TM50在跨斷層水平位移(短程)測(cè)量中的應(yīng)用

易天陽(yáng), 王偉力, 溫軍軍, 卓如峰

(四川省地震局測(cè)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(cè)量中的應(yīng)用

易天陽(yáng), 王偉力, 溫軍軍, 卓如峰

(四川省地震局測(cè)繪工程院,四川 雅安 625000)

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

斷層； 位移測(cè)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(cè)量的目的在于了解斷層活動(dòng)的方式，以便探索斷層活動(dòng)與地震的關(guān)系[1]。對(duì)于跨斷層位移測(cè)量，通常使用測(cè)量學(xué)的方法長(zhǎng)期連續(xù)地精密測(cè)量斷層兩側(cè)的垂直位移和水平位移，以確定斷層的活動(dòng)情況。由于觀測(cè)技術(shù)條件的局限，多年以來(lái)水平位移觀測(cè)常采用因瓦基線尺進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。該方法測(cè)量精度高、受環(huán)境溫度和氣壓的影響小，但往、返測(cè)交換基線尺的方向有時(shí)會(huì)受到場(chǎng)地的限制而導(dǎo)致操作難度大、測(cè)量距離短、作業(yè)人員需求多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、場(chǎng)地跨越公路的情況存在安全隱患以及跨溝壑的斷層場(chǎng)地難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等缺點(diǎn)。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，GPS、光電測(cè)距成為目前跨斷層水平位移測(cè)量的主要觀測(cè)技術(shù)[2]，其中高精度GPS技術(shù)由于其自身特點(diǎn)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)火山地震、構(gòu)造地震、全球板塊運(yùn)動(dòng)，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(cè)獲取的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)態(tài)定量信息對(duì)地震預(yù)測(cè)是十分重要的。而對(duì)于短程距離(3 km以內(nèi))的跨斷層場(chǎng)地，采用高精度光電測(cè)距儀是目前跨斷層位移測(cè)量的較好選擇(表1)。對(duì)于既有跨斷層的短程測(cè)距觀測(cè)場(chǎng)地，當(dāng)點(diǎn)間通視存在困難時(shí)，為了能將多年累積下來(lái)的觀測(cè)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(cè)限差和成果精度需滿足規(guī)范的指標(biāo)要求，對(duì)于新建場(chǎng)地應(yīng)考慮點(diǎn)間采用對(duì)向觀測(cè)的測(cè)量方式進(jìn)行點(diǎn)位的選埋。

表 1 測(cè)距方式比較表

1 技術(shù)要求

依據(jù)《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》及《地震地殼形變觀測(cè)方法 跨斷層位移測(cè)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(cè)量過(guò)程采用機(jī)載程序軟件進(jìn)行測(cè)回?cái)?shù)、正倒鏡、自動(dòng)照準(zhǔn)、觀測(cè)限差等的自動(dòng)控制。為了保證測(cè)回間的測(cè)距較差限差，要求一次設(shè)站(可能會(huì)有多個(gè)觀測(cè)目標(biāo))的所有測(cè)回應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，從而保證在一次設(shè)站的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)氣象要素不會(huì)有太大的變化，因此一次設(shè)站的測(cè)回?cái)?shù)(規(guī)范要求不少于4個(gè)測(cè)回)和方向數(shù)都不宜太多，同時(shí)對(duì)儀器的觀測(cè)精度和觀測(cè)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(cè)量機(jī)器人TM50能夠自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)并快速完成測(cè)量，而且其觀測(cè)精度能夠滿足規(guī)范的要求。儀器測(cè)量時(shí)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(cè)的方式讀取并記錄相應(yīng)站點(diǎn)觀測(cè)過(guò)程的儀器高、鏡高和氣象元素，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)匹配其實(shí)際觀測(cè)時(shí)的氣象信息來(lái)進(jìn)行觀測(cè)斜距的氣象改正，并輔以觀測(cè)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(cè)技術(shù)要求[2,4]

表 4 距離測(cè)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(shí)，垂直角的觀測(cè)限差應(yīng)滿足表5的要求。

表 5 垂直角觀測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)修正計(jì)算。

3.1 氣象修正

這是電磁波測(cè)距的重要改正，因?yàn)殡姶挪ㄔ诖髿庵袀鬏敃r(shí)受氣象條件的影響很大。此項(xiàng)改正的實(shí)質(zhì)是大氣折射率對(duì)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(shí)實(shí)際氣象條件下的群折射率n的計(jì)算公式為[6-7]：

(1)

式中:λ為真空中光波的有效波長(zhǎng)，單位為μm。

氣象修正按式(3)計(jì)算[4]：

(3)

式中:D′(m)為觀測(cè)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(guò)儀器檢定機(jī)構(gòu)對(duì)儀器的年檢獲取，測(cè)量使用配套的徠卡圓棱鏡。加常數(shù)修正值按式(4)計(jì)算，乘常數(shù)修正值按式(5)計(jì)算[4]：

(4)

(5)

3.4 斜距改平

邊長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)在觀測(cè)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(cè)斜距值不能直接進(jìn)行比較。當(dāng)觀測(cè)距離D′經(jīng)過(guò)各項(xiàng)修正后的測(cè)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(duì)應(yīng)邊的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期比較，從而判定斷層隨時(shí)間的相對(duì)位移變化情況。

