基线测量技术更新的实用化研究*

刘天海 尚红 寇建新 陈亮 杨怀宁 张金城

(1)中国地震应急搜救中心，北京100049) 2)河北省磁县地震局，磁县056500

基线测量技术更新的实用化研究*

刘天海1)尚红1)寇建新1)陈亮2)杨怀宁1)张金城1)

(
1)中国地震应急搜救中心，北京100049) 2)河北省磁县地震局，磁县056500

针对基线测量逐渐淘汰的现实，结合工作实际开展了用精密测距替代基线丈量的实用化研究与试验。通过测量误差分析，结合仪器性能和基线测量技术要求，在理论研究的基础上，进行了室内外大量测试，不断改进技术设计，修订操作规程，实现了基线测量技术的更新换代和数字化改造。6年多的监测实践表明，基线测量技术更新是成功的。

基线测量;精密测距;跨断层测量;三维变形监测;技术更新

AbstractIn so much as the reality that the baseline measurement will be gradually falling into disuse，precise range measurement instead of baseline measurement is practically studied and tested.By means of the analysis of measurement error，the combination with the related equipment performance and its technical requirement，and on the basis of the study for theory，precise range measurements had been conducted numerously indoor and outdoor.In the meantime，its technical design is constantly modified，and its operational regulation is revised as well.As a result，the baseline measurement technique is updated and digitally remodified.The results of 6 years monitoring show that the updated baseline measurement technique is successful，the achievement is worth to be widely applied.

Key words:baseline measurement;precise range measurement;across-fault measurement;3D deformation monitoring;technical renovation

1 问题的提出

跨断层形变监测被认为是较可靠的地震前兆监测手段之一［1－21］。截至2009年，全国范围内在测的跨断层形变场地约有340处，其中29处进行了精密水准测量和基线(或精密距离)测量，实现了跨断层三维变形观测。其他场地仅进行单项水准观测，未能获取监测点的三维变形信息，使资料的实际应用价值受到限制。

究其因是跨断层测量距离一般较短，通常只有几十米到上百米，水平形变测量采用传统的基线丈量法。该方法使用24 m的因瓦线尺丈量，这种人工模拟观测虽可获得较高的精度，但组织实施较困难，场地布设有特定要求，建设与监测投资较大，难以普及。尤其是近20年来，用于基线测量的因瓦线尺已停产，基线丈量已逐步被淘汰。为获取跨断层场地三维变形监测信息，急需寻求满足基线测量精度要求的短距离精密观测方法。

使用高精度测距仪理论上可实现短距离的精密测量，但按照规范［22］要求，当测量距离在50 m之内(1～2尺段)时，测量成果的相对精度应满足1/50万，50 m以上时应优于1/70万。这就意味着50 m内多次距离测量的中误差不得大于±0.10 mm，100 m的距离测量中误差应小于±0.143 mm，即使采用精密测距仪在常规测量中也难以满足此精度要求。

近年来，随着高稳定性精密测距仪的问世，使得可满足基线丈量精度的短距离测量成为可能。本文通过对Leica精密测距仪性能的研究与大量实践认为，使用该系列仪器通过采取相应的技术措施，在较短距离上可获得传统基线丈量的精度，且组织实施较传统基线丈量更便捷，建设与运行投资更小。

2 可行性研究

2.1 仪器性能分析

短距离高精度测量仪器至少应具备两个条件:足够高的内符合精度和分辨率及长期稳定性和可靠性。Leica系列精密测距仪具有0.1 mm分辨率，标称精度为±(1 mm+D·10－6)。

表1给出了Leica 3种型号精密测距仪近年来加常数与乘常数测定结果。其中，加常数为仪器与反射镜综合值，乘常数按文献［22］补充规定通过直接测定仪器的工作频率获得。统计数据显示，此类仪器的加常数与乘常数长期稳定性较好，仪器的加常数测定中误差基本可控制在±0.12 mm左右，乘常数测定中误差可控制在±0.09×10－6内。

表1 仪器加常数与乘常数测定结果统计Tab.1Statistics of the results of equipment’s addition and proportion constant measurement

