易天陽(yáng)，蘇 琴

(四川省地震局測(cè)繪工程院， 四川 雅安 625000)

高精度智能測(cè)量機(jī)器人跨斷層位移測(cè)量

易天陽(yáng)，蘇 琴

(四川省地震局測(cè)繪工程院， 四川 雅安 625000)

隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，GPS、光電測(cè)距和水準(zhǔn)測(cè)量已成為目前跨斷層位移測(cè)量的主要觀測(cè)手段。針對(duì)傳統(tǒng)因瓦基線尺進(jìn)行跨斷層場(chǎng)地基線長(zhǎng)度的獲取所存在的問(wèn)題，探討了利用高精度智能型測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行基線長(zhǎng)度相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，并通過(guò)多期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高精度智能測(cè)量機(jī)器人跨斷層位移測(cè)量替代常規(guī)基線尺獲取基線長(zhǎng)度的可行性。

跨斷層；基線；全站儀；自由設(shè)站；EDM

經(jīng)過(guò)我國(guó)地震科學(xué)工作者40余年的努力，跨斷層形變監(jiān)測(cè)已發(fā)展成為一種具有自己特色的當(dāng)今地殼運(yùn)動(dòng)和地震前兆觀測(cè)和研究手段[1]。地震科研工作者們也在不斷探索斷層形變水平位移的測(cè)量方法以及探討新舊方法替代后如何對(duì)已有資料的延續(xù)利用。

高精度智能測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)無(wú)疑對(duì)常規(guī)基線尺測(cè)距提出了挑戰(zhàn)，采用常規(guī)基線尺測(cè)量斷層端點(diǎn)間的距離這種方法落后已面臨淘汰，就常規(guī)基線尺測(cè)量而言，雖然測(cè)量精度高，但存在測(cè)量距離短、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員需求多、操作難度大、受場(chǎng)地環(huán)境制約等影響；而采用高精度智能測(cè)量機(jī)器人測(cè)量可以很大程度地解決上述所提出問(wèn)題的影響，需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是現(xiàn)有場(chǎng)地跨斷層端點(diǎn)間不能通視情況下的距離如何獲?。?jī)x器與棱鏡的重復(fù)安置精度？單次測(cè)量精度是否可靠？距離復(fù)測(cè)較差是否能夠達(dá)到如基線尺所能達(dá)到的距離復(fù)測(cè)較差以真實(shí)體現(xiàn)斷層的活動(dòng)變化？以及與多年來(lái)采用基線尺所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效銜接。

1 常規(guī)基線測(cè)量

常規(guī)基線測(cè)量方法是在場(chǎng)地上建立24 m整數(shù)倍的觀測(cè)墩，約24 m間距的過(guò)渡觀測(cè)墩(沒(méi)有過(guò)渡觀測(cè)墩的需在測(cè)線上進(jìn)行配置約24 m間距的過(guò)渡觀測(cè)架)，然后采用24 m ± 3 cm的線狀因瓦基線尺進(jìn)行觀測(cè)墩間的長(zhǎng)度測(cè)量，并采用水準(zhǔn)觀測(cè)獲取墩間高差以進(jìn)行傾斜改正，測(cè)量過(guò)程中需要扶尺架、引張鋼絲、軸桿頭、讀數(shù)器、尺環(huán)、重錘(10 kg)、水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)標(biāo)尺等輔助設(shè)備以及2名扶架員、至少2名提重錘和測(cè)尺過(guò)渡員、2位讀數(shù)員以及1名記錄員，規(guī)范要求基線組人員一般配備8～10人，其中熟練技術(shù)人員不少于4人[2]。

該種方法進(jìn)行基線長(zhǎng)度測(cè)量精度高，受環(huán)境溫度和氣壓的影響小，但是該方法存在場(chǎng)地交換尺時(shí)很受場(chǎng)地的限制、操作難度大，作業(yè)人員需求多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且場(chǎng)地跨公路的情況，在安全隱患。

2 高精度智能全站儀測(cè)量

觀測(cè)現(xiàn)有場(chǎng)地是以保證能夠?qū)σ延匈Y料延續(xù)利用為前提，然而現(xiàn)有觀測(cè)墩之間并不一定相互通視，而且現(xiàn)有觀測(cè)墩的歸心裝置也不方便全站儀的重復(fù)安置，因此采用全站儀架設(shè)測(cè)線上的自由設(shè)站法，通過(guò)測(cè)角(水平角、垂直角)、測(cè)距間接獲取端點(diǎn)間的平距。

