易天陽, 王偉力, 溫軍軍, 卓如峰

(四川省地震局測繪工程院,四川 雅安 625000)

技術(shù)交流

TM50在跨斷層水平位移(短程)測量中的應(yīng)用

易天陽, 王偉力, 溫軍軍, 卓如峰

(四川省地震局測繪工程院,四川 雅安 625000)

對于短程跨斷層水平位移測量，采用高精度光電測距儀是較好的選擇，就目前的測量技術(shù)與作業(yè)方法而言，徠卡測量機(jī)器人TM50無論在測量精度還是作業(yè)速度上都具有很好的表現(xiàn)。通過兩個跨斷層場地的實例展現(xiàn)了TM50在跨斷層水平位移測量中的應(yīng)用，并對多周期實例數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。

斷層； 位移測量； 氣象修正； 周期誤差修正； 儀器常數(shù)修正

0 引言

跨斷層微量位移測量的目的在于了解斷層活動的方式，以便探索斷層活動與地震的關(guān)系[1]。對于跨斷層位移測量，通常使用測量學(xué)的方法長期連續(xù)地精密測量斷層兩側(cè)的垂直位移和水平位移，以確定斷層的活動情況。由于觀測技術(shù)條件的局限，多年以來水平位移觀測常采用因瓦基線尺進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。該方法測量精度高、受環(huán)境溫度和氣壓的影響小，但往、返測交換基線尺的方向有時會受到場地的限制而導(dǎo)致操作難度大、測量距離短、作業(yè)人員需求多、勞動強(qiáng)度大、場地跨越公路的情況存在安全隱患以及跨溝壑的斷層場地難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等缺點。隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步，GPS、光電測距成為目前跨斷層水平位移測量的主要觀測技術(shù)[2]，其中高精度GPS技術(shù)由于其自身特點主要用來監(jiān)測火山地震、構(gòu)造地震、全球板塊運動，尤其是板塊邊界地區(qū)的重要手段。文獻(xiàn)[3]提到了基于GPS技術(shù)等大地形變監(jiān)測獲取的現(xiàn)今地殼運動的微動態(tài)定量信息對地震預(yù)測是十分重要的。而對于短程距離(3 km以內(nèi))的跨斷層場地，采用高精度光電測距儀是目前跨斷層位移測量的較好選擇(表1)。對于既有跨斷層的短程測距觀測場地，當(dāng)點間通視存在困難時，為了能將多年累積下來的觀測資料予以利用和比較分析，可以采用自由設(shè)站的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但觀測限差和成果精度需滿足規(guī)范的指標(biāo)要求，對于新建場地應(yīng)考慮點間采用對向觀測的測量方式進(jìn)行點位的選埋。

表 1 測距方式比較表

1 技術(shù)要求

依據(jù)《中、短程光電測距規(guī)范》及《地震地殼形變觀測方法 跨斷層位移測量》規(guī)范，儀器設(shè)備主要技術(shù)要求列于表2。

表 2 儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)[2，4]

2 數(shù)據(jù)采集

測量過程采用機(jī)載程序軟件進(jìn)行測回數(shù)、正倒鏡、自動照準(zhǔn)、觀測限差等的自動控制。為了保證測回間的測距較差限差，要求一次設(shè)站(可能會有多個觀測目標(biāo))的所有測回應(yīng)在短時間內(nèi)完成，從而保證在一次設(shè)站的觀測時間段內(nèi)氣象要素不會有太大的變化，因此一次設(shè)站的測回數(shù)(規(guī)范要求不少于4個測回)和方向數(shù)都不宜太多，同時對儀器的觀測精度和觀測速度提出了較為苛刻的要求。在目前的技術(shù)條件下，徠卡測量機(jī)器人TM50能夠自動精確照準(zhǔn)目標(biāo)并快速完成測量，而且其觀測精度能夠滿足規(guī)范的要求。儀器測量時采用標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的氣象值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以輔助觀測的方式讀取并記錄相應(yīng)站點觀測過程的儀器高、鏡高和氣象元素，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時匹配其實際觀測時的氣象信息來進(jìn)行觀測斜距的氣象改正，并輔以觀測標(biāo)志間的高差、儀器高、棱鏡高進(jìn)行斜距改正(或采用天頂距改平)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)指標(biāo)如表3、4。

