數(shù)字化水準(zhǔn)儀應(yīng)用于跨斷層水準(zhǔn)測量的性能分析

代憲鵬，吳曉峰，宋 浩，孫君嵩，范文華，張 輝

(江蘇省地震局，江蘇 南京 210014)

跨斷層水準(zhǔn)測量精度高，施測過程完全按照一等水準(zhǔn)測量規(guī)范的要求施測，且對數(shù)字化水準(zhǔn)儀的精度與穩(wěn)定性要求也高。江蘇省地震局用于跨斷層測量的儀器歷經(jīng)了數(shù)代更替，2009年之前使用Ni002型光學(xué)水準(zhǔn)儀，隨著測量儀器的發(fā)展，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行高精度水準(zhǔn)測量成為可能(尹暉等，2015)。2010年1月，江蘇省地震局首次引進(jìn)Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀并投入使用，由于多年使用的性能衰減、可靠性降低等原因于2016年12月退役。2017年1月，第二代數(shù)字水準(zhǔn)儀Leica DNA03正式投入使用。數(shù)字水準(zhǔn)儀速度快、讀數(shù)客觀、精度高、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)采集計(jì)算集成化等特點(diǎn)(鄭國才等，2006；葛計(jì)劃等，2009)，大大提高了工作效率。長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，不同型號的數(shù)字型水準(zhǔn)儀在精度和穩(wěn)定性方面的性能差異比較大。跨斷層水準(zhǔn)測量對儀器性能要求高，不同型號水準(zhǔn)儀的性能和特性在實(shí)踐中對觀測精度的影響已成為關(guān)注的問題。尤其是在數(shù)字水準(zhǔn)儀全面投入到地震監(jiān)測領(lǐng)域的今天，研究數(shù)字水準(zhǔn)儀的性能和性能衰減特性具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 觀測環(huán)境與作業(yè)流程

試驗(yàn)場地的測線較短，高差不大且在每測段觀測時(shí)外界干擾因素相似，因此跨斷層水準(zhǔn)測段閉合差產(chǎn)生的主要原因?yàn)榕既徽`差。測段中誤差是水準(zhǔn)儀精度性能的主要指標(biāo)，除去人的觀測誤差外，閉合差的穩(wěn)定程度則是儀器性能穩(wěn)定性的定量標(biāo)準(zhǔn)。Trimble DiNi12和Leica DNA03兩種水準(zhǔn)儀基本參數(shù)不同，多方面的實(shí)測數(shù)據(jù)所顯示出的儀器性能特性與實(shí)際的使用情況是相符的。

江蘇省地震局于1983年在蘇北郯廬斷裂帶共布設(shè)4個(gè)場地，從南向北依次為重崗場地、曉店場地、馬陵場地、城崗場地(吳曉峰等，2014)，其中重崗、城崗兩場地跨新沂—新店斷裂，馬陵、城崗場地跨何莊—曉店斷裂。江蘇省地震局跨斷層水準(zhǔn)測量嚴(yán)格按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897-2006)規(guī)定的作業(yè)流程實(shí)施測量，按照既定路線曉店0、曉店1、曉店2……曉店9的順序依次進(jìn)行。最后一段重整儀器并交換水準(zhǔn)尺之后按照相反的方向依次返測，直至?xí)缘?號點(diǎn)測量結(jié)束(代憲鵬等，2017)。其中，曉店場地第1測段、第2測段距離相近且觀測環(huán)境相對較好，有利于減少水準(zhǔn)儀受外界環(huán)境差異影響所產(chǎn)生的誤差(見圖1)，為增加數(shù)據(jù)的可靠性，特選用這兩段的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)對象。

圖1 蘇北跨斷層水準(zhǔn)測量郯廬斷裂帶曉店場地分測線分布示意圖

2 儀器參數(shù)

江蘇省地震局從2010年1月開始使用數(shù)字化水準(zhǔn)儀開展跨斷層測量工作，期間先后引進(jìn)兩種不同型號的數(shù)字型水準(zhǔn)儀。2010年至2016年使用Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀，2017年至2018年使用Leica DNA03型水準(zhǔn)儀。兩種水準(zhǔn)儀的標(biāo)稱精度相同，其他參數(shù)各有不同，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 Trimble DiNi12型水準(zhǔn)與Leica DNA03型水準(zhǔn)儀測性能參數(shù)

