觀測(cè)條件對(duì)電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響

熊 威，汪 洋，許明元

（1.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180）

觀測(cè)條件對(duì)電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響

熊 威1，汪 洋1，許明元1

（1.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180）

運(yùn)用控制變量法對(duì)溫度和光照強(qiáng)度對(duì)電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)受光照強(qiáng)度影響較小，但受溫度影響較大，其中大氣折光和i角是影響電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)精度的兩個(gè)主要方面；并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為如何減小觀測(cè)誤差、提高觀測(cè)精度提供了參考意見(jiàn)。

電子水準(zhǔn)儀；精密水準(zhǔn)；大氣折光；光照強(qiáng)度；系統(tǒng)誤差

隨著地殼形變監(jiān)測(cè)手段的不斷提高以及電子設(shè)備的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的蔡司Ni004、Ni002、Ni002A等光學(xué)水準(zhǔn)儀已不能滿足高效率、低成本的大地垂直形變監(jiān)測(cè)的需要，越來(lái)越多的地殼形變監(jiān)測(cè)單位選擇更加輕便實(shí)用的電子水準(zhǔn)儀來(lái)進(jìn)行日常的精密水準(zhǔn)測(cè)量。DiNi12是蔡司公司在DiNi10、DiNi11的基礎(chǔ)上推出的第三代電子水準(zhǔn)儀，因其良好的穩(wěn)定性和精度而被廣泛地應(yīng)用于地殼垂直形變監(jiān)測(cè)中[1]。

無(wú)論是探索中、長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)的長(zhǎng)線水準(zhǔn)測(cè)量，還是進(jìn)行短期地震預(yù)報(bào)的聯(lián)系斷層兩側(cè)的短線水準(zhǔn)測(cè)量，地面升降變化的數(shù)量往往很小，因此在進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，必須盡可能地消除或減弱各種誤差的影響[2]。在實(shí)際測(cè)量中電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的誤差來(lái)源主要有水準(zhǔn)標(biāo)尺真長(zhǎng)誤差、調(diào)焦誤差、環(huán)境震動(dòng)、垂直位移、標(biāo)尺傾斜、電磁場(chǎng)影響、i角影響、大氣折光和光照強(qiáng)度變化 ，其中水準(zhǔn)標(biāo)尺真長(zhǎng)誤差可通過(guò)儀器檢校來(lái)測(cè)定并改正，調(diào)焦誤差、環(huán)境震動(dòng)、垂直位移、標(biāo)尺傾斜和電磁場(chǎng)影響可通過(guò)嚴(yán)格規(guī)范儀器操作行為、合理選擇測(cè)量線路來(lái)減弱或消除，只有i角影響、大氣折光和光照強(qiáng)度變化不可控制，且i角變化和大氣折光主要受外界溫度影響[2-6]。本文通過(guò)深入研究光照強(qiáng)度、溫度與DiNi12型電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)精度之間的關(guān)系，為日常精密水準(zhǔn)測(cè)量中如何規(guī)避各種不利影響因素提供建設(shè)性意見(jiàn)，為電子水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的完善提供可靠依據(jù)，為加深測(cè)量人員對(duì)電子水準(zhǔn)儀的認(rèn)識(shí)提供必要幫助。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)前為了最大限度地減小偶然誤差和系統(tǒng)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，有必要同時(shí)使用兩臺(tái)電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[4]?？紤]到一等水準(zhǔn)測(cè)量的視距長(zhǎng)度不得超過(guò)30 m，故用兩臺(tái)處于同一觀測(cè)環(huán)境中的DiNi12型電子水準(zhǔn)儀對(duì)相距約為30 m的單根條碼式因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺（經(jīng)一測(cè)中心計(jì)量檢定合格）同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，分析在以上情況下兩臺(tái)儀器的讀數(shù)變化是否一致性，若讀數(shù)變化基本一致則說(shuō)明儀器狀況良好可以使用，若讀數(shù)變化不一致則分析原因、調(diào)整直到一致為止。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)在每次開(kāi)測(cè)前對(duì)儀器i角進(jìn)行測(cè)定[5]，由于對(duì)單根標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)量無(wú)法自動(dòng)抵消i角對(duì)讀數(shù)的影響，故應(yīng)對(duì)當(dāng)天記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行i角影響剔除。

