数字化水准仪应用于跨断层水准测量的性能分析

代宪鹏，吴晓峰，宋 浩，孙君嵩，范文华，张 辉

(江苏省地震局，江苏 南京 210014)

跨断层水准测量精度高，施测过程完全按照一等水准测量规范的要求施测，且对数字化水准仪的精度与稳定性要求也高。江苏省地震局用于跨断层测量的仪器历经了数代更替，2009年之前使用Ni002型光学水准仪，随着测量仪器的发展，使用数字水准仪进行高精度水准测量成为可能(尹晖等，2015)。2010年1月，江苏省地震局首次引进Trimble DiNi12型数字水准仪并投入使用，由于多年使用的性能衰减、可靠性降低等原因于2016年12月退役。2017年1月，第二代数字水准仪Leica DNA03正式投入使用。数字水准仪速度快、读数客观、精度高、减轻劳动强度和数据采集计算集成化等特点(郑国才等，2006；葛计划等，2009)，大大提高了工作效率。长期的实践经验证明，不同型号的数字型水准仪在精度和稳定性方面的性能差异比较大。跨断层水准测量对仪器性能要求高，不同型号水准仪的性能和特性在实践中对观测精度的影响已成为关注的问题。尤其是在数字水准仪全面投入到地震监测领域的今天，研究数字水准仪的性能和性能衰减特性具有较强的现实意义。

1 观测环境与作业流程

试验场地的测线较短，高差不大且在每测段观测时外界干扰因素相似，因此跨断层水准测段闭合差产生的主要原因为偶然误差。测段中误差是水准仪精度性能的主要指标，除去人的观测误差外，闭合差的稳定程度则是仪器性能稳定性的定量标准。Trimble DiNi12和Leica DNA03两种水准仪基本参数不同，多方面的实测数据所显示出的仪器性能特性与实际的使用情况是相符的。

江苏省地震局于1983年在苏北郯庐断裂带共布设4个场地，从南向北依次为重岗场地、晓店场地、马陵场地、城岗场地(吴晓峰等，2014)，其中重岗、城岗两场地跨新沂—新店断裂，马陵、城岗场地跨何庄—晓店断裂。江苏省地震局跨断层水准测量严格按照《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006)规定的作业流程实施测量，按照既定路线晓店0、晓店1、晓店2……晓店9的顺序依次进行。最后一段重整仪器并交换水准尺之后按照相反的方向依次返测，直至晓店0号点测量结束(代宪鹏等，2017)。其中，晓店场地第1测段、第2测段距离相近且观测环境相对较好，有利于减少水准仪受外界环境差异影响所产生的误差(见图1)，为增加数据的可靠性，特选用这两段的数据作为实验对象。

图1 苏北跨断层水准测量郯庐断裂带晓店场地分测线分布示意图

2 仪器参数

江苏省地震局从2010年1月开始使用数字化水准仪开展跨断层测量工作，期间先后引进两种不同型号的数字型水准仪。2010年至2016年使用Trimble DiNi12型数字水准仪，2017年至2018年使用Leica DNA03型水准仪。两种水准仪的标称精度相同，其他参数各有不同，主要技术参数见表1。

表1 Trimble DiNi12型水准与Leica DNA03型水准仪测性能参数

3 数据对比分析

本文使用DiNi12型数字水准仪全生命周期上的2010年、2013年、2016年这几个比较有代表性的时间段对应测段所产生的闭合差数据进行对比分析，着重研究电子水准仪在时间尺度上的性能衰减特性。同时使用 2010年DiNi12型数字水准仪与2017年DNA03型数字水准仪测得的数据进行对比，分析两种电子水准仪在性能并未大幅衰减的1年内的性能差异。在此施测期间，观测员和扶尺人员相对固定，进一步减弱了由人员操作习惯不同所造成的误差。同时为了最大限度的减弱两种仪器受到降水、气压、温度等外部环境的影响(楼关寿等，2010)，本文选用不同年份相同月份所对应的两种仪器所测得的数据进行对比。为减弱测段长度和测站数对结果的影响，分别选取2016年与2017年晓店1至晓店2、晓店2至晓店3测站和距离都较为接近两测段数据作为实验对象。为减弱测段特殊性对数据的影响，特选用两段的数据同时比较，避免了仅使用其一测段的弊端。其中第1测段测站长度0.3 km，共设6测站，第2测段长度为0.4 km，共设8测站。详细的观测数据见表2～5。按照《跨断层测量规范》往返高差不符值限差(范久善等，1991)：