3 數(shù)據(jù)對比分析

本文使用DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀全生命周期上的2010年、2013年、2016年這幾個(gè)比較有代表性的時(shí)間段對應(yīng)測段所產(chǎn)生的閉合差數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，著重研究電子水準(zhǔn)儀在時(shí)間尺度上的性能衰減特性。同時(shí)使用 2010年DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀與2017年DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析兩種電子水準(zhǔn)儀在性能并未大幅衰減的1年內(nèi)的性能差異。在此施測期間，觀測員和扶尺人員相對固定，進(jìn)一步減弱了由人員操作習(xí)慣不同所造成的誤差。同時(shí)為了最大限度的減弱兩種儀器受到降水、氣壓、溫度等外部環(huán)境的影響(樓關(guān)壽等，2010)，本文選用不同年份相同月份所對應(yīng)的兩種儀器所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。為減弱測段長度和測站數(shù)對結(jié)果的影響，分別選取2016年與2017年曉店1至?xí)缘?、曉店2至?xí)缘?測站和距離都較為接近兩測段數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)對象。為減弱測段特殊性對數(shù)據(jù)的影響，特選用兩段的數(shù)據(jù)同時(shí)比較，避免了僅使用其一測段的弊端。其中第1測段測站長度0.3 km，共設(shè)6測站，第2測段長度為0.4 km，共設(shè)8測站。詳細(xì)的觀測數(shù)據(jù)見表2～5。按照《跨斷層測量規(guī)范》往返高差不符值限差(范久善等，1991)：

(1)

其中R為測線長度，R不足百米以0.1 km計(jì)，單位為mm。用每測段往返不符值計(jì)算每千米高差中數(shù)的偶然中誤差(范久善等，1991)：

(2)

其中：Δ為測段往返高差不符值，單位為mm；R為測段長度，單位為km。R不足百米按0.1 km計(jì)算；n為測段數(shù)，即不符值個(gè)數(shù)。從表2～5可知Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀2010年第1測段、第2測段在往返測段閉合差全年均值分別為0.04 mm與-0.05 mm，每千米偶然中誤差分別為0.09 mm與0.10 mm，遠(yuǎn)低于容許限差，這表明在儀器投入使用的第1年內(nèi)，此型號的水準(zhǔn)儀所能達(dá)到的精度較高。至2013年每千米偶然中誤差平均值明顯增加，分別為0.35 mm與0.28 mm，說明在2010年至2013年期間儀器性能狀況加速衰減。至2016年，兩個(gè)測段每千米偶然中誤差分別為0.22 mm與0.20 mm，與2013年保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

表22010年與2013年曉店第1測段往返測高差不符值和偶然中誤差

月份測段長度/km2010年DiNi12儀器2013年DiNi12儀器不符值/mm偶然中誤差/mm不符值/mm偶然中誤差/mm容許值/mm10.30-0.030.03 0.100.171.1020.30-0.040.04 -0.110.181.1030.300.330.30 -0.290.481.1040.300.190.17 -0.220.371.1050.30-0.170.16 -0.310.521.1060.300.030.03 0.250.421.1070.300.060.05 -0.130.221.1080.300.070.06 0.130.221.1090.300.070.06 0.270.451.10100.300.070.06 -0.130.221.10110.300.030.03 -0.370.621.10120.30-0.130.12 0.200.331.10

表32010年與2013年曉店第2測段往返測高差不符值和偶然中誤差

月份測段長度/km2010年DiNi12儀器2013年DiNi12儀器不符值/mm偶然中誤差/mm不符值/mm偶然中誤差/mm容許值/mm10.40-0.120.090.490.611.2620.400.070.060.040.051.2630.400.020.02-0.150.191.2640.40-0.120.09 0.230.291.2650.400.180.140.230.291.2660.400.180.14-0.430.541.2670.400.030.02 0.280.351.2680.40-0.310.25 0.480.601.2690.40-0.310.25 0.160.201.26100.40-0.070.06 0.100.131.26110.40-0.010.01 0.010.011.26120.40-0.050.10 0.100.131.26

