TM50在跨断层水平位移(短程)测量中的应用

易天阳, 王伟力, 温军军, 卓如峰

(四川省地震局测绘工程院,四川 雅安 625000)

技术交流

TM50在跨断层水平位移(短程)测量中的应用

易天阳, 王伟力, 温军军, 卓如峰

(四川省地震局测绘工程院,四川 雅安 625000)

对于短程跨断层水平位移测量，采用高精度光电测距仪是较好的选择，就目前的测量技术与作业方法而言，徕卡测量机器人TM50无论在测量精度还是作业速度上都具有很好的表现。通过两个跨断层场地的实例展现了TM50在跨断层水平位移测量中的应用，并对多周期实例数据进行了比较分析。

断层； 位移测量； 气象修正； 周期误差修正； 仪器常数修正

0 引言

跨断层微量位移测量的目的在于了解断层活动的方式，以便探索断层活动与地震的关系[1]。对于跨断层位移测量，通常使用测量学的方法长期连续地精密测量断层两侧的垂直位移和水平位移，以确定断层的活动情况。由于观测技术条件的局限，多年以来水平位移观测常采用因瓦基线尺进行数据获取。该方法测量精度高、受环境温度和气压的影响小，但往、返测交换基线尺的方向有时会受到场地的限制而导致操作难度大、测量距离短、作业人员需求多、劳动强度大、场地跨越公路的情况存在安全隐患以及跨沟壑的断层场地难以进行数据采集等缺点。随着观测技术的进步，GPS、光电测距成为目前跨断层水平位移测量的主要观测技术[2]，其中高精度GPS技术由于其自身特点主要用来监测火山地震、构造地震、全球板块运动，尤其是板块边界地区的重要手段。文献[3]提到了基于GPS技术等大地形变监测获取的现今地壳运动的微动态定量信息对地震预测是十分重要的。而对于短程距离(3 km以内)的跨断层场地，采用高精度光电测距仪是目前跨断层位移测量的较好选择(表1)。对于既有跨断层的短程测距观测场地，当点间通视存在困难时，为了能将多年累积下来的观测资料予以利用和比较分析，可以采用自由设站的方式进行数据采集，但观测限差和成果精度需满足规范的指标要求，对于新建场地应考虑点间采用对向观测的测量方式进行点位的选埋。

表 1 测距方式比较表

1 技术要求

依据《中、短程光电测距规范》及《地震地壳形变观测方法 跨断层位移测量》规范，仪器设备主要技术要求列于表2。

表 2 仪器设备技术指标[2，4]

2 数据采集

测量过程采用机载程序软件进行测回数、正倒镜、自动照准、观测限差等的自动控制。为了保证测回间的测距较差限差，要求一次设站(可能会有多个观测目标)的所有测回应在短时间内完成，从而保证在一次设站的观测时间段内气象要素不会有太大的变化，因此一次设站的测回数(规范要求不少于4个测回)和方向数都不宜太多，同时对仪器的观测精度和观测速度提出了较为苛刻的要求。在目前的技术条件下，徕卡测量机器人TM50能够自动精确照准目标并快速完成测量，而且其观测精度能够满足规范的要求。仪器测量时采用标准气象条件下的气象值进行数据采集，以辅助观测的方式读取并记录相应站点观测过程的仪器高、镜高和气象元素，内业数据处理时匹配其实际观测时的气象信息来进行观测斜距的气象改正，并辅以观测标志间的高差、仪器高、棱镜高进行斜距改正(或采用天顶距改平)。数据采集技术指标如表3、4。

表 3 距离观测技术要求[2,4]

表 4 距离测量较差限值[2，4](单位:mm)

当采用三角高差(天顶距)进行斜距改平时，垂直角的观测限差应满足表5的要求。

表 5 垂直角观测技术要求[5] (单位：s)

3 数据处理

仪器获取数据为标准气象条件下的斜距、天顶距、水平角，为了使周期间获取的数据具有可比性，需要对标准气象条件下获得的数据进行各项修正计算。

3.1 气象修正

这是电磁波测距的重要改正，因为电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大。此项改正的实质是大气折射率对距离的改正,因折射率与气压、温度、湿度有关，所以习惯上称为气象改正[6]。在作业时实际气象条件下的群折射率n的计算公式为[6-7]：

(1)

式中:λ为真空中光波的有效波长，单位为μm。

气象修正按式(3)计算[4]：

(3)

式中:D′(m)为观测距离，下同。

3.2 周期误差修正

3.3 仪器常数修正

仪器加、乘常数属于系统误差，可通过仪器检定机构对仪器的年检获取，测量使用配套的徕卡圆棱镜。加常数修正值按式(4)计算，乘常数修正值按式(5)计算[4]：

(4)

(5)

3.4 斜距改平

边长观测时在观测墩上的每次设站仪器高和目标架设高度不能够相同，使得期次间的观测斜距值不能直接进行比较。当观测距离D′经过各项修正后的测量斜距D化算为水平距离且将水平距离化算到同一参考面上才能将对应边的数据进行周期比较，从而判定断层随时间的相对位移变化情况。

(1) 三角高差改平

当对向观测三角高差成果满足式(10)要求时利用观测天顶距和斜距计算水平距离。对于短程距离，将测量距离(斜距)进行倾斜改正，化为水平距离按式(6)计算。

(6)

(2) 水准高差改平

观测距离D′经过各项修正以后，对于短程距离将测量距离化算为水平距离按式(7)计算。

(7)

需要注意的是，ΔH并不是直接采用水准高差的测量值，因为仪器测量的是仪器中心与棱镜中心间的斜距，计算采用的ΔH除包含水准高差的测量值外，还应包含仪器高与目标高度的差值。

图1 水准高差、仪器高、镜高示意图Fig.1 Sketch of leveling height different,instrument height, and target height

