全站儀-RTK聯(lián)合測(cè)量技術(shù)在井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

資源的開(kāi)發(fā)與利用與硐探工程密切相關(guān)，該工程的實(shí)施不僅用于勘查礦體的空間分布規(guī)律，而且是后期資源開(kāi)發(fā)與利用的主要運(yùn)輸巷道。因此，井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不僅是綜合分析礦體空間分布規(guī)律的依據(jù)，而且是編制開(kāi)采方案的主要途徑

。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，即RTK技術(shù)，是基于載波相位觀察值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠快速的獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息

。該技術(shù)具有測(cè)量精度高、效率高、自動(dòng)化程度高和成本低的優(yōu)勢(shì)，在礦山測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。全站儀即全站型電子測(cè)速儀，是一種將測(cè)角、測(cè)距和微處理機(jī)相結(jié)合的常規(guī)性測(cè)量?jī)x器

。因此，在井下復(fù)雜環(huán)境測(cè)量條件下，使用全站儀-RTK聯(lián)測(cè)測(cè)量的方式，使得二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不僅能夠提高測(cè)量效率，而且能夠獲得更高的測(cè)量精度。鑒于此，本文以某礦山的井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，分析聯(lián)合測(cè)量的應(yīng)用效果。

1 基本工作原理

1.1 RTK測(cè)量基本原理

使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量方法獲取被測(cè)目標(biāo)物三維坐標(biāo)的基本原理為：首先在基準(zhǔn)站內(nèi)安裝一臺(tái)GPS接收機(jī)和傳輸數(shù)據(jù)的電臺(tái)，前者用于連續(xù)跟蹤觀測(cè)所有可以接收到的衛(wèi)星信號(hào)，后者將接收到的衛(wèi)星信號(hào)以及基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)信息通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)送至流動(dòng)接收機(jī)

；其次流動(dòng)接收機(jī)將采集的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站的坐標(biāo)信息進(jìn)行對(duì)比，形成實(shí)時(shí)差分觀測(cè)值；最后通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，就可獲得流動(dòng)接收機(jī)在該點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的目的

。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)的動(dòng)態(tài)定位示意見(jiàn)圖1所示。

1.2 全站儀測(cè)量基本原理

本次使用的全站儀為賓得某系列全站儀，故本文以該系列的全站儀為例講述其測(cè)量基本原理。全站儀測(cè)量的基本原理可以概括為：將全站儀架設(shè)在礦區(qū)范圍內(nèi)任意一個(gè)控制點(diǎn)上，并對(duì)中整平處理后選擇測(cè)量B模式，將控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)、儀器的高

、目標(biāo)高等輸入后，設(shè)置好全站儀的工作模式后照準(zhǔn)另一控制點(diǎn)進(jìn)行定向，完成設(shè)站后照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)上的反射棱鏡，按ENTER進(jìn)行測(cè)量，就可通過(guò)全站儀中的微處理機(jī)計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。

2 聯(lián)合測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 全站儀-RTK聯(lián)合測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)

（1）具有高的測(cè)量精度，且精度分布均勻。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)可以快速的測(cè)定礦區(qū)內(nèi)任何圖根點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK在獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息時(shí)誤差為隨機(jī)產(chǎn)生，該誤差不傳播也不積累，顯著的減少了人為干預(yù)的影響

，避免了全站儀等測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生積累誤差的弊端，所獲圖根點(diǎn)的測(cè)量成果精度更可靠。

在特征關(guān)聯(lián)圖中，特征信息Fi是頂點(diǎn)的集合，Ri表示頂點(diǎn)之間關(guān)系的集合，＜fia,fib＞表示fia,fib兩個(gè)特征信息節(jié)點(diǎn)之間存在一條關(guān)系弧e，若＜fia,fib＞∈Ri則＜fib,fia＞∈Ri且 fib≠fia，謂詞p(fia,fib)定義＜fia,fib＞的意義。

（1）巷道進(jìn)尺的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不僅是獲取巷道掘進(jìn)進(jìn)度的主要依據(jù)，而且是分析巷道掘進(jìn)方向、坡度等的主要數(shù)據(jù)支撐

。傳統(tǒng)的鋼尺丈量不僅不能嚴(yán)格沿中線方向進(jìn)行丈量，而且當(dāng)導(dǎo)線點(diǎn)距離掘進(jìn)面相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，丈量的累計(jì)誤差較大。若使用全站儀測(cè)量，則可將全站儀安置在導(dǎo)線點(diǎn)上，將反射棱鏡緊靠工作面中線方向安置，就可獲得精度更高的距離，即可獲得相應(yīng)的掘進(jìn)進(jìn)尺。