表42016年與2017年曉店第1測段往返測高差不符值和偶然中誤差

月份測段長度/km2016年DiNi12儀器2017年DiNi13儀器不符值/mm偶然中誤差/mm不符值/mm偶然中誤差/mm容許值/mm10.30-0.030.03 -0.190.321.1020.30-0.260.24 -0.040.071.1030.300.310.28 0.631.051.1040.30-0.060.05 -0.060.101.1050.30-0.330.30 -0.530.881.1060.300.230.21 0.190.321.1070.300.080.07 0.140.231.1080.300.050.05 -0.030.051.1090.300.450.41 -0.040.071.10100.300.440.40 0.180.301.10110.300.530.48 0.300.501.10120.300.140.13 0.100.171.10

表52016年與2017年曉店第2測段往返測高差不符值和偶然中誤差

月份測段長度/km2016年DiNi12儀器2017年DiNi13儀器不符值/mm偶然中誤差/mm不符值/mm偶然中誤差/mm容許值/mm10.400.590.470.140.181.2620.40-0.330.26 0.210.261.2630.400.390.310.600.751.2640.400.190.15 -0.150.191.2650.400.010.01-0.140.181.2660.400.120.09 -0.260.331.2670.400.060.05 0.330.411.2680.400.220.17 -0.260.331.2690.400.080.06 0.570.711.26100.400.470.37 -0.150.191.26110.400.220.17 -0.060.081.26120.400.300.24 0.440.551.26

從另外一個(gè)角度分析，Leica DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀2017年兩測段每千米往返中誤差均值分別為0.05 mm和0.10 mm，精度均低于Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀2010年兩測段中誤差，這表明在觀測環(huán)境相似的情況之下，Leica DNA03型水準(zhǔn)儀相較于Trimble DiNi12型水準(zhǔn)儀觀測精度較低。分析發(fā)現(xiàn)，Leica DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀在往返閉合差的波動(dòng)幅度仍然比Trimble DiNi12型水準(zhǔn)儀大，這表明很大程度上前者在穩(wěn)定性上劣于后者。因此，在其他觀測環(huán)境基本相似的情況下，雖然Leica DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀與Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)稱精度相同，但是從實(shí)際的測量實(shí)踐中所能達(dá)到的精度和穩(wěn)定性卻不及Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀，這與長期使用兩種儀器的實(shí)際情況相符。

4 結(jié)束語

通過數(shù)據(jù)對比分析，可以得到以下結(jié)論：(1)Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀與Leica DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀在精度上均可滿足限差要求。(2)從Trimble DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀整個(gè)生命周期監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，實(shí)測結(jié)果顯示全新儀器在投入使用前期的性能會(huì)急劇衰減，中期及以后衰減速度減緩或者保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，符合一般規(guī)律。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，儀器進(jìn)入生命周期后期不僅性能不穩(wěn)定，還容易出現(xiàn)突跳情況，硬件故障頻率會(huì)明顯升高，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)精度和工作進(jìn)度。(3)在2010年與2017年兩臺數(shù)字水準(zhǔn)儀分別投入使用的第1年時(shí)間內(nèi)，即兩臺儀器綜合性能衰減都較小的這段時(shí)間內(nèi)，Leica DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀性能在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)略差，這導(dǎo)致在實(shí)際施測過程中很容易出現(xiàn)某一測段或者某幾個(gè)測段嚴(yán)重突跳的情況。(4)儀器標(biāo)稱精度具有一定的參考意義，但隨著時(shí)間的流逝，儀器實(shí)際所能達(dá)到的精度會(huì)存在衰減，且穩(wěn)定性也隨之減弱。觀測人員應(yīng)關(guān)注儀器性能各方面的變化，在儀器使用超過6年出現(xiàn)穩(wěn)定性較差或者突跳過于頻繁時(shí)應(yīng)考慮儀器更新。