2.2 误差分析

2.2.1 仪器方面的误差m1

仪器方面的误差m1主要包括加常数测定误差ma、乘常数测定误差mb和仪器本身机-电特性及随机噪声影响导致的观测误差mc等。

仪器加常数测定误差ma经大量实际观测结果根据文献［23］，短距离精密测量的偶然误差m主要包括来自仪器方面的误差m1、气象误差m2、点位对中误差m3、仪器高镜高改正误差m4和观测误差m5等。根据误差传播理论，其综合误差可表示为:统计，单次测定通常可控制在±0.12 mm左右，按技术规范要求，对于稳定的仪器其加常数采用测前测后均值，故此误差可控制在±0.085 mm左右。

仪器乘常数测定误差mb，多年实测结果统计表明，单次测定通常小于±0.09×10－6，同样乘常数改正也取测前测后均值，故此误差可控制在0.064 mm左右。对于50 m边长其影响为±0.003 mm左右，而当被测距离达到500 m时为±0.032 mm左右。

仪器本身的偶然误差mc，可通过开测前充分预热，观测中对仪器全面遮阳，以及定期进行标定检测与维护等措施，可得到有效抑制。大量外业观测实践表明，对于50 m边长mc单测回一般可控制在±0.1 mm之内。按技术要求每条边应观测4光段，每光段观测10测回，故其中数误差为0.016 mm左右。对于500 m边长mc单测回一般可控制在±0.3 mm之内，4光段10测回中数误差为0.047 mm左右。3项误差的综合影响表示为:

将上述测算结果代入式(2)，可得到50 m观测边长时来自仪器方面的综合误差可控制在±0.087 mm内;而500 m观测边长时该综合误差可控制在±0.102 mm以内。

2.2.2 气象误差m2

文献［24］的分析表明，当干温测定误差在1℃时对距离观测值的影响约为1×10－6;当气压测定误差在1 hPa时对距离观测值的影响约为0.3× 10－6，而湿温测定误差对观测距离的影响通常仅有干温的十分之一，一般可不必顾及。

在实际作业中，干温测定误差一般可控制在0.2℃，气压测定误差可控制在0.3 hPa。为此，气象误差对距离观测结果的影响在0.219×10－6左右。对于50 m边长，该影响约为±0.011 mm，当观测边长为500 m时可达到±0.110 mm。

由于跨断层测线一般均较短，且按规范要求在仪器站和镜站分别测定气象元素，气象代表性误差较小。当边长在50 m内时，干温和气压代表性误差通常小于0.2℃和0.3 hPa，对观测成果影响也在± 0.219×10－6左右，即对应50m边长为±0.011 mm。当边长为500 m时，干温和气压代表性误差通常小于0.4℃和0.6 hPa，对测距成果影响为±0.439× 10－6左右，对应500 m边长为±0.220 mm。

综合考虑两项气象误差，对于50 m边长，m2= ±0.016 mm;对于500 m边长，m2=±0.246 mm。

2.2.3 点位对中误差m3

按照规范要求，跨断层距离测量必须采用强制对中，较可靠的方法是直接采用螺丝螺母对接，并确保连接的稳固、可靠性，以及重复操作的一致性。采用强制归心一次观测可使对中误差控制在0.1 mm内。由于最终观测结果为4次独立对中观测，且每次观测中间检查并对中一次，故此项误差一般可控制在0.035 mm。

2.2.4 仪器与反射镜不等高改正误差m4

m4为仪器高i与反射镜高v不等高改正误差，当被测距离较长及倾角较小时，此项改正并不显著，但在短距离大高差时却不可忽视。i、v不等高时距离测量结果改正计算公式为:式中:D1为仪器观测值;D2为经i、v改正后的观测值，Δ=i－v;h为镜站与仪器站间高差，且h=H镜－H仪。

对式(3)Δ作微分可得到:

由于Δ一般较小，由式(4)可看出，Δ的变化对观测距离改正的影响与被测边的长度成反比，与两测点间高差成正比，即观测边长D1越短相对影响越大，两点间高差h越大影响越显著。而跨断层场地正是具有边长短高差相对较大的特点，尤其是在山区布设跨断层场地更是如此，使得次项改正在跨断层短边测距误差分析中具有特殊意义。

根据现行测量规范要求，外业测量将进行对向、多组观测，使此项误差得到一定控制。实际上，对于测距仪和反射镜本身其基本高度一般不会发生改变，而可变的为测距仪和反射镜在整平过程中调整脚螺旋引起的高度变化，导致仪器高i和反射镜高v的改变。为准确测定i、v值的大小，通常是在室内精确测定设备固定部分的高度，野外测量时用游标(千分尺)精确量取脚螺旋的变化，从而可使Δ误差控制在±0.5 mm内。按规范要求进行4次测量时，该误差将减小到±0.25 mm内。