依据图1所示，i为仪器高，v为目标高，hAB是水准点A、B间的高差，ΔH是斜距改平采用高差，D为修正后的斜距。则IM间的高差ΔH有如下关系式：ΔH+i=hAB+v，从而有ΔH=hAB+v-i。另外，如果知道A、B点的高程HA、HB的话，则IM间的高差ΔH有如下关系式：ΔH=HB+v-(HA+i)。

4 精度评定

精度评定是对测量成果可靠性进行的评估。在跨断层位移测量中似乎应该忽略测量角度的影响。对于场地环境能够方便等级水准测量高差而进行倾斜改正的话，对测量角度加以关注是不必要的；但是对于端点间不方便等级水准观测，但满足采用三角高差进行倾斜改正的场地，除了对对向观测距离进行精度评估外，还需对三角高差成果的符合性(对向高差之差)进行评估。

4.1 测量距离精度评定

距离测量结果的精度评定参照《中、短程光电测距规范》对向观测距离的精度评定要求进行中误差计算,并参照《跨断层测量规范》关于测距相对中误差的限值进行合格评定。

(1) 对向观测的平均值中误差[4]：

(8)

(2) 相对中误差[4]：

(9)

4.2 三角高差成果符合性

采用三角测量确定高程差并进行倾斜修正。对向观测时，高差之差应满足式(10)的要求。

(10)

5 应用实例

(1) 点间高差满足三角高差改平的符合性判定(表6)

(2) 计算实例

实例涉及4个周期的数据。由于数据表较多，不予详细罗列，两个场地分别以最近一期成果数据为例(表7，表8)。

依据测前点间高差符合性判定，宝兴县五龙乡场地的A-D、B-D边和西昌市大箐乡A-C边满足三角高差进行改平，首先对三角高差成果的符合性进行判定(表9)。在满足规范要求的前提下进行改平计算(表10)，并将高差改平的结果与水准高差改平的结果进行比较(表11)。

表 8 2015年9月西昌市大箐乡场地距离测量成果表

表 9 三角高差成果用于倾斜改平的符合性判定表

表 10 三角高差改平的成果表

(3) 周期数据的测量成果比较分析

独立的一周期测量只能反映当时周期的测量成果自身的精度情况。为了能够跟踪监测跨断层场地端点间的水平位移相对变化情况，需要对对应边的各期次进行期次间的数据比较，并对各期次的成果数据较初始期次数据成果的累积变化予以比较和分析(图2)。

表 11 不同改平方式的成果较差表

从图3、表12可以看出，宝兴县五龙乡场地各监测边在周期间的最大较差在B-C(断层同侧点)边(2015.9)，达-2.49 mm。该场地测量边相邻期的距离相对变化值最大为6.44×10-6，其他较差均在±1.3 mm以内，期间变化较为平稳；较初始期的累积变化量均在±2 mm以内，最大为-1.76 mm，距离相对变化值最大为4.55×10-6，数据对场地的表现为平稳。

从图4、表13可以看出，西昌市大箐乡场地断层同侧的点间距离相对变化无论是期间较差还是累积变化，都表现得比较稳定，没有急剧变化；断层两侧监测点间距离的相对变化较为活跃，起初体现为断层拉开(2015年3月—2015年5月)，接下来的期间变化体现断层继续拉开的幅度有所放缓(2015年5月—2015年7月)，在2015年9月时部分点间距的变化表现为急剧缩短，变化量在(-5.2，-2.9)mm，该场地测量边相邻期的距离相对变化值最大为5.77×10-6；从累积变化图也不难看出，较初始期的累积变化量逐渐增大(2015年3月—2015年7月)，后又急剧减小(2015年7月—2015年9月)，向初始测量值靠近并呈压缩态势(平→张→压)，距离相对变化值最大为4.42×10-6，数据对场地的表现为平稳。

图2 两综合场地Fig.2 Two cross-fault sites

图3 宝兴县五龙乡场地Fig.3 Site in Wulong town，Baoxing county

边名称A⁃C月份边长值/m期间较差累积较差A⁃D边长值/m期间较差累积较差B⁃C边长值/m期间较差累积较差2015．5769．24888相对变化相对变化545．67762相对变化相对变化386．71460相对变化相对变化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边名称B⁃D月份边长值/m期间较差累积较差C⁃D边长值/m期间较差累积较差2015．5645．43370相对变化相对变化802．36973相对变化相对变化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 结语

通过TM50在跨断层位移测量中4期观测的应用实例，在观测指标满足相关规范要求下进行数据采集，并对观测数据进行相关修正和不同方式的倾斜改平后发现：

(1) 高差改平的测量边精度满足规范要求；

(2) 满足三角高差改平的测量边精度满足规范要求；

表 13 西昌市大箐乡场地测距成果分析表(较差值单位数为mm)

图4 西昌市大箐乡场地Fig.4 Site in Daqing town，Xichang city

(3) 满足三角高差改平的测量边与水准高差改平的测量边的结果基本一致，其较差满足规范要求的较差限值。

另外，采用TM50进行跨断层水平位移的监测方法便于内业数据资料整理，其作业速度快，人员需求少，较常规因瓦基线尺测距能够大大降低野外作业人员的劳动强度。

注：应用及数据来源于四川省地震局测绘工程院与中国地震局地震预测研究所协作关于“龙门山断裂带南段形变综合观测场及安宁河断裂带形变综合观测场”的动态跟踪研究项目。

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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 基金项目：中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2014IES010201,2014IES010201)

易天阳(1976-)，男(汉族)，四川遂宁人，工程师，硕士，从事地震监测工作。E-mail:sunsky-yi@163.com。

TD178

A

1000-0844(2016)06-1010-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.1010