RTK计算机技术在开采区沉陷测量中的研究应用

吕丽萍

(焦作大学，河南 焦作 454000)

RTK计算机技术在开采区沉陷测量中的研究应用

吕丽萍

(焦作大学，河南 焦作454000)

针对在矿山开釆过程中引起岩层和地表的沉陷，威胁矿区地表居民的人身和财产安全等问题。本文通过总结现有RTK-CORS技术的优劣，提出了一套改进的RTK-CORS测量系统，并对传统的Kalman(卡尔曼滤波)测算方法进行改进设计，经过改进后的整套系统应用于鄂尔多斯某煤矿的实地沉陷测算试验中，通过对测量数据的误差分析以及精度评估，验证了改进的RTK-CORS系统具有较高的精确度的同时也具有较高的可靠性与稳定性，为今后准确、高效测量煤矿开采区地表沉陷提供了研究参考依据。

RTK-CORS；沉陷测量；实地测量；误差分析；精度评估

0 引 言

随着我国煤炭开采时间增加，导致矿区出现大面积的采空区，致使矿区地表沉陷现象明显，危害着周边人民的生命、财产安全以及生态环境[1]。因此对煤矿开采区的地表沉陷监测，研究地表随地下开采产生的地表移动变形规律，对未来地表移动变形进行准确的预测研究工作对于矿区地质灾害的防治、引导绿色安全的矿山生产、保护国家和人民的生命财产安全、实现人与自然的协调发展具有重要的现实意义[2]。

为此，我国在21世纪初提出针对开采区地表沉陷进行精确测量评估工作。初期的测量水平较为落后，往往会因为矿区频繁活动干扰而终止；加之地理环境的影响，仅靠测量人员进行测量，时间周期太长，且测量范围有限[3-5]。通过借鉴国外先进的测量手段，我国也采用GPS卫星定位系统、RTK技术等来参与到地表沉陷的测量工作中。截至2016年底，RTK-CORS技术的不断革新已然成为了为矿山地表沉陷的实时测量的重要手段。

所谓RTK-CORS技术，便是利用主要核心GPS卫星导航技术和测绘技术、通讯技术以及计算机技术等相结合，通过建立测量物体的三维坐标，为测量物体提供实时精确的定位。我国的GPS系统已经比较成熟，前后已经拥有了260多个参考站，并且已经在昆明、深圳等25个地点建立了基准站[6-9]。

本文借鉴传统CORS基准站的建设标准，以，提出改进升级的RTK-CORS测量系统，并将该系统应用于鄂尔多斯某煤矿的实地测量中，通过实地实验，与数据分析，验证了整套系统的可靠性。

1 传统CORS系统弊端

1.1 系统组成

传统的CORS系统包括可包含4部分，分别为基准站、通信系统、数据处理中心和用户系统，其系统组成和数据流程如图1所示。

图1 CORS系统组成与数据流程图

其中，数据处理中心是整个系统的“神经中枢”，主要完成GPS观测数据存储、处理、用户管理、综合服务等功能。基准站主要完成对卫星数据的采集也记录，以及数据的传输工作。通讯部分介于数据处理中心和用户端之间传输、用户端之间传输、以及基准站之间的传输[10]。

1.2 传统CORS系统评价

近几年，传统CORS系统得到了广泛推广与应用，通过对该系统的长时间使用与维护，本文总结了其暴露出来的一些待改进问题。

1)网络本身结构单一化，测量精度低。传统CORS系统基础结构较为完善，但应用原理过于简单，在数据处理算法优化方法的改进有待开发[11]。

2)RTK技术的网络化进程有待提高。目前CORS系统最为成熟的部分就是RTK技术，但是该项技术的应用只是在小范围内开展，通过大规模的网络化检测还未有研发。

3)基于CORS系统服务处于瓶颈阶段。目前，CORS系统的应用范围只局限于测绘、普查阶段，未来针对其他行业的软、硬件开发仍然处于初级阶段[12]。

对于糖尿病患者来说，一旦同时合并发生其他需采取手术治疗的疾病，则其在围手术期的手术风险要显著高于非糖尿病患者[1]。这主要是由于合并糖尿病的手术患者受到糖尿病疾病的影响，机体内代谢紊乱，加之机体的高血糖状态，一方面会对患者术后切口愈合产生不利影响，另一方面会导致患者围手术期病情情况变得更加复杂，影响患者的术后恢复[2]。因此，加强对合并糖尿病手术患者的手术室围手术期护理，对于稳定患者术后血糖水平，促进患者术后切口愈合，具有重要的意义。选取2017年1—12月收治患者80例进行护理，现报道如下。

4)商业化进程缓慢、标准不统一、资源在建设中浪费严重等。

2 改进RTK-CORS技术革新

2.1 改进系统组成

针对上述所提问题，本文将对系统进行升级改造，旨在提高系统精度、大规模集成以及全面提升系统的全自动控制能力[13]。

该升级系统以鄂尔多斯某煤矿一工作面地表沉陷区为试点，采用RTK-CORS技术、GIS技术、PDA技术以及计算机技术、现代测量数据处理技术、先进通讯技术等，建立的系统结构如图2所示。

图2 改进后的自动化RTK-CORS检测系统框架图

根据图2的建设框架，其中布置了1个基准站，这个基准站安装在矿区的制高点位置，用以采集卫星数据并提供检测数据与标准。9个实时观测站则安装在观测厂的合适位置，用以进行实时检。另外还设置了不定时监测站约70个。