跨断层监测场地高差与边长之比为1:10时，根据式(4)m4误差为±0.025 mm左右。当该比例为1:5时，由式(4)m4误差将增加一倍。因此，在短距离精密测距场地布设时应注意控制两点间高差与观测边长的比，一般不得大于1:10。

2.2.5 观测误差m5

观测误差m5与观测员个人技术有关，但由于该系列仪器为自动采集数字显示，每一结果为多次采集数据之中数，并在仪器内部设置了误差阈值，因此在边长50 m内单次观测该误差可控制到0.1 mm，500 m边长可控制在0.3 mm左右。由于每条边长按规范要求观测4个光段，每光段观测10测回，其平均值为最终结果，故边长50 m内可使该误差控制在±0.016 mm范围内;边长达到500 m时，可使该误差控制在±0.047 mm内。根据技术规范要求，跨断层精密距离测量严禁在观测条件不良时进行作业，如通视不佳、大雾、呈像跳动、反射镜周围有强返射光源、风力超过4级、回光信号小于70%、下雨天气、观测中气象骤变(一条边观测过程中温度变化＞1℃或气压变化＞1hPa)等，使得观测误差得到有效控制。

2.2.6 综合误差评定

将相关误差测算结果代入式(1)可得到边长50 m内综合误差m50=±0.100 mm，500 m内综合误差m500=±0.274 mm。

通过上述分析，在严格执行短程精密测距技术规程前提下，对于50 m的边长综合误差可基本控制在±0.1 mm，500 m时可控制在±0.3 mm，从而可实现在50 m内相对精度达到1/50万，大于50 m时达到1/70万的精度指标。上述分析也说明测线在较短(小于50 m)时相对观测精度难以保证，为发挥精密测距的技术特点，跨断层形变监测测线应适当增长，使测量成果的最终误差控制在设定的范围内。

2.3 监测精度统计对比

表2为2003—2009年首都圈基线场地采用精密测距后精度统计，根据观测边不同长度，表中按50 m内、50～100 m和大于100 m 3区段进行统计，在相对中误差计算时边长S在50 m内取50 m，50～100 m取100 m，100 m以上按所有统计边实际边长中数计算。由表2可看出，对不同长度的测线实测精度均满足技术规范要求。表3为全国跨断层技术管理组提供的四川省地震局8个基线场地17条基线边，及云南省地震局12个基线场地25条基线边2002—2008年基线丈量精度统计结果。

比较表2与表3可看出，跨断层场地采用精密测距后与传统基线丈量在测量精度上具有一致性，表2平均相对精度处于表3两省监测精度之间。而在50 m内(1～2尺段)，精密测距平均精度为1/ 130万略高于两省基线丈量的均值1/124万;对于50～100m的边(3～4尺段)，精密测距平均精度为1/248万，也高于两省基线丈量的均值1/178万。比较表明，采用精密测距技术可达到传统基线丈量的精度。

表2 2003—2009年首都圈跨断层场地采用精密测距后精度统计表Tab.2Statistics of the precise range measurement of cross-fault sites in the capital circle from 2003 to 2009

表3 2002—2008年四川省、云南省地震局基线丈量精度统计表Tab.3Statistics of the precision of the baseline measurement measured by Sichuan＆Yunnan Earthquake Administrations between 2002 and 2008

3 监测效果检验

首都圈地区自20世纪70年代初开始陆续布设跨断层三维形变监测场地，其中水平形变一直采用基线丈量，复测周期为12次/a，自2003年起采用精密测距替代基线测量。图1为基线丈量与精密测距观测曲线对比，其中图1(a)为斜交基线，图1(b)为直交基线，图中2003年6月前为基线丈量结果，2003年7月后为精密测距结果。图1观测曲线显示，采用精密测距替代基线测量后并未影响观测精度，各观测边基本仍维持原变化形态。采用精密测距替代基线测量后每期需进行测距仪常数测定，并对成果进行改正，由于各期加常数测定间存在一定的误差，对监测资料带来一些影响，故图1中部分年周期稳定或变化规律一致性较好的场地在2003年7月后出现一些差异，但对曲线整体形态和资料分析使用影响不大。

