高建東，安江雷

（江蘇省測繪工程院，南京 210013）

精密水準測量是最早應用于地面沉降監(jiān)測的經典技術之一，早期的地面沉降監(jiān)測研究大多是利用該方法開展的。目前世界上有100多個城市或地區(qū)存在不同程度的地面沉降問題，精密水準測量技術在這些地區(qū)的地面沉降監(jiān)測研究中發(fā)揮了重要作用，如美國的西部地區(qū)、日本的東京、意大利的拉韋納和新西蘭。我國也有不少學者進行了相關研究：董鴻聞等[1]利用1949年以來近50年的高精度水準資料，深入分析了中國大陸垂直運動的特征和趨勢。王文利等[2]分析了我國于1991—1999年完成的國家高程控制網(wǎng)二期復測成果和2012—2015年完成的國家高程控制網(wǎng)三期復測成果之間的高程變化值及其變化趨勢，多層次多角度地研究了導致水準點高程變化的因素。雖然近年來時序In－SAR、GNSS等技術在地面沉降監(jiān)測中的應用不斷深入[3-4]，但精密水準作為精度最高的監(jiān)測手段一直在沉降監(jiān)測領域有著不可替代的優(yōu)勢，在區(qū)域地面沉降監(jiān)測領域，精密水準測量因其可靠性強、精度高和應用成熟等優(yōu)勢，得到廣泛應用[5]。

1 精密水準沉降監(jiān)測原理

地面沉降在地表上最直接的反應就是地表高程的變化。在地面沉降監(jiān)測區(qū)域內布設若干監(jiān)測點，從穩(wěn)定點出發(fā)對監(jiān)測點進行定期精密水準觀測以獲取監(jiān)測點高程值是利用精密水準進行地面沉降監(jiān)測的基本思路。如圖1所示，利用精密水準儀可測得基準點與監(jiān)測點之間的高差，從而計算出監(jiān)測點的高程值。通過多期觀測，即可得到監(jiān)測點在觀測周期內的高程變化值，該值即為地面沉降量。高程變化值為正，表示地表抬升；高程變化值為負，表示地表沉降。

圖1 水準測量地面沉降監(jiān)測原理示意圖

根據(jù)大地測量學，水準測量獲取的高程稱為正常高，指水準點沿著正常重力線，即鉛垂線到似大地水準面的距離。采用該技術開展地面沉降監(jiān)測，即通過定期的水準測量，獲取監(jiān)測點在監(jiān)測周期內的正常高變化值以反演地面沉降信息。

2 監(jiān)測精度及誤差分析

想要獲取精確可靠的地面沉降數(shù)據(jù)，須保證監(jiān)測手段的精度。對于國家二等及以上精度的精密水準測量，其每千米往返測高差中誤差應不超過±1.0 mm。根據(jù)變形監(jiān)測原理和誤差理論，一般認為，監(jiān)測手段造成的誤差不應大于形變量的1/3。因此，理論上講，對于精密水準測量技術，其獲取的形變量敏感度下限為3 mm，達到了很高的監(jiān)測精度。

影響水準測量精度的因素很多，主要有儀器誤差、外界因素引起的誤差和觀測誤差等。其中有的誤差可以通過一定措施消除或者減弱，如規(guī)定觀測水準路線測站數(shù)必須是偶數(shù)站才能結束觀測，可以消除一對水準標尺零點不等差；通過i角校正將其大小控制在一定范圍（±15″）內，并對水準儀到前后標尺的距離之差進行控制以減弱其影響。有的誤差可以通過提高作業(yè)人員技術水平，采用自動照準及自動安平水準儀等方法予以控制，如三腳架安置誤差、上下午不對稱造成的折光誤差、照準誤差、調焦誤差和標尺傾斜誤差等。

精密水準測量使用的水準儀，其標稱精度應達到相應的精度等級要求，并使用配套的銦鋼尺。蔡司公司生產的Ni002系列光學水準儀，由于對觀測員熟練程度要求較高，且自動化程度不高，使用率已經逐漸降低。目前常用的高精度水準儀有徠卡公司的LS15、DNA03和天寶公司的Dini03等自動安平電子水準儀。隨著技術的進步，越來越精密的水準儀被研制出來。這些電子水準儀具有自動安平、自動對焦讀數(shù)等功能，配合電子記簿器和膨脹系數(shù)極小的銦鋼尺，大幅提升了精密水準測量的精度和可靠性。

3 精密水準地面沉降監(jiān)測

3.1 沉降監(jiān)測網(wǎng)布設與觀測

研究區(qū)域位于江蘇省徐州市西北部，該地區(qū)是典型的沖積平原地形，且煤炭資源豐富，地面沉降現(xiàn)象多發(fā)。由于精密水準監(jiān)測是基于離散監(jiān)測點的監(jiān)測結果來反映區(qū)域地面沉降信息，因此在布設精密水準地面沉降監(jiān)測網(wǎng)時，需要根據(jù)先驗的區(qū)域地面沉降信息，在合適位置布設精密水準監(jiān)測點。本文基于歷史先驗地面沉降信息，在重點沉降區(qū)布設精密水準沉降監(jiān)測網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域精密水準沉降監(jiān)測網(wǎng)

水準測量按照國標二等水準要求執(zhí)行，采用徠卡LS15型水準儀及配套的銦鋼尺進行施測。多期觀測時均使用相同類型的水準儀、標尺和轉點尺承擔，并盡量保證觀測人員的穩(wěn)定性。觀測過程中，嚴格進行測站設置，按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》要求確保i角、前后視距差、累積視距差、視線高度、往返測不符值和觀測時間等符合要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理與平差計算

