RTK計(jì)算機(jī)技術(shù)在開采區(qū)沉陷測量中的研究應(yīng)用

呂麗萍

(焦作大學(xué)，河南 焦作 454000)

RTK計(jì)算機(jī)技術(shù)在開采區(qū)沉陷測量中的研究應(yīng)用

呂麗萍

(焦作大學(xué)，河南 焦作454000)

針對在礦山開釆過程中引起巖層和地表的沉陷，威脅礦區(qū)地表居民的人身和財產(chǎn)安全等問題。本文通過總結(jié)現(xiàn)有RTK-CORS技術(shù)的優(yōu)劣，提出了一套改進(jìn)的RTK-CORS測量系統(tǒng)，并對傳統(tǒng)的Kalman(卡爾曼濾波)測算方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過改進(jìn)后的整套系統(tǒng)應(yīng)用于鄂爾多斯某煤礦的實(shí)地沉陷測算試驗(yàn)中，通過對測量數(shù)據(jù)的誤差分析以及精度評估，驗(yàn)證了改進(jìn)的RTK-CORS系統(tǒng)具有較高的精確度的同時也具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，為今后準(zhǔn)確、高效測量煤礦開采區(qū)地表沉陷提供了研究參考依據(jù)。

RTK-CORS；沉陷測量；實(shí)地測量；誤差分析；精度評估

0 引 言

隨著我國煤炭開采時間增加，導(dǎo)致礦區(qū)出現(xiàn)大面積的采空區(qū)，致使礦區(qū)地表沉陷現(xiàn)象明顯，危害著周邊人民的生命、財產(chǎn)安全以及生態(tài)環(huán)境[1]。因此對煤礦開采區(qū)的地表沉陷監(jiān)測，研究地表隨地下開采產(chǎn)生的地表移動變形規(guī)律，對未來地表移動變形進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測研究工作對于礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防治、引導(dǎo)綠色安全的礦山生產(chǎn)、保護(hù)國家和人民的生命財產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

為此，我國在21世紀(jì)初提出針對開采區(qū)地表沉陷進(jìn)行精確測量評估工作。初期的測量水平較為落后，往往會因?yàn)榈V區(qū)頻繁活動干擾而終止；加之地理環(huán)境的影響，僅靠測量人員進(jìn)行測量，時間周期太長，且測量范圍有限[3-5]。通過借鑒國外先進(jìn)的測量手段，我國也采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、RTK技術(shù)等來參與到地表沉陷的測量工作中。截至2016年底，RTK-CORS技術(shù)的不斷革新已然成為了為礦山地表沉陷的實(shí)時測量的重要手段。

所謂RTK-CORS技術(shù)，便是利用主要核心GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和測繪技術(shù)、通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合，通過建立測量物體的三維坐標(biāo)，為測量物體提供實(shí)時精確的定位。我國的GPS系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，前后已經(jīng)擁有了260多個參考站，并且已經(jīng)在昆明、深圳等25個地點(diǎn)建立了基準(zhǔn)站[6-9]。

本文借鑒傳統(tǒng)CORS基準(zhǔn)站的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以，提出改進(jìn)升級的RTK-CORS測量系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于鄂爾多斯某煤礦的實(shí)地測量中，通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)，與數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的可靠性。

1 傳統(tǒng)CORS系統(tǒng)弊端

1.1 系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的CORS系統(tǒng)包括可包含4部分，分別為基準(zhǔn)站、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心和用戶系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成和數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 CORS系統(tǒng)組成與數(shù)據(jù)流程圖

其中，數(shù)據(jù)處理中心是整個系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，主要完成GPS觀測數(shù)據(jù)存儲、處理、用戶管理、綜合服務(wù)等功能?；鶞?zhǔn)站主要完成對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集也記錄，以及數(shù)據(jù)的傳輸工作。通訊部分介于數(shù)據(jù)處理中心和用戶端之間傳輸、用戶端之間傳輸、以及基準(zhǔn)站之間的傳輸[10]。

1.2 傳統(tǒng)CORS系統(tǒng)評價

近幾年，傳統(tǒng)CORS系統(tǒng)得到了廣泛推廣與應(yīng)用，通過對該系統(tǒng)的長時間使用與維護(hù)，本文總結(jié)了其暴露出來的一些待改進(jìn)問題。

