高精度智能測量機器人跨斷層位移測量

易天陽，蘇 琴

(四川省地震局測繪工程院， 四川 雅安 625000)

高精度智能測量機器人跨斷層位移測量

易天陽，蘇 琴

(四川省地震局測繪工程院， 四川 雅安 625000)

隨著觀測技術的進步，GPS、光電測距和水準測量已成為目前跨斷層位移測量的主要觀測手段。針對傳統因瓦基線尺進行跨斷層場地基線長度的獲取所存在的問題，探討了利用高精度智能型測量機器人進行基線長度相關數據測量的實驗方法，并通過多期實驗數據實現了高精度智能測量機器人跨斷層位移測量替代常規基線尺獲取基線長度的可行性。

跨斷層；基線；全站儀；自由設站；EDM

經過我國地震科學工作者40余年的努力，跨斷層形變監測已發展成為一種具有自己特色的當今地殼運動和地震前兆觀測和研究手段[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量方法以及探討新舊方法替代后如何對已有資料的延續利用。

高精度智能測量機器人的出現無疑對常規基線尺測距提出了挑戰，采用常規基線尺測量斷層端點間的距離這種方法落后已面臨淘汰，就常規基線尺測量而言，雖然測量精度高，但存在測量距離短、勞動強度大、人員需求多、操作難度大、受場地環境制約等影響；而采用高精度智能測量機器人測量可以很大程度地解決上述所提出問題的影響，需要重點考慮的問題是現有場地跨斷層端點間不能通視情況下的距離如何獲取？儀器與棱鏡的重復安置精度？單次測量精度是否可靠？距離復測較差是否能夠達到如基線尺所能達到的距離復測較差以真實體現斷層的活動變化？以及與多年來采用基線尺所獲取的數據進行有效銜接。

1 常規基線測量

常規基線測量方法是在場地上建立24 m整數倍的觀測墩，約24 m間距的過渡觀測墩(沒有過渡觀測墩的需在測線上進行配置約24 m間距的過渡觀測架)，然后采用24 m ± 3 cm的線狀因瓦基線尺進行觀測墩間的長度測量，并采用水準觀測獲取墩間高差以進行傾斜改正，測量過程中需要扶尺架、引張鋼絲、軸桿頭、讀數器、尺環、重錘(10 kg)、水準儀及水準標尺等輔助設備以及2名扶架員、至少2名提重錘和測尺過渡員、2位讀數員以及1名記錄員，規范要求基線組人員一般配備8～10人，其中熟練技術人員不少于4人[2]。

該種方法進行基線長度測量精度高，受環境溫度和氣壓的影響小，但是該方法存在場地交換尺時很受場地的限制、操作難度大，作業人員需求多、勞動強度大，而且場地跨公路的情況，在安全隱患。

2 高精度智能全站儀測量

觀測現有場地是以保證能夠對已有資料延續利用為前提，然而現有觀測墩之間并不一定相互通視，而且現有觀測墩的歸心裝置也不方便全站儀的重復安置，因此采用全站儀架設測線上的自由設站法，通過測角(水平角、垂直角)、測距間接獲取端點間的平距。

2.1 智能測量機器人概念及其構成

智能測量機器人又稱自動全站儀，是一種集自動目標識別、自動精確照準目標、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺[3]。智能測量機器人的構成包括硬件和軟件兩個部分，硬件包括一般全站儀所具備的照準部、棱鏡、基座以及智能測量所具有的驅動馬達;軟件包括儀器轉動所需要的指令集，如：學習、記憶功能，按指定的角度進行儀器旋轉和仰視或俯視，按指定的測回數自動正鏡、倒鏡，目標跟蹤，精確照準和測量觸發，測量結果自動記錄，以及實時判斷測量數據是否滿足規范允許的限差等指令。

表1 儀器配置

附件：規格一致的多個棱鏡連接件、儀器固定配件、測傘、控制手簿、數據線。

2.2 儀器配置及自由設站觀測方法

自由設站方法是將儀器架設在觀測點附近觀測兩個以上的目標點，基于實驗配置了規格一致的棱鏡連接件，觀測時不必考慮目標點整平及目標、儀器高度的量取，只需將儀器固定連接后進行整平安置和輸入觀測時的氣象信息(由于跨斷層場地每一條測量邊距離較短(50～300 m)，作業時間短，因此開測前和開測后不必考慮鏡站、儀器站單獨讀取溫度和氣壓)在儀器內部進行氣象修正，間接獲取距離為鏡面中心點間的水平距離。自由設站法如圖1所示。

圖1 自由設站示意圖

2.3 測邊計算原理

根據測站O點與鏡站A、B點的斜距AO(S1)、BO(S2)，垂直角∠AOA′(α1)、∠BOB′(α2)，水平夾角∠Α′ΟΒ′=β(∠Α′ΟΒ′=∠AOB)的幾何關系，可以求算端點間的平距A′B′(D)。測量幾何關系如圖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 測量幾何關系

測量中需顧及氣象條件的影響，對于高精度智能型全站儀，在儀器內部能夠進行溫度、氣壓的輸入，測量中儀器能夠根據輸入的溫度、氣壓值進行測距的氣象改正。

2.4 線上自由站法間接測邊的標準偏差計算

根據誤差傳播定律[4-5]，對公式(1)全微分，可得水平距離D的中誤差mD(推導從略)。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。