表 3 距離觀測技術(shù)要求[2,4]

表 4 距離測量較差限值[2，4](單位:mm)

當(dāng)采用三角高差(天頂距)進(jìn)行斜距改平時，垂直角的觀測限差應(yīng)滿足表5的要求。

表 5 垂直角觀測技術(shù)要求[5] (單位：s)

3 數(shù)據(jù)處理

儀器獲取數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的斜距、天頂距、水平角，為了使周期間獲取的數(shù)據(jù)具有可比性，需要對標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行各項修正計算。

3.1 氣象修正

這是電磁波測距的重要改正，因為電磁波在大氣中傳輸時受氣象條件的影響很大。此項改正的實質(zhì)是大氣折射率對距離的改正,因折射率與氣壓、溫度、濕度有關(guān)，所以習(xí)慣上稱為氣象改正[6]。在作業(yè)時實際氣象條件下的群折射率n的計算公式為[6-7]：

(1)

式中:λ為真空中光波的有效波長，單位為μm。

氣象修正按式(3)計算[4]：

(3)

式中:D′(m)為觀測距離，下同。

3.2 周期誤差修正

3.3 儀器常數(shù)修正

儀器加、乘常數(shù)屬于系統(tǒng)誤差，可通過儀器檢定機(jī)構(gòu)對儀器的年檢獲取，測量使用配套的徠卡圓棱鏡。加常數(shù)修正值按式(4)計算，乘常數(shù)修正值按式(5)計算[4]：

(4)

(5)

3.4 斜距改平

邊長觀測時在觀測墩上的每次設(shè)站儀器高和目標(biāo)架設(shè)高度不能夠相同，使得期次間的觀測斜距值不能直接進(jìn)行比較。當(dāng)觀測距離D′經(jīng)過各項修正后的測量斜距D化算為水平距離且將水平距離化算到同一參考面上才能將對應(yīng)邊的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期比較，從而判定斷層隨時間的相對位移變化情況。

(1) 三角高差改平

當(dāng)對向觀測三角高差成果滿足式(10)要求時利用觀測天頂距和斜距計算水平距離。對于短程距離，將測量距離(斜距)進(jìn)行傾斜改正，化為水平距離按式(6)計算。

(6)

(2) 水準(zhǔn)高差改平

觀測距離D′經(jīng)過各項修正以后，對于短程距離將測量距離化算為水平距離按式(7)計算。

(7)

需要注意的是，ΔH并不是直接采用水準(zhǔn)高差的測量值，因為儀器測量的是儀器中心與棱鏡中心間的斜距，計算采用的ΔH除包含水準(zhǔn)高差的測量值外，還應(yīng)包含儀器高與目標(biāo)高度的差值。

圖1 水準(zhǔn)高差、儀器高、鏡高示意圖Fig.1 Sketch of leveling height different,instrument height, and target height

依據(jù)圖1所示，i為儀器高，v為目標(biāo)高，hAB是水準(zhǔn)點A、B間的高差，ΔH是斜距改平采用高差，D為修正后的斜距。則IM間的高差ΔH有如下關(guān)系式：ΔH+i=hAB+v，從而有ΔH=hAB+v-i。另外，如果知道A、B點的高程HA、HB的話，則IM間的高差ΔH有如下關(guān)系式：ΔH=HB+v-(HA+i)。

4 精度評定

精度評定是對測量成果可靠性進(jìn)行的評估。在跨斷層位移測量中似乎應(yīng)該忽略測量角度的影響。對于場地環(huán)境能夠方便等級水準(zhǔn)測量高差而進(jìn)行傾斜改正的話，對測量角度加以關(guān)注是不必要的；但是對于端點間不方便等級水準(zhǔn)觀測，但滿足采用三角高差進(jìn)行傾斜改正的場地，除了對對向觀測距離進(jìn)行精度評估外，還需對三角高差成果的符合性(對向高差之差)進(jìn)行評估。

