CORS 系统下GPS 测绘技术在煤矿地表沉降中的应用分析

范天水

（晋能控股煤业集团白洞矿业公司地质测量部，山西 大同 037001）

0 引言

我国具有大量的地下煤矿，在煤矿开采过程中，随着煤炭的采出，矿井区域的地表沉降成为影响开采区域地质生态的重要因素[1]，地表沉降过大易对矿区的生态造成破坏，对矿区的安全生产造成影响，且地质沉降具有不可逆性，因此对矿区的地表沉降进行有效的监测是保证煤矿友好型开采的重要依据[2]，可提高煤矿开采的持续性。CORS 系统是基于GPS 技术发展进行空间测量及数据处理的方法[3]，进行空间测量时具有精度高、可靠性高、自动化程度高的特点，可应用于煤矿的地表沉降测量中，从而提高测量的精度，且采用GPS 定位技术可较大程度地减小观测周期，提高测绘效率[4]，从而实现对矿区生态环境的保护，提高煤矿的环保性，有利于社会的可持续发展。

1 利用CORS 系统进行地表沉降测量方案

CORS 系统通过GPS 卫星将测量范围定位在一定的区域内，依据地表沉降测量需求建立连续运行的参考站，GPS 通过计算机、数据通讯将参考站及数据中心组成相应的通讯网络[5]，依照给定的采样频率进行周期性的采样观测，并将数据通过网络传输至数据中心进行解算，通过具有GPS 功能的接收机进行GPS数据的接收、修改及定位导航等[6]，从而实现对煤矿地表沉降的测量。

利用CORS 系统进行煤矿地表沉降测量时包括4 个基础部分，即数据中心、参考站系统、数据通讯及用户系统，各系统之间相互连通，形成分布式控制的局域网。数据中心为系统的稳定安全运行及定位服务提供保障[7]，参考站系统采集GPS 卫星观测的数据信息，通过网络传输至数据中心，提供监测服务，数据通讯系统对各基站的数据进行用户的播发，终端的用户系统接收GPS 卫星的数据并通过接收机进行数据的存储，实现对数据的观测。COPS 系统的框架结构如图1 所示。

图1 CORS 系统结构框架图

针对某煤矿矿区的地表沉降情况进行CORS 系统的建设，布置有12 个运行的参考站，参考站之间的距离约为20～40 km，系统采用NetRS 接收机，通过VRS 技术进行动态网络的RTK 定位。采用VRS（虚拟基站技术）进行网络RTK 的差分解算[8]，VRS 是应用最广的数据解算方法，通过在地面布置多个GPS 参考站组成网络，依据采集的数据建立误差模型，从而消除误差，提高测量的精度。

进行地表沉降测绘VRS 解算时，流动站发出服务请求，并将自身的位置发送给数据中心，数据中心通过各参考站的误差生成该区域内沉降数据误差模型，并估算相应的残余误差，通过无线通讯系统传输给流动站的用户[9]，流动站利用虚拟的观测值，并结合自身的测量数据对坐标进行精确解算，从而得到精确的测绘值，VRS 解算的工作原理如图2 所示。通过VRS 进行地表沉降数据测绘的解算具有较高的稳定性及解算精度，对数据的负荷较小，可以提高测绘的效率及精度。

图2 VRS 数据解算的流程示意图

2 利用CORS 系统进行地表沉降测量应用

采用CORS 系统进行矿区的地表沉降测量，可对矿区的地表沉降进行有效的防治，提高煤矿开采的安全性及实现生态保护。CORS 系统基准站的数据处理主要包括基线的解算及平差的计算，再根据计算的结果提取各监测周期内GPS 的大地高数据[10]，而后将不同监测周期内的大地高进行对比求差，即可得到地面的沉降数据。

2.1 利用GPS 进行地表沉降监测的布置

根据GPS 监测的精度及地表沉降量情况，当年沉降量大于30 mm 时，设定观测的时间为8 h，年沉降量小于30 mm 时，观测的时间为23.5 h，且将CORS监测系统网均匀地布置在矿井区域内，以覆盖矿区的沉降变化区，对各站点进行统一的部署，保证作业规范，点位的稳定性可靠，且具有较好的观测条件。

系统的接收机采用Trim 5700 双频型接收机，接收精度为5 mm，采用静态测量的模式进行沉降观测。针对户外GPS 数据的采集，在每个站点安排1 人进行设备的保护与电池的维护[11]，以保证测量作业的持续性，每组内安排3 人进行数据处理作业。GPS 的户外监测分4 个批次进行，每批次对8 个站点进行监测，连续监测48 h，设定采样的频率为30 s，保证各站点间数据构成同步的环形观测。

2.2 利用GPS 进行地表沉降监测的数据处理

通过GAMIT 软件对煤矿沉降监测采集的数据进行后处理，每期数据根据周边的6 个IGS 站点同步观测的数据进行计算，GAMIT 软件是应用广泛的GPS数据分析处理的软件包，具有较高的计算精度，采用GAMIT 软件进行数据的基线解算[12]，基线计算精度为±5 mm。对GPS 平差进行计算后即可得到监测周期内GPS 的大地高数值，为进一步提高测量的精度，还要考虑GPS 的基准误差与系统误差的影响。

为消除GPS 监测数据的系统误差，在平差模型中引入附加参数，以减小各期监测的差异值，并采用抗差计算减小粗差的影响，经过处理后，得到的平差结果包含高精度的地面三维信息，从而提取地面的沉降量，为比较GPS 测量结果的准确性，将其与矿区内的水准参数进行对比，得到如图3 所示的沉降趋势图。

图3 GPS 数据与水准沉降量的变化趋势

从图3 中可以看出，采用GPS 监测的煤矿沉降变化与水准测得的正常变化的一致性较高，反映了矿区内的地表沉降变化具有较好的吻合性，同时可以看到矿区内的地表沉降最大值为69 mm，其他位置的沉降值均较低，矿区内的地表沉降符合要求，满足煤矿的安全生产需求。

进一步对GPS 测定的数据与水准值的一致性程度进行分析，将大地高的变化需求差值进行对比，得到如图4 所示的比较差值。从图4 中可以看出，在一个观测周期内GPS 测得的数据与水准值比较，误差在5 mm 之内的占比为69.4%，误差在5～8 mm 的占比为16.8%，最大差值为10.4 mm。通过分析可知，由GPS 监测的数值具有较高的精度，与水准值的变形量基本保持一致，因此采用GPS 对矿区的地表沉降进行测量精确可靠。

图4 GPS 观测值与水准值的比较差

3 结语

采用CORS 系统进行煤矿的地表沉降监测对矿区的生态保护具有重要的意义，并为煤矿的安全开采提供了保障。CORS 系统通过GPS 数据进行矿区地表沉降的测量，制定了矿区的测量方案及GPS 观测点布置方式，在一个测量周期内对GPS 数据进行多次测量，并进行数据基线及平差的计算，以消除系统误差，得到矿区的地表沉降值。经过分析可知，矿区的地表沉降值较小，且与水准值相比可知，GPS 测量值准确可靠，与水准值具有较高的一致性，可以将GPS 测绘技术应用于矿区的地表沉降测量过程中。