表1為用于實(shí)驗(yàn)的兩臺(tái)DiNi12型電子水準(zhǔn)儀的主要技術(shù)參數(shù)，經(jīng)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心計(jì)量檢定站檢定合格。圖1、2為儀器i角經(jīng)過(guò)檢校后當(dāng)天將儀器置于陰涼處的觀測(cè)值隨溫度的變化曲線，其中儀器702811校正后的i角為-0．5"，儀器702822校正后的i角為-0．3"，觀測(cè)頻率為從10點(diǎn)開(kāi)始每隔1 h記錄一次溫度和觀測(cè)值。圖3、4為將儀器暴露在陽(yáng)光下的觀測(cè)值隨溫度的變化曲線，其中儀器702811的初始i角為-1．27"，儀器702822的初始i角為-1．89"，觀測(cè)頻率同圖1、2。圖 1～4中觀測(cè)值的中誤差分別為±0．057 mm、±0．072 mm、±0．08 mm和±0．075 mm，均遠(yuǎn)小于DiNi12型電子水準(zhǔn)儀的標(biāo)稱(chēng)精度±0．3 mm，故觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。圖5、6反映了兩臺(tái)儀器在同一觀測(cè)條件下的觀測(cè)值之差，最大差值為0．2 mm，小于儀器的標(biāo)稱(chēng)精度；說(shuō)明當(dāng)外界觀測(cè)條件變化時(shí)，兩臺(tái)儀器的觀測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，所選儀器符合實(shí)驗(yàn)要求。

表1 兩臺(tái)DiNi12型電子水準(zhǔn)儀的技術(shù)參數(shù)

圖1 儀器702811觀測(cè)值-溫度變化曲線（陰涼處）

圖2 儀器702822觀測(cè)值-溫度變化曲線（陰涼處）

圖3 儀器702811觀測(cè)值-溫度變化曲線（陽(yáng)光下）

圖4 儀器702822觀測(cè)值-溫度變化曲線（陽(yáng)光下）

圖5 儀器702811與702822 觀測(cè)值之差（陰涼處）

圖6 儀器702811與702822 觀測(cè)值之差（陽(yáng)光下）

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 溫度對(duì)i角的影響

i角誤差是數(shù)字水準(zhǔn)儀系統(tǒng)誤差的重要組成部分，分析溫度、光照對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響都不能將i角的影響置之度外[6]，先測(cè)定和分析i角隨溫度的變化，如圖7所示。

圖7 儀器702811i角-溫度變化曲線

由于對(duì)儀器702811測(cè)得的i角均為負(fù)值，為了在圖中顯示得更為直觀，將其乘以-1后在圖上顯示。從圖7可以看出，該儀器的i角在20～32℃的觀測(cè)環(huán)境中的變化范圍為-0．5～-4．5"，且i角的絕對(duì)值會(huì)隨溫度的升高而不斷變大。

1.2.2 光照對(duì)讀數(shù)的影響

將儀器、標(biāo)尺置于陰涼處，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)給予標(biāo)尺照準(zhǔn)部位一定強(qiáng)度的光線照射，觀測(cè)值的變化情況如表2所示。

表2 光照強(qiáng)度對(duì)觀測(cè)值的影響

由表2可知，當(dāng)其他觀測(cè)條件不變，僅改變觀測(cè)環(huán)境的光照強(qiáng)度時(shí)，觀測(cè)值的改變量小于0．1 mm，對(duì)讀數(shù)基本不產(chǎn)生影響。

1.2.3 大氣折光對(duì)讀數(shù)的影響

大氣折光主要是由于距離地面不同高度的空氣溫度差異而造成的空氣對(duì)流現(xiàn)象對(duì)觀測(cè)視線產(chǎn)生的干擾，其本質(zhì)是不同層面的空氣密度不同而導(dǎo)致的光線發(fā)生折射的現(xiàn)象[7]。為了定性分析大氣折光對(duì)DiNi12型電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響，首先將標(biāo)尺放置于斜坡上，在距標(biāo)尺約30 m的坡下放置儀器，并保證最低視線高度滿足規(guī)范要求（≥0．65 m），在給儀器、標(biāo)尺遮陽(yáng)的情況下從8點(diǎn)開(kāi)始每隔1 h記錄一次溫度和觀測(cè)值，觀測(cè)值隨溫度的變化曲線如圖8所示；然后將儀器、標(biāo)尺放置于水平地面上，使儀器、標(biāo)尺以及觀測(cè)視線都位于陰影中，在相應(yīng)的溫度下記錄儀器讀數(shù)，觀測(cè)值隨溫度的變化曲線如圖9所示。將圖8中的觀測(cè)值加上一個(gè)常數(shù)0．782 33就能得到兩條曲線的對(duì)比圖（圖10）。

圖8 斜坡上的觀測(cè)值-溫度變化曲線圖

圖9 水平地面上的觀測(cè)值-溫度變化曲線

圖10 觀測(cè)值-溫度變化曲線對(duì)比圖

當(dāng)觀測(cè)視線位于斜坡上時(shí)，由于光線發(fā)生折射，此時(shí)的視線為一條凹向上方的曲線，且彎曲程度隨空氣對(duì)流的強(qiáng)弱發(fā)生改變；當(dāng)觀測(cè)視線處于陰影中時(shí)，視線周?chē)目諝鉁囟茸兓諝鈱?duì)流不明顯，觀測(cè)視線受大氣折光的影響較弱[7]。從圖10可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高時(shí)，空氣對(duì)流逐漸加強(qiáng)，大氣折光對(duì)觀測(cè)值的影響逐漸增大；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到臨界值（最大值）時(shí)，觀測(cè)視線周?chē)諝馕鼰犸柡停諝鈱?duì)流迅速減弱，大氣折光對(duì)觀測(cè)值的影響發(fā)生突降；當(dāng)環(huán)境溫度從最高點(diǎn)逐漸降低時(shí)，空氣對(duì)流逐漸減弱，大氣折光對(duì)觀測(cè)值的影響逐漸變小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于溫度對(duì)DiNi12電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)誤差（i角）和大氣折光兩方面[8]，根據(jù)計(jì)算可知i角每變化1"，相應(yīng)的觀測(cè)值就會(huì)產(chǎn)生±0．15 mm的改變，通過(guò)對(duì)圖7的分析可知，溫度每變化1℃，儀器702811的i角變化值約為±0．35"。