1)網(wǎng)絡(luò)本身結(jié)構(gòu)單一化，測量精度低。傳統(tǒng)CORS系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較為完善，但應(yīng)用原理過于簡單，在數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化方法的改進(jìn)有待開發(fā)[11]。

2)RTK技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程有待提高。目前CORS系統(tǒng)最為成熟的部分就是RTK技術(shù)，但是該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用只是在小范圍內(nèi)開展，通過大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化檢測還未有研發(fā)。

3)基于CORS系統(tǒng)服務(wù)處于瓶頸階段。目前，CORS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍只局限于測繪、普查階段，未來針對其他行業(yè)的軟、硬件開發(fā)仍然處于初級階段[12]。

對于糖尿病患者來說，一旦同時合并發(fā)生其他需采取手術(shù)治療的疾病，則其在圍手術(shù)期的手術(shù)風(fēng)險要顯著高于非糖尿病患者[1]。這主要是由于合并糖尿病的手術(shù)患者受到糖尿病疾病的影響，機(jī)體內(nèi)代謝紊亂，加之機(jī)體的高血糖狀態(tài)，一方面會對患者術(shù)后切口愈合產(chǎn)生不利影響，另一方面會導(dǎo)致患者圍手術(shù)期病情情況變得更加復(fù)雜，影響患者的術(shù)后恢復(fù)[2]。因此，加強(qiáng)對合并糖尿病手術(shù)患者的手術(shù)室圍手術(shù)期護(hù)理，對于穩(wěn)定患者術(shù)后血糖水平，促進(jìn)患者術(shù)后切口愈合，具有重要的意義。選取2017年1—12月收治患者80例進(jìn)行護(hù)理，現(xiàn)報道如下。

4)商業(yè)化進(jìn)程緩慢、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、資源在建設(shè)中浪費(fèi)嚴(yán)重等。

2 改進(jìn)RTK-CORS技術(shù)革新

2.1 改進(jìn)系統(tǒng)組成

針對上述所提問題，本文將對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，旨在提高系統(tǒng)精度、大規(guī)模集成以及全面提升系統(tǒng)的全自動控制能力[13]。

該升級系統(tǒng)以鄂爾多斯某煤礦一工作面地表沉陷區(qū)為試點(diǎn)，采用RTK-CORS技術(shù)、GIS技術(shù)、PDA技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、先進(jìn)通訊技術(shù)等，建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的自動化RTK-CORS檢測系統(tǒng)框架圖

根據(jù)圖2的建設(shè)框架，其中布置了1個基準(zhǔn)站，這個基準(zhǔn)站安裝在礦區(qū)的制高點(diǎn)位置，用以采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)并提供檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)。9個實(shí)時觀測站則安裝在觀測廠的合適位置，用以進(jìn)行實(shí)時檢。另外還設(shè)置了不定時監(jiān)測站約70個。

該升級系統(tǒng)可分為基準(zhǔn)站GNSS子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)、連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測站GNSS子系統(tǒng)、實(shí)時數(shù)據(jù)采集終端子系統(tǒng)和通訊子系統(tǒng)等組成，以形成一種集設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、沉陷預(yù)計(jì)與預(yù)警、開采損害評價的綜合監(jiān)測系統(tǒng)[14]。

基準(zhǔn)站GNSS選用科博第二代產(chǎn)品，兼容BDSGPSGLONASSGalileo，并且可以與其他傳感器進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)GNSS定位與多源信息融合。連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測站子系統(tǒng)則采用與GNSS相同的接收機(jī)，安裝于水泥澆筑柱上，用于采集地表移動變形特征點(diǎn)，1 s采集連續(xù)不斷地采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心子系統(tǒng)作為“心臟”部分，由1臺HP Z800 X5550服務(wù)器、1臺三星顯示器、1臺TP-LINK路由器組成，設(shè)置在主辦公樓內(nèi)，其主要功能模塊如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要功能模塊

另外，實(shí)時數(shù)據(jù)采集終端子系統(tǒng)可通過藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)與CORS中心以及服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