“我看，這回的事，還得從一個(gè)月前孟導(dǎo)遇到老賈說(shuō)起。老賈在古錢(qián)幣這行摸爬滾打了好幾年，花樣多的數(shù)不清。他一看到孟導(dǎo)你的錢(qián)盒子和里面的古錢(qián)幣，估計(jì)心里就開(kāi)始冒壞水了?！?/p>

2.2 全站儀-RTK聯(lián)合測(cè)量缺點(diǎn)

黃石朝楊露露滿臉堆笑道：“讓你見(jiàn)笑了，小女不懂事，還請(qǐng)包涵。人死了，什么都是空的；高木的病要緊，我看這樣吧，擇日不如撞日，明天我就去把梨花的骨灰遷回來(lái)?！睏盥堵兑?jiàn)黃石這么通情達(dá)理，雙腿一軟，要朝他跪了；黃石連忙扶住她道：“高木是我的女婿，應(yīng)該的?！?/p>

①宋人對(duì)唐詩(shī)“三唐”分期之說(shuō)中北宋人楊龜山首次分唐詩(shī)為“盛唐、中唐、晚唐”(見(jiàn)〔元〕王構(gòu)《修辭鑒衡》引《龜山詩(shī)話》)?！巴硖啤睍r(shí)間上指唐末(唐季)咸通(860)以后，如計(jì)有功《唐詩(shī)紀(jì)事》，甚或等同“唐末五代”，如《蔡寬夫詩(shī)話》“晚唐詩(shī)格”條。陸游所謂的“唐末詩(shī)”時(shí)限是大中(847-859)以后。

井下巷道掘進(jìn)動(dòng)態(tài)測(cè)量主要包括巷道進(jìn)尺、巷道水平截面和巷道斷面的測(cè)量。

3 全站儀-RTK聯(lián)合測(cè)量在井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 控制點(diǎn)測(cè)量中的應(yīng)用

巷道橫斷面的測(cè)量按照沿中線每隔5m～10m的間隔在巷道的兩側(cè)標(biāo)記，并將全站儀安置在導(dǎo)線點(diǎn)上，后視相鄰導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行定向處理，在標(biāo)記點(diǎn)處安置棱鏡，測(cè)量每一個(gè)斷面的三維坐標(biāo)，即可獲得巷道的橫斷面圖以及測(cè)量數(shù)據(jù)。

由表1可知：與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，X的較差介于-0.36m～0.80m之間，Y的較差介于-0.51m～0.52m之間，Z的較差介于-0.51m～0.78m之間，均小于±10之內(nèi)，說(shuō)明使用該方法所獲坐標(biāo)的精度是較高的，能夠滿足工程測(cè)量的基本需求。

3.2 井下巷道掘進(jìn)動(dòng)態(tài)測(cè)量

（2）全站儀測(cè)量過(guò)程中受人為因素干擾較為明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①坐標(biāo)輸入錯(cuò)誤的影響；②短邊的定向誤差大，可采用長(zhǎng)邊定向消除；③同測(cè)站不同測(cè)段應(yīng)分清盤(pán)右還是盤(pán)左觀測(cè)。

（2）測(cè)量效率高。在相對(duì)較為開(kāi)闊的環(huán)境內(nèi)，使用RTK測(cè)量即可完成該區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，所使用的測(cè)量人員少，且測(cè)量速度快

；在視野相對(duì)差的區(qū)域，交替使用全站儀和RTK，可完成區(qū)域數(shù)據(jù)的一次采集。同時(shí)，使用RTK測(cè)量減少了全站儀測(cè)量倒站次數(shù)，提高了測(cè)量效率。

（2）巷道水平截面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法以支距法為主，即以導(dǎo)線點(diǎn)作為控制點(diǎn)，以導(dǎo)線邊為基準(zhǔn)線每隔5m～10m取1個(gè)點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)繪制巷道截面圖計(jì)算，該方法不僅工作量大，而且測(cè)量精度較低。若使用全站儀測(cè)量方法，則將全站儀安置在導(dǎo)線點(diǎn)上，通過(guò)后視另一導(dǎo)線點(diǎn)即可獲得巷道腰線高度特征點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而將采集的數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的制圖軟件中，就可獲得巷道的水平截面圖。

（3）巷道的斷面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括縱斷面和橫斷面測(cè)量

。其中，前者可將全站儀架設(shè)在導(dǎo)線點(diǎn)上，將棱鏡置于巷道的中線上，按照每隔5m的間距測(cè)量位于中線上的底板和頂板（圖2），再將獲取的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入至相應(yīng)的制圖軟件中，就可獲得實(shí)測(cè)的斷面圖。若需要計(jì)算施工精度，則將實(shí)測(cè)后的縱斷面圖與設(shè)計(jì)縱斷面圖進(jìn)行對(duì)比，就可獲得相應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)。