4.1 測量距離精度評定

距離測量結(jié)果的精度評定參照《中、短程光電測距規(guī)范》對向觀測距離的精度評定要求進(jìn)行中誤差計算,并參照《跨斷層測量規(guī)范》關(guān)于測距相對中誤差的限值進(jìn)行合格評定。

(1) 對向觀測的平均值中誤差[4]：

(8)

(2) 相對中誤差[4]：

(9)

4.2 三角高差成果符合性

采用三角測量確定高程差并進(jìn)行傾斜修正。對向觀測時，高差之差應(yīng)滿足式(10)的要求。

(10)

5 應(yīng)用實例

(1) 點間高差滿足三角高差改平的符合性判定(表6)

(2) 計算實例

實例涉及4個周期的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)表較多，不予詳細(xì)羅列，兩個場地分別以最近一期成果數(shù)據(jù)為例(表7，表8)。

依據(jù)測前點間高差符合性判定，寶興縣五龍鄉(xiāng)場地的A-D、B-D邊和西昌市大箐鄉(xiāng)A-C邊滿足三角高差進(jìn)行改平，首先對三角高差成果的符合性進(jìn)行判定(表9)。在滿足規(guī)范要求的前提下進(jìn)行改平計算(表10)，并將高差改平的結(jié)果與水準(zhǔn)高差改平的結(jié)果進(jìn)行比較(表11)。

表 8 2015年9月西昌市大箐鄉(xiāng)場地距離測量成果表

表 9 三角高差成果用于傾斜改平的符合性判定表

表 10 三角高差改平的成果表

(3) 周期數(shù)據(jù)的測量成果比較分析

獨立的一周期測量只能反映當(dāng)時周期的測量成果自身的精度情況。為了能夠跟蹤監(jiān)測跨斷層場地端點間的水平位移相對變化情況，需要對對應(yīng)邊的各期次進(jìn)行期次間的數(shù)據(jù)比較，并對各期次的成果數(shù)據(jù)較初始期次數(shù)據(jù)成果的累積變化予以比較和分析(圖2)。

表 11 不同改平方式的成果較差表

從圖3、表12可以看出，寶興縣五龍鄉(xiāng)場地各監(jiān)測邊在周期間的最大較差在B-C(斷層同側(cè)點)邊(2015.9)，達(dá)-2.49 mm。該場地測量邊相鄰期的距離相對變化值最大為6.44×10-6，其他較差均在±1.3 mm以內(nèi)，期間變化較為平穩(wěn)；較初始期的累積變化量均在±2 mm以內(nèi)，最大為-1.76 mm，距離相對變化值最大為4.55×10-6，數(shù)據(jù)對場地的表現(xiàn)為平穩(wěn)。

從圖4、表13可以看出，西昌市大箐鄉(xiāng)場地斷層同側(cè)的點間距離相對變化無論是期間較差還是累積變化，都表現(xiàn)得比較穩(wěn)定，沒有急劇變化；斷層兩側(cè)監(jiān)測點間距離的相對變化較為活躍，起初體現(xiàn)為斷層拉開(2015年3月—2015年5月)，接下來的期間變化體現(xiàn)斷層繼續(xù)拉開的幅度有所放緩(2015年5月—2015年7月)，在2015年9月時部分點間距的變化表現(xiàn)為急劇縮短，變化量在(-5.2，-2.9)mm，該場地測量邊相鄰期的距離相對變化值最大為5.77×10-6；從累積變化圖也不難看出，較初始期的累積變化量逐漸增大(2015年3月—2015年7月)，后又急劇減小(2015年7月—2015年9月)，向初始測量值靠近并呈壓縮態(tài)勢(平→張→壓)，距離相對變化值最大為4.42×10-6，數(shù)據(jù)對場地的表現(xiàn)為平穩(wěn)。

