精密水準(zhǔn)測量在區(qū)域地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

高建東，安江雷

（江蘇省測繪工程院，南京 210013）

精密水準(zhǔn)測量是最早應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測的經(jīng)典技術(shù)之一，早期的地面沉降監(jiān)測研究大多是利用該方法開展的。目前世界上有100多個(gè)城市或地區(qū)存在不同程度的地面沉降問題，精密水準(zhǔn)測量技術(shù)在這些地區(qū)的地面沉降監(jiān)測研究中發(fā)揮了重要作用，如美國的西部地區(qū)、日本的東京、意大利的拉韋納和新西蘭。我國也有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：董鴻聞等[1]利用1949年以來近50年的高精度水準(zhǔn)資料，深入分析了中國大陸垂直運(yùn)動(dòng)的特征和趨勢。王文利等[2]分析了我國于1991—1999年完成的國家高程控制網(wǎng)二期復(fù)測成果和2012—2015年完成的國家高程控制網(wǎng)三期復(fù)測成果之間的高程變化值及其變化趨勢，多層次多角度地研究了導(dǎo)致水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化的因素。雖然近年來時(shí)序In－SAR、GNSS等技術(shù)在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用不斷深入[3-4]，但精密水準(zhǔn)作為精度最高的監(jiān)測手段一直在沉降監(jiān)測領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢，在區(qū)域地面沉降監(jiān)測領(lǐng)域，精密水準(zhǔn)測量因其可靠性強(qiáng)、精度高和應(yīng)用成熟等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用[5]。

1 精密水準(zhǔn)沉降監(jiān)測原理

地面沉降在地表上最直接的反應(yīng)就是地表高程的變化。在地面沉降監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干監(jiān)測點(diǎn)，從穩(wěn)定點(diǎn)出發(fā)對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定期精密水準(zhǔn)觀測以獲取監(jiān)測點(diǎn)高程值是利用精密水準(zhǔn)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測的基本思路。如圖1所示，利用精密水準(zhǔn)儀可測得基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)之間的高差，從而計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)的高程值。通過多期觀測，即可得到監(jiān)測點(diǎn)在觀測周期內(nèi)的高程變化值，該值即為地面沉降量。高程變化值為正，表示地表抬升；高程變化值為負(fù)，表示地表沉降。

圖1 水準(zhǔn)測量地面沉降監(jiān)測原理示意圖

根據(jù)大地測量學(xué)，水準(zhǔn)測量獲取的高程稱為正常高，指水準(zhǔn)點(diǎn)沿著正常重力線，即鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離。采用該技術(shù)開展地面沉降監(jiān)測，即通過定期的水準(zhǔn)測量，獲取監(jiān)測點(diǎn)在監(jiān)測周期內(nèi)的正常高變化值以反演地面沉降信息。

2 監(jiān)測精度及誤差分析

想要獲取精確可靠的地面沉降數(shù)據(jù)，須保證監(jiān)測手段的精度。對于國家二等及以上精度的精密水準(zhǔn)測量，其每千米往返測高差中誤差應(yīng)不超過±1.0 mm。根據(jù)變形監(jiān)測原理和誤差理論，一般認(rèn)為，監(jiān)測手段造成的誤差不應(yīng)大于形變量的1/3。因此，理論上講，對于精密水準(zhǔn)測量技術(shù)，其獲取的形變量敏感度下限為3 mm，達(dá)到了很高的監(jiān)測精度。

影響水準(zhǔn)測量精度的因素很多，主要有儀器誤差、外界因素引起的誤差和觀測誤差等。其中有的誤差可以通過一定措施消除或者減弱，如規(guī)定觀測水準(zhǔn)路線測站數(shù)必須是偶數(shù)站才能結(jié)束觀測，可以消除一對水準(zhǔn)標(biāo)尺零點(diǎn)不等差；通過i角校正將其大小控制在一定范圍（±15″）內(nèi)，并對水準(zhǔn)儀到前后標(biāo)尺的距離之差進(jìn)行控制以減弱其影響。有的誤差可以通過提高作業(yè)人員技術(shù)水平，采用自動(dòng)照準(zhǔn)及自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀等方法予以控制，如三腳架安置誤差、上下午不對稱造成的折光誤差、照準(zhǔn)誤差、調(diào)焦誤差和標(biāo)尺傾斜誤差等。