概念圖是一種很好的厘清概念的工具，它能以整體的、簡(jiǎn)練的方式來(lái)呈現(xiàn)、組織概念。它可以再現(xiàn)學(xué)科的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生將新知識(shí)建構(gòu)到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中。通過(guò)以上的教學(xué)，教師或者學(xué)生可以建構(gòu)出有關(guān)基因控制蛋白質(zhì)合成的概念圖(圖8)，這樣可以促使學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)重組后概念生成的意義。

由于礦山井下測(cè)量具有分散、測(cè)量環(huán)境復(fù)雜等特征。測(cè)量分散主要表現(xiàn)在不同的平硐巷道工程分布在不同的區(qū)域，需要不同的測(cè)量控制點(diǎn)。測(cè)量環(huán)境復(fù)雜主要體現(xiàn)在巷道空間小，衛(wèi)星信號(hào)差，RTK無(wú)法獲取相應(yīng)的信號(hào)

。因此，采用RTK-全站儀聯(lián)合測(cè)量方式能夠顯著的提高測(cè)量效率和測(cè)量精度，即在具體測(cè)量過(guò)程中控制點(diǎn)的測(cè)量使用RTK測(cè)量，而巷道內(nèi)的測(cè)量則使用全站儀測(cè)量完成。本文根據(jù)礦山已有的控制點(diǎn)坐標(biāo)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)與全站儀測(cè)量進(jìn)行精度對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

（1）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)在進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中容易受到外界無(wú)線電信號(hào)以及多路徑效應(yīng)的影響，與靜態(tài)GPS測(cè)量相比，該技術(shù)方法相對(duì)容易出錯(cuò)。但是，該缺陷可以通過(guò)以下集中方法解決：①在使用RTK測(cè)量之前與已知點(diǎn)進(jìn)行校核，直至坐標(biāo)無(wú)誤后再進(jìn)行測(cè)量作業(yè)；②重測(cè)比較，即每次完成RTK校核后重新測(cè)量2個(gè)已經(jīng)測(cè)量過(guò)的RTK點(diǎn)，確認(rèn)先后三維坐標(biāo)信息無(wú)誤后再進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量工作。

3.3 井下采空區(qū)動(dòng)態(tài)測(cè)量

資源的開(kāi)發(fā)與利用一直是礦山井下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量關(guān)注的重要內(nèi)容，也是分析井下生產(chǎn)環(huán)境是否安全的主要依據(jù)之一。因此，井下采空區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的井下采空區(qū)測(cè)量方法以極坐標(biāo)法為主，集從運(yùn)輸巷道的測(cè)量點(diǎn)開(kāi)始，借助羅盤(pán)以及皮尺等方式測(cè)量掘進(jìn)的方、坡角以及距離等，逐步從天井位置向采空區(qū)各個(gè)方向延伸，再根據(jù)基礎(chǔ)導(dǎo)線測(cè)量等計(jì)算出相應(yīng)采空區(qū)的位置、大小等。該種測(cè)量方法要求測(cè)量人員必須在測(cè)量過(guò)程中圍繞采空區(qū)走一遍，且不能有較大的偏差，否則所獲測(cè)量精度明顯降低。

式中:ω為轉(zhuǎn)角速度;vk為具有零均值高斯白噪聲的過(guò)程噪聲,其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為σva=1.6 mm/s2σvω=0.2 rad·s-2.

同時(shí)，由于采空區(qū)頂?shù)装鍘r石以及采空區(qū)內(nèi)的礦石高度不一致，導(dǎo)致測(cè)量人員在測(cè)量過(guò)程中存在不安全的因素較多。總體上，傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有精度低、效率低和不安全性高的特點(diǎn)。

將全站儀測(cè)量方法應(yīng)用于井下采空區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量中，可以利用測(cè)量室內(nèi)發(fā)出的紅外線光束，形成一個(gè)個(gè)小的斑點(diǎn)，再對(duì)各個(gè)斑點(diǎn)進(jìn)行瞄準(zhǔn)測(cè)量，進(jìn)而獲取斑點(diǎn)處的三維坐標(biāo)信息。井下運(yùn)輸巷道內(nèi)，通過(guò)RTK方法獲取天井口控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將全站儀置于該點(diǎn)上，利用全站儀進(jìn)行瞄準(zhǔn)，找到控制點(diǎn)進(jìn)行定向測(cè)量。

按照上述方法，就可獲得井下采空區(qū)的形態(tài)、大小等信息。與傳統(tǒng)的極坐標(biāo)法測(cè)量相比，具有效率高、精度高和安全性高的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將全站儀測(cè)量技術(shù)與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，不僅減少了測(cè)量外業(yè)工作量，獲取的測(cè)量精度高，而且降低了測(cè)繪成本，提高了測(cè)量效率，降低了測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)本文實(shí)例表明，該方法組合在礦山井下測(cè)量中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以推廣使用該方法。

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