2.1 智能測(cè)量機(jī)器人概念及其構(gòu)成

智能測(cè)量機(jī)器人又稱自動(dòng)全站儀，是一種集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)、自動(dòng)測(cè)角與測(cè)距、自動(dòng)目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)記錄于一體的測(cè)量平臺(tái)[3]。智能測(cè)量機(jī)器人的構(gòu)成包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件包括一般全站儀所具備的照準(zhǔn)部、棱鏡、基座以及智能測(cè)量所具有的驅(qū)動(dòng)馬達(dá);軟件包括儀器轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的指令集，如：學(xué)習(xí)、記憶功能，按指定的角度進(jìn)行儀器旋轉(zhuǎn)和仰視或俯視，按指定的測(cè)回?cái)?shù)自動(dòng)正鏡、倒鏡，目標(biāo)跟蹤，精確照準(zhǔn)和測(cè)量觸發(fā)，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)記錄，以及實(shí)時(shí)判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否滿足規(guī)范允許的限差等指令。

表1 儀器配置

附件：規(guī)格一致的多個(gè)棱鏡連接件、儀器固定配件、測(cè)傘、控制手簿、數(shù)據(jù)線。

2.2 儀器配置及自由設(shè)站觀測(cè)方法

自由設(shè)站方法是將儀器架設(shè)在觀測(cè)點(diǎn)附近觀測(cè)兩個(gè)以上的目標(biāo)點(diǎn)，基于實(shí)驗(yàn)配置了規(guī)格一致的棱鏡連接件，觀測(cè)時(shí)不必考慮目標(biāo)點(diǎn)整平及目標(biāo)、儀器高度的量取，只需將儀器固定連接后進(jìn)行整平安置和輸入觀測(cè)時(shí)的氣象信息(由于跨斷層場(chǎng)地每一條測(cè)量邊距離較短(50～300 m)，作業(yè)時(shí)間短，因此開(kāi)測(cè)前和開(kāi)測(cè)后不必考慮鏡站、儀器站單獨(dú)讀取溫度和氣壓)在儀器內(nèi)部進(jìn)行氣象修正，間接獲取距離為鏡面中心點(diǎn)間的水平距離。自由設(shè)站法如圖1所示。

圖1 自由設(shè)站示意圖

2.3 測(cè)邊計(jì)算原理

根據(jù)測(cè)站O點(diǎn)與鏡站A、B點(diǎn)的斜距AO(S1)、BO(S2)，垂直角∠AOA′(α1)、∠BOB′(α2)，水平夾角∠Α′ΟΒ′=β(∠Α′ΟΒ′=∠AOB)的幾何關(guān)系，可以求算端點(diǎn)間的平距A′B′(D)。測(cè)量幾何關(guān)系如圖2所示。

因此有：(1)A′O=AO×Cos(∠AOA′)= S1×Cosα1

(2)B′O=BO×Cos(∠BOB′)= S2×Cosα2

(1)

圖2 測(cè)量幾何關(guān)系

測(cè)量中需顧及氣象條件的影響，對(duì)于高精度智能型全站儀，在儀器內(nèi)部能夠進(jìn)行溫度、氣壓的輸入，測(cè)量中儀器能夠根據(jù)輸入的溫度、氣壓值進(jìn)行測(cè)距的氣象改正。

2.4 線上自由站法間接測(cè)邊的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算

根據(jù)誤差傳播定律[4-5]，對(duì)公式(1)全微分，可得水平距離D的中誤差mD(推導(dǎo)從略)。即：

(2)

式中mS1、mS2、ma1、ma1和mβ分別是a1、a2、S1、S2和β的中誤差，ρ=206265″，ma1=ma1=ma。

依據(jù)跨斷層測(cè)量規(guī)范要求場(chǎng)地地勢(shì)比較平坦，以目前四川省地震局所管理的8個(gè)跨斷層基線場(chǎng)地為例，端點(diǎn)間坡度情況如表2所示。

表2 場(chǎng)地坡度情況

續(xù)表2

場(chǎng)地名稱折多塘龍燈壩老乾寧湯家坪測(cè)邊名B—DA—DA—CB—AG3—*G3—G1G5—G3C—AB—A水平距離(mm)719497190648031718912385216767919167871793119984高差(mm)3570553152327561016111292270153054503坡度比0.050.010.020.120.060.060.040.070.04仰(俯)角(°)2.840.661.216.593.473.372.154.232.15

坡度最大的場(chǎng)地是老乾寧，且cos(6.59°)≈0.993，sin(6.59°)≈0.115，cos(6.59°)* sin(6.59°)=0.114，而(sina1cosa1)2值在[0～45]范圍是增曲線，對(duì)于測(cè)角精度優(yōu)于0.5″的全站儀，則式(2)中的：