精密水準(zhǔn)測量使用的水準(zhǔn)儀，其標(biāo)稱精度應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的精度等級(jí)要求，并使用配套的銦鋼尺。蔡司公司生產(chǎn)的Ni002系列光學(xué)水準(zhǔn)儀，由于對觀測員熟練程度要求較高，且自動(dòng)化程度不高，使用率已經(jīng)逐漸降低。目前常用的高精度水準(zhǔn)儀有徠卡公司的LS15、DNA03和天寶公司的Dini03等自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越精密的水準(zhǔn)儀被研制出來。這些電子水準(zhǔn)儀具有自動(dòng)安平、自動(dòng)對焦讀數(shù)等功能，配合電子記簿器和膨脹系數(shù)極小的銦鋼尺，大幅提升了精密水準(zhǔn)測量的精度和可靠性。

3 精密水準(zhǔn)地面沉降監(jiān)測

3.1 沉降監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)與觀測

研究區(qū)域位于江蘇省徐州市西北部，該地區(qū)是典型的沖積平原地形，且煤炭資源豐富，地面沉降現(xiàn)象多發(fā)。由于精密水準(zhǔn)監(jiān)測是基于離散監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果來反映區(qū)域地面沉降信息，因此在布設(shè)精密水準(zhǔn)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)時(shí)，需要根據(jù)先驗(yàn)的區(qū)域地面沉降信息，在合適位置布設(shè)精密水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)。本文基于歷史先驗(yàn)地面沉降信息，在重點(diǎn)沉降區(qū)布設(shè)精密水準(zhǔn)沉降監(jiān)測網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域精密水準(zhǔn)沉降監(jiān)測網(wǎng)

水準(zhǔn)測量按照國標(biāo)二等水準(zhǔn)要求執(zhí)行，采用徠卡LS15型水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼尺進(jìn)行施測。多期觀測時(shí)均使用相同類型的水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺和轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承擔(dān)，并盡量保證觀測人員的穩(wěn)定性。觀測過程中，嚴(yán)格進(jìn)行測站設(shè)置，按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求確保i角、前后視距差、累積視距差、視線高度、往返測不符值和觀測時(shí)間等符合要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理與平差計(jì)算

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和平差計(jì)算，具體過程如下。

1）數(shù)據(jù)檢核。平差計(jì)算前，對所有水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行以下檢核。①檢查用于水準(zhǔn)測量的儀器設(shè)備是否符合要求，檢驗(yàn)資料是否齊全。②檢查觀測手簿內(nèi)容是否正確，水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)名、經(jīng)緯度是否正確，成果取舍是否準(zhǔn)確等。③檢查測段、區(qū)段、路線往返不符值和上、下午測站不對稱數(shù)是否超限。④核實(shí)高差表中測段高差計(jì)算結(jié)果、尺長改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正和起算高程是否正確。⑤根據(jù)測段往返高差不符值計(jì)算每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差，并按照相應(yīng)等級(jí)進(jìn)行檢核：一等水準(zhǔn)不大于0.45 mm，二等水準(zhǔn)不大于1.0 mm。⑥檢核各最小閉合環(huán)閉合差和附合路線的附合差是否超限，并計(jì)算每千米水準(zhǔn)測量全中誤差。

2）高差改正。為獲得準(zhǔn)確的高程變化值，應(yīng)對各期精密水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)加入相同的高差改正項(xiàng)，本文對所有測段均加入水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正和固體潮改正[6]。

