GPS-RTK在礦區測量中的應用

石衛青

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 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環境造成影響，地下形成大規模采空區可能會造成巖體變形、地面塌陷、地下水疏干等地質災害，煤礦企業需及時做好環境測繪、監測和記錄，尤其是地面的沉降。隨著科技水平的提升，煤礦測繪技術也不斷發展，傳統的測量技術與工具已逐漸被新式測量技術與工具取代[1]。

1 GPS-RTK技術

GPS-RTK測量技術是一種全新的測量方法（如圖1所示），采用載波相位差分實時差分，可以實現野外實時動態測量且精度達到厘米級，已經被廣泛應用到電力、公路、鐵路、房產測繪、地質勘探等行業。

圖1 GPS-RTK測量原理圖

GPS-RTK測量系統主要由GPS接收機、數據傳輸系統和軟件系統組成。其中GPS接收機至少有兩臺，一臺作為基準站，一臺作為流動站，兩臺接收機同時進行GPS定位，利用載波相位差分技術對兩個接收機的觀測量進行差分處理。RTK技術就是利用實時差分計算，提供測站點在特定坐標系中的具體三維坐標且精度能達到厘米級。數據傳輸系統負責將基準站（通常為固定點）的觀測數據包裝后進行無線電發送，傳遞到流動站。流動站接收機接收到基準站傳遞來的原始GPS信息后，與本機此時采集的觀測數據進行集中匯集處理，利用軟件系統計算出基準站與流動站接收機間的基線向量，利用已知的基準站位置信息計算精確到厘米級的流動站坐標，并進行坐標轉換轉換到當地坐標系，從而快速準確地在測區進行定位測量、地形放樣等工作。

GPS-RTK測量技術的優勢主要有以下幾個方面：

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

3）基準站與流動站之間無需通視，觀測距離遠，可以實現24 h作業。

4）GPS-RTK測量結果能在野外提高并進行校核，即便遇到障礙物失鎖也可在重新捕獲衛星并在數分鐘后繼續測量。

2 提高測繪精度的方法

2.1 基準站的選擇

基準站是測量的基準點，能否達到測量目的與基準站的選擇有很大關系，因此在選擇基準站時必須慎重，為了保證測量精度，提高測量效率，基準站的選擇應考慮一下幾個方面：

1）基準站盡量設置在已知坐標或未知坐標但條件相對較好的坐標點上，例如周圍通視良好，地勢相對較高，電臺完全覆蓋的測區中央。

2）基準站200 m范圍內應無高壓線、無線電發射臺、電視差轉臺等干擾源及GPS信號反射源，以防出現多路徑效應和數據鏈丟失現象。

3）為了避開南北極附近衛星空洞區，基準站的天線應架設在基準站接收機的北方。

為了比較九襄地區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地采樣勘測所得數據，但受制于客觀條件，其余類型的沉積物只能借助其他學者的相關研究成果和數據。由于不同類型沉積環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分和分析沉積類型、沉積作用、并且能夠復原古環境。

2.2 轉換參數

實際工作中使用的坐標系一般為1954北京坐標系，而GPS-RTK測量出的坐標是WGS-84坐標系中的坐標，這兩個坐標系由于定義參數不同，在坐標上差異很大，因此在測量工作中需要進行兩個坐標系的坐標轉換。在實際測量過程中，應事先測定整個礦區的基準轉換參數，若轉換參數不準確，則會對測量結果精度造成很大影響。

2.3 儀器設備的使用

GPS-RTK測量技術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、工作經驗和熟練程度也會影響測量精度。GPS測量主要依靠接收機接收衛星信號來確定坐標，誤差來源于GPS衛星、衛星信號的傳播過程和接收機，其中GPS衛星和信號傳播過程中的誤差屬于系統誤差，操作人員無法采取措施進行消除，只能提高操作水平，認真進行技術培訓，正確使用接收裝置，做好衛星星歷預報，選擇合適的觀測時間，保證觀測時GPS接收機的POOD值不大于6，減小接收機的定位誤差，從而提高測量精度及效率。

3 GPS-RTK在礦區沉降觀測的應用

以某礦區為例，使用GPS-RTK測量技術對沉降情況進行觀測，同時采用傳統全站儀測量沉降情況，驗證GPS-RTK測量方法的適用性[2]。

3.1 理論基礎

3.1.1 全站儀測量精度分析

3.1.1.1 平面度精度

測區的走向線長度為10 km，采用附合導線進行測量，最弱點在附合導線中點。使用的全站儀精度為2″，測距為（2+2D×10-6）mm。假設導線每條邊長均相等，即導線邊長l=500 m，測站數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

測區高程最弱點也在附合水準線中點，L=10 km，水準測量按四等水準要求測量，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進行測量，平面精度為（3+0.5D×10-6）mm，最弱點在離基準站距離最遠處，D=10 km，可以得到：最弱點誤差m=

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

3.1.3 分析結論

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于全站儀測量，說明了GPS-RTK測量技術在煤礦沉降觀測中的可行性。

3.2 測區概況

測區面積約20 km，以山地為主，隨著開采規模的不斷擴大與開采年限的增長，很多地區開始出現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，需要對沉降地區進行監測。采用傳統的全站儀測量方法和GPS-RTK測量方法進行觀測，對兩者的測量結果進行對比分析，在測區中選定11個觀測點，如圖2所示，其中B001和B005為已知基準點。

圖2 測區觀測點分布

3.3 平面精度分析

分別使用GPS-RTK和全站儀對測區測點進行觀測，記錄水平坐標數據，結果如表1與下頁表2所示。

從表1和表2中可以看出，兩者采集的數據是基本一致的，偏差很小。

表1 平面坐標X值對比

表2 平面坐標Y值對比

3.4 高程精度分析

沉降區高程的變化是沉降觀測的重點，同樣對高程觀測數據進行采集，對比結果如表3所示。兩者的數據也是基本一致的。

3.5 分析結論

由以上對比分析可知，GPS-RTK測量方法的觀測結果與傳統全站儀的觀測結果保持一致，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全站儀觀測進行煤礦沉降觀測。

表3 高程數值對比

4 結語

GPS-RTK測量技術與傳統測量方法相比，精度高、操作簡便、作業效率高，即便遇到障礙物失鎖也可重新捕獲衛星并在數分鐘后繼續測量，且已逐步在礦區測量中得到應用，具有良好的應用前景。