图1中各场地观测曲线衔接，是通过2003年6月对同场地采用两种方法同步观测结果归算得出的，而每场地均进行多测回对比测量，成果可靠。另外，精密测距替代基线测量直接产出结果为两点间斜距，与测线高差无关。

4 结语

鉴于基线测量因瓦线尺早已停产，传统的模拟观测方法逐步淘汰，为适应短边精密距离测量的需要，在理论研究基础上，经反复技术论证与设计，以及大量野外试验，于2003年将精密测距用于基线测量获得成功，实现了传统基线测量技术更新与数字化采集，与原有基线测量成果实现了“无缝”衔接，为跨断层场地三维形变监测及相关短边高精度监测提供了借鉴方案。短程精密测距技术已于2006年开始用于大型水库诱发地震监测中，收到预期的效果。但对于短边长大高差场地如何进行综合误差控制，仍需进行深入研究与实践。

致谢感谢中国地震应急搜救中心现场部、四川省地震局、云南省地震局、中国地震局第二监测中心监测队的大力协助!

图1 首都圈跨断层场地基线丈量与精密测距观测结果比较Fig.1Comparison between results of baseline measurement and precise range measurement of cross-fault sites in Capital circle

1李杰，等.沂沭断裂垂直形变与断层活动特征分析［J］.大地测量与地球动力学，2002，(2):106－111.(Li Jie，et al.Analysis of characteristics of vertical deformation and faulting of Yishu fault zone［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2002，(2):106－111)

2薄万举，张祖胜，郭良迁.昆仑山口大地震与地形变异常的讨论［J］.大地测量与地球动力学，2003，(1):22－28.(Bo Wanju，Zhang Zusheng and Guo Liangqian.Discussion of Kunlun Mountain large earthquake and related anomalies of crustal deformation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(1):22－28)

3刘善华.华北地区强震前断层形变异常与演化特征［J］.大地测量与地球动力学，2003，(2):15－22.(Liu Shanhua.Fault deformation anomaly and its evolutionary character before strong earthquakes in north China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(2):15－22)

4郭良迁，薄万举，杨国华.华北地区断裂带的现代形变特征［J］.大地测量与地球动力学，2003，(2):29－36.(Guo Liangqian，Bo Wanju and Yang Guohua.Characteristics of current deformation of fault belts in north China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(2):29－36)

5陈兵，王庆良，张四新.青藏块体北部构造形变与玉门5.9级地震［J］.大地测量与地球动力学，2003，(2):23－28.(Chen Bing，Wang Qingliang and Zhang Sixin.Recent tectonic movement characteristics of northern part of Qinghaitibet block and Yumen Earthquake(Ms 5.9)［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(2):23－28)

6邢西淳，等.陕甘宁青地区的地形变特征与强震活动［J］.大地测量与地球动力学，2003，(2):80－86.(Xing Xichun，et al.Charcteristics of crustal deformation related to strong seismicity in Shan-Gan-Ning-Qing area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，(2):80－86)

7李杰，李明海，刘喜强.利用小波变换方法分析跨断层形变异常［J］.大地测量与地球动力学，2004，(3):73－77.(Li Jie，Li Minghai and Liu Xiqiang.Analyses of anomaly of cross-fault deformation after wavelet transform method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(3):73－77)

8刘善华，张鹤，李民.强震孕育与断层形变异常形态及时空分布特征［J］.大地测量与地球动力学，2004，(4):48－56.(Liu Shahua，Zhang He and Li Min.Form of fault deformation anomaly and time-space characteristics in development of strong earthquakes in north China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(4):48－56)

9张希，薛富平，王双绪.大姚、民乐-山丹地震前的中短期前兆［J］.大地测量与地球动力学，2004，(4):57－63.(Zhang Xi，Xue Fuping and Wang Shuangxu.Medium and short-term precursors of fault deformation before Dayao and Minle-Shandan earthquakes［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(4):57－63)

10焦青，邱泽华，范国胜.北京地区八宝山-黄庄-高丽营断层的活动与地震［J］.大地测量与地球动力学，2005，(4):50－54.(Jiao Qing，Qiu Zehua and Fan Guosheng.Analysis on recent tectonic activity and seismicity of Babaoshan-Huangzhuang-Gaoliying fault in Beijing region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(4): 50－54)