2.2 改進(jìn)卡爾曼濾波測算方法

如何保證本改進(jìn)系統(tǒng)的測量精度是關(guān)鍵。依照國家對礦山開采沉陷監(jiān)測要求：相鄰兩平面點(diǎn)位相對中誤差不大于20 mm，其中最弱點(diǎn)高程中誤差不大于10 mm。目前，為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，已有的幾種方法(三維激光掃描、測試機(jī)器人、傳統(tǒng)RTK技術(shù)等)能夠滿足，但是這些手段均不能得到有效推廣。

卡爾曼濾波模型可以用來對監(jiān)測到的動態(tài)地表沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用檢測到的數(shù)據(jù)估算變化的狀態(tài)向量，從而實(shí)現(xiàn)對沉陷數(shù)據(jù)的精確計(jì)算。但是傳統(tǒng)的卡爾曼濾波模型通常依賴動態(tài)數(shù)據(jù)的噪聲特性以及數(shù)學(xué)模型特性，因此存在各種誤差出現(xiàn)，達(dá)不到預(yù)期的數(shù)據(jù)精度，不能滿足實(shí)際測量要求。

因此本文提出一種基于改進(jìn)卡爾曼濾波的算法，利用實(shí)際測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行RTK-CORS方法與水準(zhǔn)測量相對比，從而得到濾波后的精確解，測算遞推過程如下。

已知的Kalman遞推模型，見式(1)。

(1)

式中:Xk和Lk為測試點(diǎn)的位置向量；φk，k-1為從k-1到k的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣；Γk，k-1為噪聲矩陣；Ωk-1為第k-1的噪聲矩陣；Bk為觀測矩陣；Δk為觀測噪聲；Xk為系統(tǒng)估計(jì)狀態(tài)；Lk為系統(tǒng)觀測向量。

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出改進(jìn)的濾波遞推公式，見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中：I為單位陣；X(k/k-1)為一步預(yù)測值；Dx(k/k-1)為一步預(yù)測方差；Jk為狀態(tài)增益矩陣；Ek為預(yù)測殘差。

視監(jiān)測點(diǎn)的三維位置為觀測值，并且Γk，k-1、φk，k-1、Bk均為單位矩陣，則式(3)可以推導(dǎo)為式(4)。

(4)

式(4)為專門用于觀測站的三維位置檢測的改進(jìn)Kalman公式。根據(jù)方程可知，只要確定了系統(tǒng)的初始條件，利用監(jiān)測點(diǎn)下一歷元的三維位置觀測值，即可求得具有較高精度的監(jiān)測點(diǎn)三維位置濾波值。

3 信號接收

采用CORS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，便是在井區(qū)構(gòu)建若干個固定、連續(xù)的GPS接收站，為用戶提供實(shí)時地衛(wèi)星定位服務(wù)。另外，為了在井下能夠準(zhǔn)確的為用戶提供精確定位，在井下安裝多個基準(zhǔn)站和移動站。如圖4所示，井下接收設(shè)備為雙頻接收機(jī)，當(dāng)用戶在井下工作時，身上需佩戴信號發(fā)生器，同時通過基準(zhǔn)站和移動站的雙重定位，在傳輸至GPS接收站，從而確定用戶的精確位置。

4 實(shí)地測量實(shí)驗(yàn)

本文將上述RTK-CORS系統(tǒng)應(yīng)用于鄂爾多斯某煤礦的沉陷監(jiān)測中，并應(yīng)用改進(jìn)后Kalman算法進(jìn)行計(jì)算。圖5為鄂爾多斯某煤礦地表的測點(diǎn)布置圖。該工作面的地表移動觀測站由兩條南北兩條觀測線和一條東西走向傾向觀測線組成。測點(diǎn)編號由北向南依次排序，“M”為監(jiān)測點(diǎn)，共設(shè)置121個控制檢測點(diǎn)。

圖4 定位原理

圖5 鄂爾多斯某煤礦地表測點(diǎn)布置圖

同時進(jìn)行水準(zhǔn)測量時，這里采用相同的測點(diǎn)數(shù)據(jù)分別對傳統(tǒng)濾波測量與改進(jìn)后RTK-CORS測量同時進(jìn)行，并對測量結(jié)果進(jìn)行對比，得到相應(yīng)的對比結(jié)果。另外，在數(shù)據(jù)處理方面，均采用最小二乘法進(jìn)行誤差計(jì)算。根據(jù)45個測算點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)可見圖6所示。