(1) 三角高差改平

當(dāng)對(duì)向觀測(cè)三角高差成果滿足式(10)要求時(shí)利用觀測(cè)天頂距和斜距計(jì)算水平距離。對(duì)于短程距離，將測(cè)量距離(斜距)進(jìn)行傾斜改正，化為水平距離按式(6)計(jì)算。

(6)

(2) 水準(zhǔn)高差改平

觀測(cè)距離D′經(jīng)過(guò)各項(xiàng)修正以后，對(duì)于短程距離將測(cè)量距離化算為水平距離按式(7)計(jì)算。

(7)

需要注意的是，ΔH并不是直接采用水準(zhǔn)高差的測(cè)量值，因?yàn)閮x器測(cè)量的是儀器中心與棱鏡中心間的斜距，計(jì)算采用的ΔH除包含水準(zhǔn)高差的測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(píng)定

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

4.1 測(cè)量距離精度評(píng)定

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

(1) 對(duì)向觀測(cè)的平均值中誤差[4]：

(8)

(2) 相對(duì)中誤差[4]：

(9)

4.2 三角高差成果符合性

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

(10)

5 應(yīng)用實(shí)例

(1) 點(diǎn)間高差滿足三角高差改平的符合性判定(表6)

(2) 計(jì)算實(shí)例

實(shí)例涉及4個(gè)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(gè)場(chǎng)地分別以最近一期成果數(shù)據(jù)為例(表7，表8)。

依據(jù)測(cè)前點(diǎn)間高差符合性判定，寶興縣五龍鄉(xiāng)場(chǎng)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(duì)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(jì)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(chǎng)地距離測(cè)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(cè)量成果比較分析

獨(dú)立的一周期測(cè)量只能反映當(dāng)時(shí)周期的測(cè)量成果自身的精度情況。為了能夠跟蹤監(jiān)測(cè)跨斷層場(chǎng)地端點(diǎn)間的水平位移相對(duì)變化情況，需要對(duì)對(duì)應(yīng)邊的各期次進(jìn)行期次間的數(shù)據(jù)比較，并對(duì)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(chǎng)地各監(jiān)測(cè)邊在周期間的最大較差在B-C(斷層同側(cè)點(diǎn))邊(2015.9)，達(dá)-2.49 mm。該場(chǎng)地測(cè)量邊相鄰期的距離相對(duì)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(duì)變化值最大為4.55×10-6，數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)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(chǎng)地?cái)鄬油瑐?cè)的點(diǎn)間距離相對(duì)變化無(wú)論是期間較差還是累積變化，都表現(xiàn)得比較穩(wěn)定，沒(méi)有急劇變化；斷層兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離的相對(duì)變化較為活躍，起初體現(xiàn)為斷層拉開(kāi)(2015年3月—2015年5月)，接下來(lái)的期間變化體現(xiàn)斷層繼續(xù)拉開(kāi)的幅度有所放緩(2015年5月—2015年7月)，在2015年9月時(shí)部分點(diǎn)間距的變化表現(xiàn)為急劇縮短，變化量在(-5.2，-2.9)mm，該場(chǎng)地測(cè)量邊相鄰期的距離相對(duì)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(cè)量值靠近并呈壓縮態(tài)勢(shì)(平→張→壓)，距離相對(duì)變化值最大為4.42×10-6，數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)地的表現(xiàn)為平穩(wěn)。

圖2 兩綜合場(chǎng)地Fig.2 Two cross-fault sites

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

邊名稱A?C月份邊長(zhǎng)值/m期間較差累積較差A(yù)?D邊長(zhǎng)值/m期間較差累積較差B?C邊長(zhǎng)值/m期間較差累積較差2015．5769．24888相對(duì)變化相對(duì)變化545．67762相對(duì)變化相對(duì)變化386．71460相對(duì)變化相對(duì)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(zhǎng)值/m期間較差累積較差C?D邊長(zhǎng)值/m期間較差累積較差2015．5645．43370相對(duì)變化相對(duì)變化802．36973相對(duì)變化相對(duì)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(yǔ)

通過(guò)TM50在跨斷層位移測(cè)量中4期觀測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，在觀測(cè)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(duì)觀測(cè)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(cè)量邊精度滿足規(guī)范要求；

(2) 滿足三角高差改平的測(cè)量邊精度滿足規(guī)范要求；

表 13 西昌市大箐鄉(xiāng)場(chǎng)地測(cè)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(chǎng)地Fig.4 Site in Daqing town，Xichang city

(3) 滿足三角高差改平的測(cè)量邊與水準(zhǔn)高差改平的測(cè)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(cè)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(cè)距能夠大大降低野外作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

注：應(yīng)用及數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省地震局測(cè)繪工程院與中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所協(xié)作關(guān)于“龍門山斷裂帶南段形變綜合觀測(cè)場(chǎng)及安寧河斷裂帶形變綜合觀測(cè)場(chǎng)”的動(dòng)態(tài)跟蹤研究項(xiàng)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(xiàng)目：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2014IES010201,2014IES010201)

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

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10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.1010