该升级系统可分为基准站GNSS子系统、数据监控中心子系统、连续运行监测站GNSS子系统、实时数据采集终端子系统和通讯子系统等组成，以形成一种集设备监控、数据采集、数据传输、数据处理与分析、沉陷预计与预警、开采损害评价的综合监测系统[14]。

基准站GNSS选用科博第二代产品，兼容BDSGPSGLONASSGalileo，并且可以与其他传感器进行集成，可实现GNSS定位与多源信息融合。连续运行监测站子系统则采用与GNSS相同的接收机，安装于水泥浇筑柱上，用于采集地表移动变形特征点，1 s采集连续不断地采集数据。数据监控中心子系统作为“心脏”部分，由1台HP Z800 X5550服务器、1台三星显示器、1台TP-LINK路由器组成，设置在主办公楼内，其主要功能模块如图3所示。

图3 数据监控中心主要功能模块

另外，实时数据采集终端子系统可通过蓝牙功能实现与CORS中心以及服务器端进行数据通讯。

2.2 改进卡尔曼滤波测算方法

如何保证本改进系统的测量精度是关键。依照国家对矿山开采沉陷监测要求：相邻两平面点位相对中误差不大于20 mm，其中最弱点高程中误差不大于10 mm。目前，为达到该标准，已有的几种方法(三维激光扫描、测试机器人、传统RTK技术等)能够满足，但是这些手段均不能得到有效推广。

卡尔曼滤波模型可以用来对监测到的动态地表沉陷数据进行处理，利用检测到的数据估算变化的状态向量，从而实现对沉陷数据的精确计算。但是传统的卡尔曼滤波模型通常依赖动态数据的噪声特性以及数学模型特性，因此存在各种误差出现，达不到预期的数据精度，不能满足实际测量要求。

因此本文提出一种基于改进卡尔曼滤波的算法，利用实际测试数据，进行RTK-CORS方法与水准测量相对比，从而得到滤波后的精确解，测算递推过程如下。

已知的Kalman递推模型，见式(1)。

(1)

式中:Xk和Lk为测试点的位置向量；φk，k-1为从k-1到k的系统转移矩阵；Γk，k-1为噪声矩阵；Ωk-1为第k-1的噪声矩阵；Bk为观测矩阵；Δk为观测噪声；Xk为系统估计状态；Lk为系统观测向量。

根据式(1)可以推导出改进的滤波递推公式，见式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中：I为单位阵；X(k/k-1)为一步预测值；Dx(k/k-1)为一步预测方差；Jk为状态增益矩阵；Ek为预测残差。

视监测点的三维位置为观测值，并且Γk，k-1、φk，k-1、Bk均为单位矩阵，则式(3)可以推导为式(4)。

(4)

式(4)为专门用于观测站的三维位置检测的改进Kalman公式。根据方程可知，只要确定了系统的初始条件，利用监测点下一历元的三维位置观测值，即可求得具有较高精度的监测点三维位置滤波值。

3 信号接收

采用CORS技术的优点，便是在井区构建若干个固定、连续的GPS接收站，为用户提供实时地卫星定位服务。另外，为了在井下能够准确的为用户提供精确定位，在井下安装多个基准站和移动站。如图4所示，井下接收设备为双频接收机，当用户在井下工作时，身上需佩戴信号发生器，同时通过基准站和移动站的双重定位，在传输至GPS接收站，从而确定用户的精确位置。

4 实地测量实验

本文将上述RTK-CORS系统应用于鄂尔多斯某煤矿的沉陷监测中，并应用改进后Kalman算法进行计算。图5为鄂尔多斯某煤矿地表的测点布置图。该工作面的地表移动观测站由两条南北两条观测线和一条东西走向倾向观测线组成。测点编号由北向南依次排序，“M”为监测点，共设置121个控制检测点。

图4 定位原理

图5 鄂尔多斯某煤矿地表测点布置图

同时进行水准测量时，这里采用相同的测点数据分别对传统滤波测量与改进后RTK-CORS测量同时进行，并对测量结果进行对比，得到相应的对比结果。另外，在数据处理方面，均采用最小二乘法进行误差计算。根据45个测算点的精度统计可见图6所示。

图6 水准测量中两种方法误差对比

根据图6中可以看出，改进RTK-CORS滤波测量算法得到的水准最大误差为18.9 mm，最低为-0.4 mm，平均误差为2.9 mm。而未改进的滤波测量算法得到的每个点的误差均较高，最高达到92.7 mm，最低也为50.2 mm。从而可以证明改进后的RTK-CORS滤波测量算法具有更高的测算精度，并且具有较高的可靠性和稳定性。

5 总 结

本文传统的Kalman测算方法进行改进设计，经过改进后的整套系统应用于鄂尔多斯某煤矿的实地沉陷测算试验中，通过对测量数据的误差分析以及精度评估，可以得出改进后卡尔曼滤波算法可以降低检测误差，使其监测数据精度在要求范围内。同时验证了改进的RTK-CORS系统具有较高的精确度的同时也具有较高的可靠性与稳定性。

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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责任编辑宋菲

吕丽萍(1974-)，女，河南沁阳人，硕士研究生，讲师，焦作大学信息工程学院，研究方向为计算机网络。