實現生態保護。CORS 系統基準站的數據處理主要包括基線的解算及平差的計算，再根據計算的結果提取各監測周期內GPS 的大地高數據[10]，而后將不同監測周期內的大地高進行對比求差，即可得到地面的沉降數據。

2.1 利用GPS 進行地表沉降監測的布置

根據GPS 監測的精度及地表沉降量情況，當年沉降量大于30 mm 時，設定觀測的時間為8 h，年沉降量小于30 mm 時，觀測的時間為23.5 h，且將CORS監測系統網均勻地布置在礦井區域內，以覆蓋礦區的沉降變化區，對各站點進行統一的部署，保證作業規范，點位的穩定性可靠，且具有較好的觀測條件。

系統的接收機采用Trim 5700 雙頻型接收機，接收精度為5 mm，采用靜態測量的模式進行沉降觀測。針對戶外GPS 數據的采集，在每個站點安排1 人進行設備的保護與電池的維護[11]，以保證測量作業的持續性，每組內安排3 人進行數據處理作業。GPS 的戶外監測分4 個批次進行，每批次對8 個站點進行監測，連續監測48 h，設定采樣的頻率為30 s，保證各站點間數據構成同步的環形觀測。

2.2 利用GPS 進行地表沉降監測的數據處理

通過GAMIT 軟件對煤礦沉降監測采集的數據進行后處理，每期數據根據周邊的6 個IGS 站點同步觀測的數據進行計算，GAMIT 軟件是應用廣泛的GPS數據分析處理的軟件包，具有較高的計算精度，采用GAMIT 軟件進行數據的基線解算[12]，基線計算精度為±5 mm。對GPS 平差進行計算后即可得到監測周期內GPS 的大地高數值，為進一步提高測量的精度，還要考慮GPS 的基準誤差與系統誤差的影響。

為消除GPS 監測數據的系統誤差，在平差模型中引入附加參數，以減小各期監測的差異值，并采用抗差計算減小粗差的影響，經過處理后，得到的平差結果包含高精度的地面三維信息，從而提取地面的沉降量，為比較GPS 測量結果的準確性，將其與礦區內的水準參數進行對比，得到如圖3 所示的沉降趨勢圖。

圖3 GPS 數據與水準沉降量的變化趨勢

從圖3 中可以看出，采用GPS 監測的煤礦沉降變化與水準測得的正常變化的一致性較高，反映了礦區內的地表沉降變化具有較好的吻合性，同時可以看到礦區內的地表沉降最大值為69 mm，其他位置的沉降值均較低，礦區內的地表沉降符合要求，滿足煤礦的安全生產需求。

進一步對GPS 測定的數據與水準值的一致性程度進行分析，將大地高的變化需求差值進行對比，得到如圖4 所示的比較差值。從圖4 中可以看出，在一個觀測周期內GPS 測得的數據與水準值比較，誤差在5 mm 之內的占比為69.4%，誤差在5～8 mm 的占比為16.8%，最大差值為10.4 mm。通過分析可知，由GPS 監測的數值具有較高的精度，與水準值的變形量基本保持一致，因此采用GPS 對礦區的地表沉降進行測量精確可靠。

圖4 GPS 觀測值與水準值的比較差

3 結語

采用CORS 系統進行煤礦的地表沉降監測對礦區的生態保護具有重要的意義，并為煤礦的安全開采提供了保障。CORS 系統通過GPS 數據進行礦區地表沉降的測量，制定了礦區的測量方案及GPS 觀測點布置方式，在一個測量周期內對GPS 數據進行多次測量，并進行數據基線及平差的計算，以消除系統誤差，得到礦區的地表沉降值。經過分析可知，礦區的地表沉降值較小，且與水準值相比可知，GPS 測量值準確可靠，與水準值具有較高的一致性，可以將GPS 測繪技術應用于礦區的地表沉降測量過程中。