基于VRS技术的煤矿地表变形监测

张红娟，祝文华，魏向辉，吴文坛

（1.中国地质大学 长城学院，河北 保定 071000；

2.河北省测绘地理信息局 测绘资料档案馆，河北 石家庄 050032）

基于VRS技术的煤矿地表变形监测

张红娟1，祝文华1，魏向辉1，吴文坛2

（1.中国地质大学 长城学院，河北 保定 071000；

2.河北省测绘地理信息局 测绘资料档案馆，河北 石家庄 050032）

为解决煤田开采地表变形监测传统测量方法全人工作业、工作效率低等问题，针对煤田开采地表变形监测布网特点，设计了VRS技术用于监测煤矿地表变形的施测方案。数据表明，大地高高差的测量精度能达到中误差为±3．2 mm/km，满足四等水准测量的精度要求，点位平面坐标内部精度为mm级，符合《煤矿测量规范》的精度要求。

VRS技术；煤矿；地表变形；监测方案

1 VRS技术定位原理

VRS系统主要由基准站网络子系统、数据处理中心子系统、数据通讯子系统和用户应用子系统4部分组成。数据处理中心实时接收网络内各参考站观测数据和流动站的概略坐标，并根据该概略坐标选择附近几个位置比较好的基准站信息，然后在该坐标处生成一个虚拟参考站，并对该虚拟参考站位置的对流层延迟、电离层延迟等空间距离相关误差进行建模，生成VRS虚拟观测值，再将标准原始观测值或者改正数发送给流动站，实现高精度实时定位[1]。工作原理如图1所示。

图1 VRS技术工作原理图

2 传统煤矿地表变形监测

2.1 传统监测布网特点

目前我国大多数的煤矿区均采用剖面线状观测站的布网形式，如图2所示。观测站通常由两条互相垂直相交的观测线组成，其中沿煤层倾向布设的观测线为倾向观测线，沿煤层走向布设的观测线为走线观测线。为建立观测站控制点和测定沉陷区域的边界位置，要保证观测线的两端（半条观测线时为一端）位于采动影响范围外较稳定的位置。为了以大致相同的精度求得地表移动变形参数，一般等间距地布置监测点，监测点的数目和密度与开采深度等因素有关，一般为十几m到几十m。

2.2 观测工作

图2 剖面线状观测站

地表沉陷变形的移动，根据采掘工作面的推进一般呈动态连续变化。变形移动的过程一般分为4个阶段：初始阶段、活跃阶段、衰退阶段和稳定阶段[2]。地表移动观测的基本内容是在采动过程中，定期重复测定观测线上各监测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的观测主要包括观测站控制点的连接测量，采动前的全面观测以及单独进行的水准测量等。其中，采动过程中的日常观测通常采用单程的附合水准或水准直线的往返测量，施测时按四等水准的精度要求进行[3]。

3 VRS技术用于煤矿地表变形监测

3.1 理论依据

影响VRS技术单点定位精度的误差源主要是轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差等空间相关误差[4]。根据现有的研究成果和CORS系统的具体实践可知，VRS技术的定位精度为2～3 cm[1]。应用VRS技术可以满足地表移动的位移量精度要求，进行沉陷监测通常不能满足四等水准的精度要求。然而煤矿沉陷监测的直接观测量是观测点相对于基准点的高差，如果利用VRS技术对相距不太远的两点进行同步观测，通过观测结果求差的方法可以减弱两站的公共误差，从而提高大地高高差的监测精度，为应用VRS技术进行煤矿开采沉陷监测提供了可能性。

通过VRS下相近点（＜3 km）高差测量结果的公式推导和量化分析得知，同步观测条件下两点间的高差可以达到±3．3 mm的监测精度[5]，通过同步观测、观测结果求差的方法有效消除了两点高程的公共误差，为cm级单点定位精度的VRS技术实现mm级高差监测提供了理论依据。

随着空间相关误差的减弱和消除，多路径效应对高差观测值的影响凸显出来，由于多路径误差具有时空和环境效应等特殊性质，很难使用改正模型的方法对其进行定量研究。同时，多路径效应在基线两端不具有相关性[6]，也无法通过差分技术消除或减弱其影响。根据多路径效应的周日特性[7,8]，设计不同周期的观测进行定时（以首期观测时间为基准，每期观测提前时间4 min×与首次间隔日数）观测，将多路径效应对高差的影响固定下来，成为每期高差观测值都含有的系统误差，通过各期观测值之差可以有效消除多路径效应的影响。