(1)

其中R为测线长度，R不足百米以0.1 km计，单位为mm。用每测段往返不符值计算每千米高差中数的偶然中误差(范久善等，1991)：

(2)

其中：Δ为测段往返高差不符值，单位为mm；R为测段长度，单位为km。R不足百米按0.1 km计算；n为测段数，即不符值个数。从表2～5可知Trimble DiNi12型数字水准仪2010年第1测段、第2测段在往返测段闭合差全年均值分别为0.04 mm与-0.05 mm，每千米偶然中误差分别为0.09 mm与0.10 mm，远低于容许限差，这表明在仪器投入使用的第1年内，此型号的水准仪所能达到的精度较高。至2013年每千米偶然中误差平均值明显增加，分别为0.35 mm与0.28 mm，说明在2010年至2013年期间仪器性能状况加速衰减。至2016年，两个测段每千米偶然中误差分别为0.22 mm与0.20 mm，与2013年保持相对稳定状态。

表22010年与2013年晓店第1测段往返测高差不符值和偶然中误差

月份测段长度/km2010年DiNi12仪器2013年DiNi12仪器不符值/mm偶然中误差/mm不符值/mm偶然中误差/mm容许值/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年与2013年晓店第2测段往返测高差不符值和偶然中误差

月份测段长度/km2010年DiNi12仪器2013年DiNi12仪器不符值/mm偶然中误差/mm不符值/mm偶然中误差/mm容许值/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年与2017年晓店第1测段往返测高差不符值和偶然中误差

月份测段长度/km2016年DiNi12仪器2017年DiNi13仪器不符值/mm偶然中误差/mm不符值/mm偶然中误差/mm容许值/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年与2017年晓店第2测段往返测高差不符值和偶然中误差

月份测段长度/km2016年DiNi12仪器2017年DiNi13仪器不符值/mm偶然中误差/mm不符值/mm偶然中误差/mm容许值/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

从另外一个角度分析，Leica DNA03型数字水准仪2017年两测段每千米往返中误差均值分别为0.05 mm和0.10 mm，精度均低于Trimble DiNi12型数字水准仪2010年两测段中误差，这表明在观测环境相似的情况之下，Leica DNA03型水准仪相较于Trimble DiNi12型水准仪观测精度较低。分析发现，Leica DNA03型数字水准仪在往返闭合差的波动幅度仍然比Trimble DiNi12型水准仪大，这表明很大程度上前者在稳定性上劣于后者。因此，在其他观测环境基本相似的情况下，虽然Leica DNA03型数字水准仪与Trimble DiNi12型数字水准仪标称精度相同，但是从实际的测量实践中所能达到的精度和稳定性却不及Trimble DiNi12型数字水准仪，这与长期使用两种仪器的实际情况相符。

4 结束语

通过数据对比分析，可以得到以下结论：(1)Trimble DiNi12型数字水准仪与Leica DNA03型数字水准仪在精度上均可满足限差要求。(2)从Trimble DiNi12型数字水准仪整个生命周期监测数据来看，实测结果显示全新仪器在投入使用前期的性能会急剧衰减，中期及以后衰减速度减缓或者保持相对稳定的状态，符合一般规律。根据实践经验，仪器进入生命周期后期不仅性能不稳定，还容易出现突跳情况，硬件故障频率会明显升高，严重影响观测数据精度和工作进度。(3)在2010年与2017年两台数字水准仪分别投入使用的第1年时间内，即两台仪器综合性能衰减都较小的这段时间内，Leica DNA03型数字水准仪性能在稳定性方面表现略差，这导致在实际施测过程中很容易出现某一测段或者某几个测段严重突跳的情况。(4)仪器标称精度具有一定的参考意义，但随着时间的流逝，仪器实际所能达到的精度会存在衰减，且稳定性也随之减弱。观测人员应关注仪器性能各方面的变化，在仪器使用超过6年出现稳定性较差或者突跳过于频繁时应考虑仪器更新。