數字化水準儀應用于跨斷層水準測量的性能分析

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)

跨斷層水準測量精度高，施測過程完全按照一等水準測量規范的要求施測，且對數字化水準儀的精度與穩定性要求也高。江蘇省地震局用于跨斷層測量的儀器歷經了數代更替，2009年之前使用Ni002型光學水準儀，隨著測量儀器的發展，使用數字水準儀進行高精度水準測量成為可能(尹暉等，2015)。2010年1月，江蘇省地震局首次引進Trimble DiNi12型數字水準儀并投入使用，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，第二代數字水準儀Leica DNA03正式投入使用。數字水準儀速度快、讀數客觀、精度高、減輕勞動強度和數據采集計算集成化等特點(鄭國才等，2006；葛計劃等，2009)，大大提高了工作效率。長期的實踐經驗證明，不同型號的數字型水準儀在精度和穩定性方面的性能差異比較大。跨斷層水準測量對儀器性能要求高，不同型號水準儀的性能和特性在實踐中對觀測精度的影響已成為關注的問題。尤其是在數字水準儀全面投入到地震監測領域的今天，研究數字水準儀的性能和性能衰減特性具有較強的現實意義。

1 觀測環境與作業流程

試驗場地的測線較短，高差不大且在每測段觀測時外界干擾因素相似，因此跨斷層水準測段閉合差產生的主要原因為偶然誤差。測段中誤差是水準儀精度性能的主要指標，除去人的觀測誤差外，閉合差的穩定程度則是儀器性能穩定性的定量標準。Trimble DiNi12和Leica DNA03兩種水準儀基本參數不同，多方面的實測數據所顯示出的儀器性能特性與實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4個場地，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測量嚴格按照《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897-2006)規定的作業流程實施測量，按照既定路線曉店0、曉店1、曉店2……曉店9的順序依次進行。最后一段重整儀器并交換水準尺之后按照相反的方向依次返測，直至曉店0號點測量結束(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境相對較好，有利于減少水準儀受外界環境差異影響所產生的誤差(見圖1)，為增加數據的可靠性，特選用這兩段的數據作為實驗對象。

圖1 蘇北跨斷層水準測量郯廬斷裂帶曉店場地分測線分布示意圖

2 儀器參數

江蘇省地震局從2010年1月開始使用數字化水準儀開展跨斷層測量工作，期間先后引進兩種不同型號的數字型水準儀。2010年至2016年使用Trimble DiNi12型數字水準儀，2017年至2018年使用Leica DNA03型水準儀。兩種水準儀的標稱精度相同，其他參數各有不同，主要技術參數見表1。

表1 Trimble DiNi12型水準與Leica DNA03型水準儀測性能參數

3 數據對比分析

本文使用DiNi12型數字水準儀全生命周期上的2010年、2013年、2016年這幾個比較有代表性的時間段對應測段所產生的閉合差數據進行對比分析，著重研究電子水準儀在時間尺度上的性能衰減特性。同時使用 2010年DiNi12型數字水準儀與2017年DNA03型數字水準儀測得的數據進行對比，分析兩種電子水準儀在性能并未大幅衰減的1年內的性能差異。在此施測期間，觀測員和扶尺人員相對固定，進一步減弱了由人員操作習慣不同所造成的誤差。同時為了最大限度的減弱兩種儀器受到降水、氣壓、溫度等外部環境的影響(樓關壽等，2010)，本文選用不同年份相同月份所對應的兩種儀器所測得的數據進行對比。為減弱測段長度和測站數對結果的影響，分別選取2016年與2017年曉店1至曉店2、曉店2至曉店3測站和距離都較為接近兩測段數據作為實驗對象。為減弱測段特殊性對數據的影響，特選用兩段的數據同時比較，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6測站，第2測段長度為0.4 km，共設8測站。詳細的觀測數據見表2～5。按照《跨斷層測量規范》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，單位為mm。用每測段往返不符值計算每千米高差中數的偶然中誤差(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計算；n為測段數，即不符值個數。從表2～5可知Trimble DiNi12型數字水準儀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，遠低于容許限差，這表明在儀器投入使用的第1年內，此型號的水準儀所能達到的精度較高。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年保持相對穩定狀態。

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

從另外一個角度分析，Leica DNA03型數字水準儀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型數字水準儀2010年兩測段中誤差，這表明在觀測環境相似的情況之下，Leica DNA03型水準儀相較于Trimble DiNi12型水準儀觀測精度較低。分析發現，Leica DNA03型數字水準儀在往返閉合差的波動幅度仍然比Trimble DiNi12型水準儀大，這表明很大程度上前者在穩定性上劣于后者。因此，在其他觀測環境基本相似的情況下，雖然Leica DNA03型數字水準儀與Trimble DiNi12型數字水準儀標稱精度相同，但是從實際的測量實踐中所能達到的精度和穩定性卻不及Trimble DiNi12型數字水準儀，這與長期使用兩種儀器的實際情況相符。

4 結束語

通過數據對比分析，可以得到以下結論：(1)Trimble DiNi12型數字水準儀與Leica DNA03型數字水準儀在精度上均可滿足限差要求。(2)從Trimble DiNi12型數字水準儀整個生命周期監測數據來看，實測結果顯示全新儀器在投入使用前期的性能會急劇衰減，中期及以后衰減速度減緩或者保持相對穩定的狀態，符合一般規律。根據實踐經驗，儀器進入生命周期后期不僅性能不穩定，還容易出現突跳情況，硬件故障頻率會明顯升高，嚴重影響觀測數據精度和工作進度。(3)在2010年與2017年兩臺數字水準儀分別投入使用的第1年時間內，即兩臺儀器綜合性能衰減都較小的這段時間內，Leica DNA03型數字水準儀性能在穩定性方面表現略差，這導致在實際施測過程中很容易出現某一測段或者某幾個測段嚴重突跳的情況。(4)儀器標稱精度具有一定的參考意義，但隨著時間的流逝，儀器實際所能達到的精度會存在衰減，且穩定性也隨之減弱。觀測人員應關注儀器性能各方面的變化，在儀器使用超過6年出現穩定性較差或者突跳過于頻繁時應考慮儀器更新。