對上述數(shù)據(jù)進行處理和平差計算，具體過程如下。

1）數(shù)據(jù)檢核。平差計算前，對所有水準觀測數(shù)據(jù)進行以下檢核。①檢查用于水準測量的儀器設備是否符合要求，檢驗資料是否齊全。②檢查觀測手簿內容是否正確，水準點點名、經緯度是否正確，成果取舍是否準確等。③檢查測段、區(qū)段、路線往返不符值和上、下午測站不對稱數(shù)是否超限。④核實高差表中測段高差計算結果、尺長改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正和起算高程是否正確。⑤根據(jù)測段往返高差不符值計算每千米水準測量的偶然中誤差，并按照相應等級進行檢核：一等水準不大于0.45 mm，二等水準不大于1.0 mm。⑥檢核各最小閉合環(huán)閉合差和附合路線的附合差是否超限，并計算每千米水準測量全中誤差。

2）高差改正。為獲得準確的高程變化值，應對各期精密水準監(jiān)測數(shù)據(jù)加入相同的高差改正項，本文對所有測段均加入水準標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正和固體潮改正[6]。

3）起算點選取。在水準網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時，應選擇穩(wěn)定的基巖點作為起算點，且各期之間起算基準點應保持統(tǒng)一，以獲取監(jiān)測區(qū)域的準確可靠的高程變化值。相關行業(yè)規(guī)范規(guī)定：地面沉降監(jiān)測水準網(wǎng)的起算點應為基巖標或者基巖水準點，高程從國家一等水準網(wǎng)點引測。本文根據(jù)研究區(qū)域附近現(xiàn)有一等水準觀測數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定起算點篩選，最終選定研究區(qū)域內一基巖水準點作為起算基準點。詳細分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)域基準水準點穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

一等水準測段閉合差限差為

式中：S為測段長度。從表1可以看出，5期觀測高差閉合差均不超過測段限差，說明選點的基巖水準點穩(wěn)定性非常好，作為研究區(qū)域地面沉降監(jiān)測水準網(wǎng)的起算點是合理的。

4）平差計算。地面沉降監(jiān)測水準網(wǎng)平差計算采用間接平差方法，以觀測高差為元素，按測站數(shù)定權，按照整體平差的原則完成平差計算工作，平差計算后第一期精密水準地面沉降監(jiān)測網(wǎng)每千米水準測量偶然中誤差為±0.77 mm，最弱點高程中誤差為±1.1 mm，第一期精密水準地面沉降監(jiān)測網(wǎng)每千米水準測量偶然中誤差為±0.50 mm，最弱點高程中誤差為±2.8 mm。從平差計算結果可以看出：兩期水準監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理精度都很高，能達到對研究區(qū)域的毫米級地面沉降監(jiān)測精度要求。

4 監(jiān)測結果與分析

基于精密水準的地面沉降監(jiān)測，可以獲取高精度的水準監(jiān)測點沉降量信息。本次精密水準地面沉降監(jiān)測網(wǎng)進行了2期觀測，第1期觀測時間為2019年7月，第2期觀測時間為2020年10月。表2中給出了由2期地面沉降監(jiān)測網(wǎng)水準點高程變化值得出的地面沉降量，所有點位的沉降值計算是以第1期監(jiān)測數(shù)據(jù)為初始值得到的。

表2 研究區(qū)域精密水準監(jiān)測結果 mm

選取2期高程控制網(wǎng)復測中的同名重合點進行地面沉降分析，提取監(jiān)測區(qū)間的水準點高程變化值，再除以相應的觀測時間間隔，得到每個水準點的高程變化速率，以其來代表地面沉降速率，進行插值繪圖，如圖3所示。結果表明：研究區(qū)域主要沉降區(qū)位于豐縣的鳳城街道、孫樓街道、常店鎮(zhèn)，以及沛縣安國鎮(zhèn)、龍固鎮(zhèn)、朱寨鎮(zhèn)、大屯街道，在監(jiān)測周期內的最大沉降速率為62 mm/年，位于豐縣鳳城街道中陽大道與復興河西路路口附近。監(jiān)測期內，地面沉降速率超過10 mm/年的沉降區(qū)面積約為2 185 km2，占研究區(qū)域總面積的67.1%。

圖3 基于精密水準測量結果的地面沉降速率分布

5 結束語

本文運用精密水準技術對徐州市西北部沉降區(qū)進行沉降監(jiān)測，利用先驗區(qū)域地面沉降信息布設地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，并進行定期觀測和嚴密的數(shù)據(jù)處理，獲取了準確可靠的地面沉降監(jiān)測結果。結果表明，利用精密水準測量技術開展區(qū)域地面沉降監(jiān)測精度高、可靠性強，但是水準監(jiān)測點布設需要先驗的區(qū)域地面沉降信息。后期可建立天地一體化地面沉降動態(tài)監(jiān)測體系，融合精密水準監(jiān)測、GNSS及時序InSAR監(jiān)測等技術手段建立綜合性的立體監(jiān)測系統(tǒng)，開展全周期、多視角、高精度和系統(tǒng)性的監(jiān)測工作，揭示地面沉降現(xiàn)象全貌，準確探究地面沉降分布和發(fā)育規(guī)律，為地面沉降災害防治及城市建設決策分析提供精確依據(jù)。