3）起算點(diǎn)選取。在水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)選擇穩(wěn)定的基巖點(diǎn)作為起算點(diǎn)，且各期之間起算基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)保持統(tǒng)一，以獲取監(jiān)測區(qū)域的準(zhǔn)確可靠的高程變化值。相關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定：地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)應(yīng)為基巖標(biāo)或者基巖水準(zhǔn)點(diǎn)，高程從國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)引測。本文根據(jù)研究區(qū)域附近現(xiàn)有一等水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定起算點(diǎn)篩選，最終選定研究區(qū)域內(nèi)一基巖水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算基準(zhǔn)點(diǎn)。詳細(xì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)域基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

一等水準(zhǔn)測段閉合差限差為

式中：S為測段長度。從表1可以看出，5期觀測高差閉合差均不超過測段限差，說明選點(diǎn)的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性非常好，作為研究區(qū)域地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)是合理的。

4）平差計(jì)算。地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算采用間接平差方法，以觀測高差為元素，按測站數(shù)定權(quán)，按照整體平差的原則完成平差計(jì)算工作，平差計(jì)算后第一期精密水準(zhǔn)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差為±0.77 mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為±1.1 mm，第一期精密水準(zhǔn)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差為±0.50 mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為±2.8 mm。從平差計(jì)算結(jié)果可以看出：兩期水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理精度都很高，能達(dá)到對研究區(qū)域的毫米級(jí)地面沉降監(jiān)測精度要求。

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

基于精密水準(zhǔn)的地面沉降監(jiān)測，可以獲取高精度的水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)沉降量信息。本次精密水準(zhǔn)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行了2期觀測，第1期觀測時(shí)間為2019年7月，第2期觀測時(shí)間為2020年10月。表2中給出了由2期地面沉降監(jiān)測網(wǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化值得出的地面沉降量，所有點(diǎn)位的沉降值計(jì)算是以第1期監(jiān)測數(shù)據(jù)為初始值得到的。

表2 研究區(qū)域精密水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果 mm

選取2期高程控制網(wǎng)復(fù)測中的同名重合點(diǎn)進(jìn)行地面沉降分析，提取監(jiān)測區(qū)間的水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化值，再除以相應(yīng)的觀測時(shí)間間隔，得到每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化速率，以其來代表地面沉降速率，進(jìn)行插值繪圖，如圖3所示。結(jié)果表明：研究區(qū)域主要沉降區(qū)位于豐縣的鳳城街道、孫樓街道、常店鎮(zhèn)，以及沛縣安國鎮(zhèn)、龍固鎮(zhèn)、朱寨鎮(zhèn)、大屯街道，在監(jiān)測周期內(nèi)的最大沉降速率為62 mm/年，位于豐縣鳳城街道中陽大道與復(fù)興河西路路口附近。監(jiān)測期內(nèi)，地面沉降速率超過10 mm/年的沉降區(qū)面積約為2 185 km2，占研究區(qū)域總面積的67.1%。

圖3 基于精密水準(zhǔn)測量結(jié)果的地面沉降速率分布

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用精密水準(zhǔn)技術(shù)對徐州市西北部沉降區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測，利用先驗(yàn)區(qū)域地面沉降信息布設(shè)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，并進(jìn)行定期觀測和嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理，獲取了準(zhǔn)確可靠的地面沉降監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果表明，利用精密水準(zhǔn)測量技術(shù)開展區(qū)域地面沉降監(jiān)測精度高、可靠性強(qiáng)，但是水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)需要先驗(yàn)的區(qū)域地面沉降信息。后期可建立天地一體化地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系，融合精密水準(zhǔn)監(jiān)測、GNSS及時(shí)序InSAR監(jiān)測等技術(shù)手段建立綜合性的立體監(jiān)測系統(tǒng)，開展全周期、多視角、高精度和系統(tǒng)性的監(jiān)測工作，揭示地面沉降現(xiàn)象全貌，準(zhǔn)確探究地面沉降分布和發(fā)育規(guī)律，為地面沉降災(zāi)害防治及城市建設(shè)決策分析提供精確依據(jù)。