圖6 水準(zhǔn)測量中兩種方法誤差對比

根據(jù)圖6中可以看出，改進(jìn)RTK-CORS濾波測量算法得到的水準(zhǔn)最大誤差為18.9 mm，最低為-0.4 mm，平均誤差為2.9 mm。而未改進(jìn)的濾波測量算法得到的每個點(diǎn)的誤差均較高，最高達(dá)到92.7 mm，最低也為50.2 mm。從而可以證明改進(jìn)后的RTK-CORS濾波測量算法具有更高的測算精度，并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

5 總 結(jié)

本文傳統(tǒng)的Kalman測算方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過改進(jìn)后的整套系統(tǒng)應(yīng)用于鄂爾多斯某煤礦的實(shí)地沉陷測算試驗(yàn)中，通過對測量數(shù)據(jù)的誤差分析以及精度評估，可以得出改進(jìn)后卡爾曼濾波算法可以降低檢測誤差，使其監(jiān)測數(shù)據(jù)精度在要求范圍內(nèi)。同時驗(yàn)證了改進(jìn)的RTK-CORS系統(tǒng)具有較高的精確度的同時也具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。

[1] 胡青松，張申，吳立新，等.礦井動目標(biāo)定位：挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀與趨勢[J].煤炭學(xué)報，2016，41(5)：1059-1068.

[2] 周恒心.談?wù)勅绾味沤^礦井測量事故[J].科技視界，2016(20)：258-258.

[3] 李爭光.礦山測量常見問題及應(yīng)對措施探討[J].工程技術(shù)：文摘版，2016(3)：257-257.

[4] Zhou X D，Zhao H L，Li B，et al.Opportunity，challenge and countermeasure of digital mining area and mine surveying[R].Journal of China Coal Society，2002.

[5] 裴斌.煤礦測量中測繪新技術(shù)的應(yīng)用探究[J].中國科技博覽，2014(10)：257-257.

[6] 王洪濤.礦山測量常見問題及應(yīng)對措施探討[J].城市建設(shè)理論研究，2015,5(26):98-101.

[7] Zhang E L.Application and development of new technology of Surveying and mapping in Mine Surveying[J].World Nonferrous Metals，2016(9):112-118.

[8] 杜子飛.礦井地質(zhì)測量空間信息系統(tǒng)探究[J].能源與節(jié)能，2016(9)：54-55.

[9] Zhao A M.Analyses the New Technology of Surveying and Mapping in the Application of Mine Survey[J].Career Horizon，2014，633-634(6)：1104-1110.

[10] Zhang C.Analysis of the new technology of surveying and mapping in the application of the mining area of land and resources management[R].World Nonferrous Metals，2016.

[11] 姚衛(wèi)超.基于測繪新技術(shù)的發(fā)展及其在礦山測量中的應(yīng)用研究[J].硅谷，2013(15)：184-184.

[12] 尚洪俊.CORS系統(tǒng)的構(gòu)建及其在礦山測量中的應(yīng)用[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2014.

[13] 余金富.CORS-RTK技術(shù)在礦山測量中的運(yùn)用[J].測繪技術(shù)裝備，2016(2)：82-85.

[14] 高志利，周曉威.CORS系統(tǒng)在現(xiàn)代煤礦中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016(17)：172.

ResearchandapplicationofRTKcomputertechnologyinminingareasubsidencesurvey

LYU Liping

(Jiaozuo University，Jiaozuo 454000，China)

For the mining process in the mining caused by rock and surface subsidence，threatening the surface of the mine residents and property safety issues.In this paper，an improved RTK-CORS measurement system is proposed by summarizing the advantages and disadvantages of the existing RTK-CORS technology，and the traditional Kalman method is designed.The improved whole system is applied to the field subsidence of a coal mine in Ordos In the experiment，through the error analysis and accuracy evaluation of the measured data，it is verified that the improved RTK-CORS system has high accuracy and high reliability and stability，and it is accurate and efficient for the future.Regional surface subsidence provides a reference for research.

RTK-CORS；subsidence measurement；field measurement；error analysis；accuracy evaluation

TD327

A

1004-4051(2017)10-0127-04

2017-02-10責(zé)任編輯宋菲

呂麗萍(1974-)，女，河南沁陽人，碩士研究生，講師，焦作大學(xué)信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。