圖2 兩綜合場地Fig.2 Two cross-fault sites

圖3 寶興縣五龍鄉(xiāng)場地Fig.3 Site in Wulong town，Baoxing county

邊名稱A?C月份邊長值/m期間較差累積較差A(yù)?D邊長值/m期間較差累積較差B?C邊長值/m期間較差累積較差2015．5769．24888相對變化相對變化545．67762相對變化相對變化386．71460相對變化相對變化2015．3769．247950．930．931．21E-061．21E-06545．677560．060．061．10E-071．10E-07386．71516-0．56-0．56-1．45E-06-1．45E-062015．7769．24814-0．740．19-9．62E-072．47E-07545．67611-1．51-1．45-2．77E-06-2．66E-06386．715891．290．733．34E-061．89E-062015．9769．24687-1．27-1．08-1．65E-06-1．40E-06545．67577-0．34-1．79-6．23E-07-3．28E-06386．71340-2．49-1．76-6．44E-06-4．55E-06邊名稱B?D月份邊長值/m期間較差累積較差C?D邊長值/m期間較差累積較差2015．5645．43370相對變化相對變化802．36973相對變化相對變化2015．3645．433810．110．111．70E-071．70E-07802．370160．430．435．36E-075．36E-072015．7645．43338-0．43-0．32-6．66E-07-4．96E-07802．36904-1．12-0．69-1．40E-06-8．60E-072015．9645．433490．11-0．211．70E-07-3．25E-07802．36810-0．94-1．63-1．17E-06-2．03E-06

6 結(jié)語

通過TM50在跨斷層位移測量中4期觀測的應(yīng)用實例，在觀測指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)修正和不同方式的傾斜改平后發(fā)現(xiàn)：

(1) 高差改平的測量邊精度滿足規(guī)范要求；

(2) 滿足三角高差改平的測量邊精度滿足規(guī)范要求；

表 13 西昌市大箐鄉(xiāng)場地測距成果分析表(較差值單位數(shù)為mm)

圖4 西昌市大箐鄉(xiāng)場地Fig.4 Site in Daqing town，Xichang city

(3) 滿足三角高差改平的測量邊與水準(zhǔn)高差改平的測量邊的結(jié)果基本一致，其較差滿足規(guī)范要求的較差限值。

另外，采用TM50進(jìn)行跨斷層水平位移的監(jiān)測方法便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)資料整理，其作業(yè)速度快，人員需求少，較常規(guī)因瓦基線尺測距能夠大大降低野外作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

注：應(yīng)用及數(shù)據(jù)來源于四川省地震局測繪工程院與中國地震局地震預(yù)測研究所協(xié)作關(guān)于“龍門山斷裂帶南段形變綜合觀測場及安寧河斷裂帶形變綜合觀測場”的動態(tài)跟蹤研究項目。

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Application of Leica TM50 in Horizontal Displacement (Short Distance) Measurements across Faults

YI Tian-yang, WAMG Wei-li, WEN Jun-jun, ZHUO Ru-feng

(SurveyingandEngineeringInstitute,EarthquakeAdministrationofSichuanProvince,Ya’an625000,Sichuan,China)

Based on the application of the Leica TM50 robotic total station to short-distance measurement of cross-fault displacements, the aim of this study is to show the feasibility of an intelligent measuring robot with nominal precision in short-distance measurement. This paper compares the advantages and disadvantages of the traditional invar-wire baseline method, GPS, and measuring robots in relation to aspects such as measurement precision, operational mode, and personnel demand. It finds that the use of a high-precision electro-optical distance meter (EDM) is the best choice at present for relatively short (<3 km) cross-fault displacement measurements. The study then clarifies the operational basis and technical requirements of an EDM and the operational hazards in data collection. In order to ensure repeatable and comparable measurement data, the observational field data need to be corrected with data processing. Meteorological modifications, periodic error correction, and instrumental correction are all discussed. Results are presented from an application example, compared graphically, and briefly analyzed in relation to fault displacements that are contained therein.

fault; displacement measurement; meteorologic modification; periodic error correction; instrument constant correction

2015-10-27 基金項目：中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(2014IES010201,2014IES010201)

易天陽(1976-)，男(漢族)，四川遂寧人，工程師，碩士，從事地震監(jiān)測工作。E-mail:sunsky-yi@163.com。

TD178

A

1000-0844(2016)06-1010-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.1010