11施顺英，等.云南文山5.3级地震跨断层形变短期前兆异常研究［J］.大地测量与地球动力学，2005，(4):55－58.(Shi Shunying，et al.On short-term period precursors of cross-fault deformation before Wenshan Ms 5.3 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(4): 55－58)

12刘文义，张希，张四新.用形变测量实现地震跟踪预测方法的研究［J］.大地测量与地球动力学，2006，(增刊.): 17－21.(Liu Wenyi，Zhang Xi and Zhang Sixin.Research on the realization of earthquake prediction adopting deformation measurement method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(Supp.):17－21)

13张四新，等.地震前后断层测点群体活动的量化指标［J］.大地测量与地球动力学，2006，(2):53－57.(Zhang Sixin，et al.Quantized index of swarm movement of observation sites in faults before and after earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(2):53－57)

14周硕愚，等.GPS对地震预报的推进和问题研究［J］.大地测量与地球动力学，2006，(3):111－117.(Zhou Shuoyu，et al.On propulsion for earthquake prediction by GPS and problems［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(3):111－117)

15郑申宝，等.用形变资料分析青藏地块东北缘地壳受力特征［J］.大地测量与地球动力学，2006，(增刊):64－68.(Zheng Shenbao，et al.Analysis on the dynamics character the northeast edge of Tibet block［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(Supp.):64－68)

16张希，等.川滇地区近期地壳运动的应变积累［J］.大地测量与地球动力学，2007，(4):8－15.(Zhang Xi，et al.On strain accumulation of recent crust movement in Sichuan-Yunan area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(4):8－15)

17施顺英，等.基于跨断层形变异常预测云南地震的试验［J］.大地测量与地球动力学，2007，(5):82－87.(Shi Shunyin，et al.Scientific test for earthquake prediction in Yunnan based on fault-crossing deformation anomaly［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(5):82－87)

18焦青，等.汶川8.0级地震前后龙门山断裂活动特征浅析［J］.大地测量与地球动力学，2008，(4):7－11.(Jiao Qing，et al.Preliminary study on motion characteristics of Lonmenshan fault before and after Ms8.0 Wenchuan earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(4):7－11)

19范国胜，焦青.汶川地震前川滇地区断裂活动特征分析［J］.大地测量与地球动力学，2008，(6):27－30.(Fan Guosheng and Jiao Qing.Analysis of fault activity characteristics in Sichuan-Yuannan area before Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(6):27－30)

20林淑冰，王志鹏，占惠.长乐-诏安断裂带垂直形变与断层活动特征分析［J］.大地测量与地球动力学，2009，(5):43－46.(Lin Shubing，Wang Zhipeng and Zhan Hui.Analysis of characters of vertical deformation and fault movement of Changle-Zhaoan fault zone［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(5):43－46)

21李瑞莎，等.川滇地区断层活动与地震关系研究［J］.大地测量与地球动力学，2009，(增刊):20－24.(Li Ruisha，et al.Study on relation between fault activity and earthquake in Sichuan-Yannan region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(Supp.):20－24)

22国家地震局.跨断层测量规范［S］.北京:地震出版社，1991.(China Earthquake Administration.Specification for cross-fault geodetic measurements［S］.Beijing:Seismological Press，1991)

23陈健，陶本藻.大地形变测量学［M］.北京:地震出版社，1987.(Chen Jian and Tao Bencao.Crustal deformation geodesy［M］.Beijing:Seismological Press，1991)

24刘天海，王广余.论DI2002激光测距仪的气象改正［J］.地壳形变与地震，1999，(2):70－75.(Liu Tianhai and Wang Guanyun.Discussion on the meteorological correction of the DI2002 laser range finder［J］.Crustal Deformation and Earthquake.1999，(2):70－75)

STUDY ON PRACTICALITY OF UPDATED BASELINE MEASUREMENT TECHNIQUE

Liu Tianhai1)，Shang Hong1)，Kou Jianxin1)，Chen Liang2)，Yang Huaining1)and Zhang Jincheng1)(
1)National Earthquake Response Support Service，Beijing100049) 2)Earthquake Adiministration of Cixian，Hebei Province，Cixian 056500

P201

A

1671-5942(2011)03-0150-06

2011-02-12

中国地震局地震行业专项(201008012)

刘天海，男，1953年生，研究员，主要从事大地测量与地震前兆预测研究.E－mail:liutianhai@263.net