將圖8中18℃時(shí)的觀測(cè)值作為基準(zhǔn)，此時(shí)環(huán)境溫度適宜，i角穩(wěn)定，空氣對(duì)流弱，觀測(cè)值受外界影響較小，那么在每一個(gè)溫度變化范圍內(nèi)的影響結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溫度變化對(duì)觀測(cè)值的具體影響值

其他項(xiàng)為除去i角影響外的其他條件對(duì)觀測(cè)值的影響量，在本實(shí)驗(yàn)中主要為大氣折光產(chǎn)生的影響。由表3可以看出，在正午前后溫度對(duì)觀測(cè)值的影響最大，此時(shí)空氣對(duì)流明顯，但溫度變化不大，主要是大氣折光對(duì)觀測(cè)值產(chǎn)生較大的影響；溫度逐漸下降對(duì)觀測(cè)值產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)小于溫度逐漸上升所帶來(lái)的影響，因?yàn)榄h(huán)境散熱的速率小于吸熱的速率，故散熱而產(chǎn)生的空氣對(duì)流對(duì)觀測(cè)值的影響小于吸熱時(shí)空氣對(duì)流對(duì)觀測(cè)值的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析可以得出如下結(jié)論：

1）部分電子水準(zhǔn)儀由于使用年限較長(zhǎng)，部分部件出現(xiàn)老化，即便在年檢中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能達(dá)到規(guī)范要求，但若實(shí)際觀測(cè)中溫度變化劇烈就會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)失真的情況，造成較大的誤差，所以有必要在使用前對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2）可根據(jù)觀測(cè)環(huán)境適度調(diào)整中天前后禁止觀測(cè)的時(shí)間范圍，對(duì)于溫度變化不大的陰天可減少中天禁測(cè)時(shí)間，對(duì)于溫度變化較大的夏季可適當(dāng)延長(zhǎng)中天禁測(cè)時(shí)間，特別是在部分炎熱、濕度大的南方地區(qū)。

3）當(dāng)外界溫度升高時(shí)，離地面越近溫度越高、空氣密度越小、空氣對(duì)流越強(qiáng)烈，且空氣密度始終處在一種變化的狀態(tài)，故觀測(cè)視線也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不規(guī)則改變，所以在上下坡時(shí)，應(yīng)使觀測(cè)視線盡量遠(yuǎn)離對(duì)流強(qiáng)烈的地表層。

4）i角對(duì)溫度的變化比較敏感，對(duì)

單根標(biāo)尺的讀數(shù)影響較大，通過(guò)前后視距相等可以很好地消除i角變化對(duì)讀數(shù)的影響，但必須盡可能地保證每一站觀測(cè)的連續(xù)性，切忌在每一站的觀測(cè)中停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

[1] 孟憲綱,高艷龍,占偉,等．DiNi12型數(shù)字水準(zhǔn)儀在區(qū)域水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用[J]．華北地震科學(xué),2011,29(3):44-47

[2] 郭金運(yùn),徐泮林,曲國(guó)慶．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀的性能比較與分析[J]．測(cè)繪通報(bào),2002(3):55-57

[3] 王世偉,陳旭東,沈煥鋒,等．電子水準(zhǔn)儀的精度分析與研究[J]．地理空間信息,2005,3(6):52-54

[4] 王永尚,李以赫,肖學(xué)年,等．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀的試驗(yàn)結(jié)果及其分析[J]．測(cè)繪通報(bào),2002(4):58-61

[5] GB/T 12897-2006．國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S]．

[6] 李輝,陳曉明,劉廣寬,等．溫度對(duì)DiNi12數(shù)字水準(zhǔn)儀i角誤差的影響及應(yīng)對(duì)措施[J]．華南地震,2009,29(2):49-53

[7] 陳健,陶本藻．大地形變測(cè)量學(xué)[M]．北京:地震出版社,1987

[8] 岳建平,秦茂芬．觀測(cè)條件對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響試驗(yàn)[J]．測(cè)繪通報(bào),2006(9):69-71

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B

1672-4623（2017）01-0087-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.027

熊威，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等工作。

2015-10-30。

項(xiàng)目來(lái)源：一測(cè)中心科技創(chuàng)新主任基金資助項(xiàng)目（FMC2014010）；中國(guó)地震局震情跟蹤課題資助項(xiàng)目（2014020205）。