依據跨斷層測量規范要求場地地勢比較平坦，以目前四川省地震局所管理的8個跨斷層基線場地為例，端點間坡度情況如表2所示。

表2 場地坡度情況

續表2

場地名稱折多塘龍燈壩老乾寧湯家坪測邊名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，對于測角精度優于0.5″的全站儀，則式(2)中的：

(3)

當儀器架設測線上或測線附近時有：sinβ=0，cosβ=1，則式(3)可表達為：

(4)

(5)

從式(5)不難看出，測線上架設儀器的自由設站方式獲取水平距離中誤差較對向觀測水平距離中誤差會多一項固定誤差，但是自由設站方式不存在對向觀測目標點需要進行整平安置的整平誤差，對于測角標稱為0.5″和測距標稱為0.5 mm+ppm的智能型全站儀能夠滿足《中、短程光電測距規范》中I級測距儀關于測距標準偏差不大于(1+D)mm以及《地殼地形變觀測方法跨斷層位移測量》關于短程光電測距5.2.3條的儀器等級要求，理論上在跨斷層位移測量中可以采用測角精度0.5″，測距精度0.5 mm+ppm的儀器以自由設站方法間接獲取跨斷層端點間的平距。

2.5 觀測限差與精度評定

(1)觀測限差

自由設站法觀測法距離測量采用《中、短程光電測距規范》距離測量二等技術要求進行觀測，觀測結果較差限值采用I級測距儀限值要求。角度測量采用《國家三角測量規范》水平角方向觀測法二等觀測限差、垂直角觀測限差要求。

表3 距離觀測技術要求[6]

表4 距離測量較差限值[6] 單位為毫米

表5 水平角觀測技術要求[7] 單位為秒

表6 垂直角觀測技術要求[7] 單位為秒

(2)精度評定

距離測量結果的精度評定參照《中、短程光電測距規范》對向觀測距離的精度評定要求進行中誤差計算以及參照《跨斷層測量規范》關于測距相對中誤差的限值進行合格評定。

觀測距離一次測量的中誤差：

(6)

對向觀測的平均值中誤差：

(7)

相對中誤差：

(8)

式中：dF為一測邊兩次設站的平距較差，邊長50 m內的相對精度需達到1/50萬，對于大于50 m時需達到1/70萬的精度指標[1,8]。

3 實驗數據分析

根據表7侏倭跨斷層場地總共5期次月平行觀測的全站儀測距與基線尺測距數據表分析：

(1)全站儀測距中誤差與現有基線尺測距中誤差幾乎相當，穩定性方面全站儀電子設備略弱于機械式基線尺，每觀測周期全站儀測距相對中誤差滿足現有規范的測距精度要求；

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

(3)對于期間較差累積較差：AB測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)，較差累計基線尺最大值-1.65 mm(20140713)；

(4)對于全站儀與基線尺測距同期較差而言，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日全站儀測距時對該場地AC測量邊進行了異常核實，該測量邊C點觀測墩明顯松動，應是藏區農民拖拉機耕地對C點有撞擊的外力作用而造成較大的變化量。

表7 侏倭跨斷層場地測距邊成果數據較差

盡管不同方式測量結果體現的相鄰期最大較差及最大較差累積值不是在同一個月份，但從數據大小說明AB、AC測量邊的年變化量包含觀測誤差在內小于2mm。結合現有跨斷層場地實際情況，以及全站儀測距與基線尺測距的優缺點綜合考慮，采用全站儀自由設站法替代現有基線尺每跨作業對現有跨斷層流動場地進行距離測量是可行的。

(6)實驗探討的最終目的要考慮已有場地多年來所獲得的跨斷層水平位移資料的延續利用，以便更客觀地體現多年來斷層的趨勢性活動變化和在分析、預測中有更多、更有效的數據支撐。對于實驗完成的侏倭場地，可以采用已經完成的5期次相應邊的全站儀測距觀測均值與基線尺觀測均值較差作為全站儀與基線尺間相聯系的固定常數，以此常數作為全站儀替代基線尺測距與歷史數據的銜接和地震預測數據分析。

4 結束語

實驗探討了替代常規因瓦基線尺進行跨斷層位移測量的數據獲取方法，并從實際情況解決了以下幾個問題：(1)自由設站法解決了部分跨斷層場地不通視端點間距離的獲取；(2)觀測棱鏡的重復安置精度保證；(3)實現傳統基線測量技術更新與數字化采集。

實驗精度滿足規范要求，可以采用全站儀自由設站法替代常規基線尺進行現有跨斷層位移測量的獲取。同時，采用高精度、智能型的自動化全站儀進行跨斷層位移測量數據采集，作業方法簡便、易操作、效率高、作業人員需求少，且能夠大大降低作業人員的勞動強度，體現了以人為本、科技領先的現代化作業模式。

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

[2] 跨斷層測量規范[S].國家地震局,1991.

[3] 崔有禎,等.基于測量機器人技術的天倫監測應用研究[J].有色金屬(礦山部分)，2013，65(3):79-82.

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

[5] 楊洪國,等.全站儀對邊測量在基坑變形監測中的應用[J].測繪，2010，33(4):178-181.

[6] GB/T 16818-2008 中、短程光電測距規范[S].

[7] GB/T 17942-2000 國家三角測量規范[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：LY1406.

易天陽(1976-)，男，漢族，四川省遂寧市人，工程師，研究方向為地震監測.

P315.72

B

1001-8115(2015)04-0007-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.002