3.2 监测方案设计

传统煤矿开采沉陷监测一般沿沉陷盆地的倾向和走向设置两条观测线，观测线上设置沉陷监测点，基准点位于采动影响范围外作为监测沉陷依据，基准点与监测点的距离由采区面积决定，从几百m到1～2 km或更远一点，一般不超过3 km。根据上述特点，应用VRS技术进行煤矿开采沉陷监测时，可以采取以下方法进行施测：在本次采动沉陷影响区外面设置拟稳点（可以是全面测量时使用的控制点，也可以是点位比较稳定的其他点），在采动区内按《煤矿测量规程》设置监测点，如图3所示。施测时，分别在拟稳点和监测点架设仪器（流动站数据采集设备），对两点进行同步观测，取观测值之差（大地高高差）作为最终观测结果（这里是相对高程），各期观测值之差作为沉陷依据。

图3 监测方案初步设计

4 试验数据处理与精度评定

4.1 试验数据采集

试验基于SWEPOS-HEBEI，该系统2009年10月进入试运行阶段，目前共有34个连续运行参考站，点间距平均为70 km，可直接提供2000国家大地坐标系下的定位成果（X，Y，Z）或（B，L，H）。由于条件限制只布设a、b两点，其中点a为拟稳点，点b为监测点，相距2．53 km。a、b点场地比较开阔，接收卫星信号条件良好，一般情况下能够接收到8～12颗卫星信号。GPRS通信信号良好，能接收到良好的CORS系统的内插改正信息。

试验采用Trimble R8型双频接收机，配有CORS系统改正信息接收模块，使用脚架安置接收机架设在测点上，严格对中、整平，量取天线高，采用VRS测量形式（准动态）在各点上以地形点的测量方式（1 s采样率采集5个有效观测历元）进行测量，进行1次/min测量并存储测量结果。观测6 min得6个大地高数据。连续观测了6 d，测量时定时、定人、定仪器，自第2天每天开始观测时间比前一天提前4 min（保证卫星空间分布与前一天相同）。

4.2 试验结果分析

使用天宝数据处理随机软件TTC进行数据处理，测量结束后将手簿中的．dc文件导入软件，以．CSV格式导出文件以便查看点位坐标信息。取a、b点每天6次采集的数据的平均值作为当天该点最终成果，经坐标转换，平面坐标采用北京54坐标系，高程仍为CGCS2000下的大地高，原始数据见表1。

将a、b 点各期坐标观测数据与6期观测数据的平均值求差得各期数据坐标分量的偏差数据，如图4、图5。

表1 采集的原始数据

图5 b点各期数据坐标分量偏差

图4 a点各期数据坐标分量偏差表

根据野外实时采集的原始数据，计算a、b点间的高差，结果见表2。

表2 2点间大地高高差计算结果

计算的a点的平面点位中误差和高程中误差分别为6．0、7．9；b点的平面点位中误差和高程中误差分别为3．9、10．0；两点间高差的中误差为5．1。

按以下公式计算a、b 两点间的每km高差中误差：

试验数据分析：

1）由图4和图5知，a、b 点在6个周期观测中，坐标分量与平均值的偏差大多在±1 cm左右，最大不超过2 cm，具有很好的内部符合性，说明VRS技术实时动态定位可靠性强。

2）由图4和图5知，两点各期高程分量偏差大于平面坐标分量的偏差，大约为平面坐标分量偏差的2倍，说明VRS技术高程测定精度要低于平面位置的精度，数值上大约为平面位置精度的1/2。

3）通过6期数据采集得a、b两点的点位中误差，它们的大小都小于1 cm，处在mm级的精度上，说明可以直接用VRS技术观测结果作为地表变形平移量的依据。

4） VRS直接用于高程测量的精度为10 mm；由表2知，通过同步观测两点间求差所得的高差6期数据间离散很小，a、b每km高差中误差≤5 mm，完全满足四等水准测量要求，可以作为地表变形下沉值的依据。

5 结 语

VRS技术测定点位的精度目前只能达到cm级，但对于相距不太远的两点进行同步观测，通过观测结果求差的方法能够有效消除两点间公共误差。根据多路径效应的周日特性以及其他系统误差的特点，采用定时、定仪器、定人的观测措施可以达到固化误差的目的，提高高差的观测精度，从而使VRS技术实现mm级煤矿开采地表移动监测成为可能。

[1] 刘彦芳． VRS技术的改正信息生成算法及定位精度研究[D]．唐山：河北理工大学，2010

[2] 郭高川，李慧． 煤矿开采沉陷对环境的影响[J]． 山西煤炭，2007,27(2):55-57

[3] 中华人民共和国能源部． 煤矿测量规程[S]．

[4] 杨洋． 虚拟参考站（VRS）技术及其精度评定[D]． 成都：西南交通大学，2007

[5] 张红娟． 基于CORS的煤矿开采沉陷监测可行性研究[D]．唐山：河北联合大学，2011

[6] 戴吾姣，丁晓利，朱建军． GPS动态变形测量中的多路径效应特征研究[J]． 大地测量与地球动力学，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

张红娟，硕士，主要从事测绘工程专业教学与科研。

2013-10-23。

项目来源：唐山市科学技术局应用基础研究资助项目（09140203A-2）。