(3)

當(dāng)儀器架設(shè)測(cè)線上或測(cè)線附近時(shí)有：sinβ=0，cosβ=1，則式(3)可表達(dá)為：

(4)

(5)

從式(5)不難看出，測(cè)線上架設(shè)儀器的自由設(shè)站方式獲取水平距離中誤差較對(duì)向觀測(cè)水平距離中誤差會(huì)多一項(xiàng)固定誤差，但是自由設(shè)站方式不存在對(duì)向觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)需要進(jìn)行整平安置的整平誤差，對(duì)于測(cè)角標(biāo)稱為0.5″和測(cè)距標(biāo)稱為0.5 mm+ppm的智能型全站儀能夠滿足《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》中I級(jí)測(cè)距儀關(guān)于測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于(1+D)mm以及《地殼地形變觀測(cè)方法跨斷層位移測(cè)量》關(guān)于短程光電測(cè)距5.2.3條的儀器等級(jí)要求，理論上在跨斷層位移測(cè)量中可以采用測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度0.5 mm+ppm的儀器以自由設(shè)站方法間接獲取跨斷層端點(diǎn)間的平距。

2.5 觀測(cè)限差與精度評(píng)定

(1)觀測(cè)限差

自由設(shè)站法觀測(cè)法距離測(cè)量采用《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》距離測(cè)量二等技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果較差限值采用I級(jí)測(cè)距儀限值要求。角度測(cè)量采用《國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范》水平角方向觀測(cè)法二等觀測(cè)限差、垂直角觀測(cè)限差要求。

表3 距離觀測(cè)技術(shù)要求[6]

表4 距離測(cè)量較差限值[6] 單位為毫米

表5 水平角觀測(cè)技術(shù)要求[7] 單位為秒

表6 垂直角觀測(cè)技術(shù)要求[7] 單位為秒

(2)精度評(píng)定

距離測(cè)量結(jié)果的精度評(píng)定參照《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》對(duì)向觀測(cè)距離的精度評(píng)定要求進(jìn)行中誤差計(jì)算以及參照《跨斷層測(cè)量規(guī)范》關(guān)于測(cè)距相對(duì)中誤差的限值進(jìn)行合格評(píng)定。

觀測(cè)距離一次測(cè)量的中誤差：

(6)

對(duì)向觀測(cè)的平均值中誤差：

(7)

相對(duì)中誤差：

(8)

式中：dF為一測(cè)邊兩次設(shè)站的平距較差，邊長(zhǎng)50 m內(nèi)的相對(duì)精度需達(dá)到1/50萬(wàn)，對(duì)于大于50 m時(shí)需達(dá)到1/70萬(wàn)的精度指標(biāo)[1,8]。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表7侏倭跨斷層場(chǎng)地總共5期次月平行觀測(cè)的全站儀測(cè)距與基線尺測(cè)距數(shù)據(jù)表分析：

(1)全站儀測(cè)距中誤差與現(xiàn)有基線尺測(cè)距中誤差幾乎相當(dāng)，穩(wěn)定性方面全站儀電子設(shè)備略弱于機(jī)械式基線尺，每觀測(cè)周期全站儀測(cè)距相對(duì)中誤差滿足現(xiàn)有規(guī)范的測(cè)距精度要求；

(2)對(duì)于期間較差：AB測(cè)量邊相鄰期較差全站儀測(cè)距最大值-0.94 mm(20140416)，基線尺測(cè)距最大值0.43 mm(20140713)；AC測(cè)量邊除2014年11月外，相鄰期較差全站儀測(cè)距最大值-1.36 mm(20140917)，基線尺測(cè)距最大值-1.76 mm(20140713)；

(3)對(duì)于期間較差累積較差：AB測(cè)量邊的較差累積全站儀最大值-1.86 mm(20140917)，基線尺最大值0.76 mm(20140713)；AC測(cè)距除2014年11月外，較差累積全站儀最大值-1.63 mm(20141119)，較差累計(jì)基線尺最大值-1.65 mm(20140713)；

(4)對(duì)于全站儀與基線尺測(cè)距同期較差而言，除2014年11月外，AB邊較差值范圍在(3.42～5.81)mm，AC邊較差值范圍在(7.10～9.82)mm。

(5)2014年11月19日全站儀測(cè)距時(shí)對(duì)該場(chǎng)地AC測(cè)量邊進(jìn)行了異常核實(shí)，該測(cè)量邊C點(diǎn)觀測(cè)墩明顯松動(dòng)，應(yīng)是藏區(qū)農(nóng)民拖拉機(jī)耕地對(duì)C點(diǎn)有撞擊的外力作用而造成較大的變化量。

表7 侏倭跨斷層場(chǎng)地測(cè)距邊成果數(shù)據(jù)較差

盡管不同方式測(cè)量結(jié)果體現(xiàn)的相鄰期最大較差及最大較差累積值不是在同一個(gè)月份，但從數(shù)據(jù)大小說(shuō)明AB、AC測(cè)量邊的年變化量包含觀測(cè)誤差在內(nèi)小于2mm。結(jié)合現(xiàn)有跨斷層場(chǎng)地實(shí)際情況，以及全站儀測(cè)距與基線尺測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，采用全站儀自由設(shè)站法替代現(xiàn)有基線尺每跨作業(yè)對(duì)現(xiàn)有跨斷層流動(dòng)場(chǎng)地進(jìn)行距離測(cè)量是可行的。

(6)實(shí)驗(yàn)探討的最終目的要考慮已有場(chǎng)地多年來(lái)所獲得的跨斷層水平位移資料的延續(xù)利用，以便更客觀地體現(xiàn)多年來(lái)斷層的趨勢(shì)性活動(dòng)變化和在分析、預(yù)測(cè)中有更多、更有效的數(shù)據(jù)支撐。對(duì)于實(shí)驗(yàn)完成的侏倭場(chǎng)地，可以采用已經(jīng)完成的5期次相應(yīng)邊的全站儀測(cè)距觀測(cè)均值與基線尺觀測(cè)均值較差作為全站儀與基線尺間相聯(lián)系的固定常數(shù)，以此常數(shù)作為全站儀替代基線尺測(cè)距與歷史數(shù)據(jù)的銜接和地震預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)探討了替代常規(guī)因瓦基線尺進(jìn)行跨斷層位移測(cè)量的數(shù)據(jù)獲取方法，并從實(shí)際情況解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)自由設(shè)站法解決了部分跨斷層場(chǎng)地不通視端點(diǎn)間距離的獲?。?2)觀測(cè)棱鏡的重復(fù)安置精度保證；(3)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)基線測(cè)量技術(shù)更新與數(shù)字化采集。

實(shí)驗(yàn)精度滿足規(guī)范要求，可以采用全站儀自由設(shè)站法替代常規(guī)基線尺進(jìn)行現(xiàn)有跨斷層位移測(cè)量的獲取。同時(shí)，采用高精度、智能型的自動(dòng)化全站儀進(jìn)行跨斷層位移測(cè)量數(shù)據(jù)采集，作業(yè)方法簡(jiǎn)便、易操作、效率高、作業(yè)人員需求少，且能夠大大降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，體現(xiàn)了以人為本、科技領(lǐng)先的現(xiàn)代化作業(yè)模式。

[1] DB/T 47-2012 地震地殼形變觀測(cè)方法 跨斷層位移測(cè)量[S].

[2] 跨斷層測(cè)量規(guī)范[S].國(guó)家地震局,1991.

[3] 崔有禎,等.基于測(cè)量機(jī)器人技術(shù)的天倫監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[J].有色金屬(礦山部分)，2013，65(3):79-82.

[4] 周儉清.全站儀對(duì)邊測(cè)量原理及精度分析[J].北京測(cè)繪，2005，(3):50-52.

[5] 楊洪國(guó),等.全站儀對(duì)邊測(cè)量在基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪，2010，33(4):178-181.

[6] GB/T 16818-2008 中、短程光電測(cè)距規(guī)范[S].

[7] GB/T 17942-2000 國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范[S].

Introduce to the displacement measurement of fault-crossing with the high precise intelligent instrument

Yi Tianyang，Su Qin

(Surveying Engineering Institute, Earthquake Administration of Sichuan Province, Shichuan Yaan 625000, China)

With the development of observatory techniques, GPS, electro-optical rangers and leveling are widely used in fault-crossing displacement measurement. We discuss the problems existed in the traditional displacement measurement of fault-crossing and put forward some of suggestions on the high precise ranger. After several terms of measurements we analyze these observatory data and try to replace the traditional base-line displacement measurement of fault-crossing with the high precise intelligent instrument.

fault-crossing measurement; base line; total station instrument; setting up station freely; EDM

2015-05-04

四川省地震局科技專項(xiàng)：LY1406.

易天陽(yáng)(1976-)，男，漢族，四川省遂寧市人，工程師，研究方向?yàn)榈卣鸨O(jiān)測(cè).

P315.72

B

1001-8115(2015)04-0007-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.002