引言

高精度水准测量是大地测量领域最为悠久的方法,在地壳垂直形变研究、城市地面沉降监测、高精度水准控制网的确定建立等方面发挥了不可替代的作用。比如,跨断层的短水准测量被广泛应用于全国各个地震台站,利用这些资料能够分析和发现地震前跨断层异常形变的特征(张跃刚等,2002);利用二等水准测量方法进行地面沉降监测,划定地表下沉危险区,并结合地质条件分析,对掌握沉降规律、预测沉降趋势具有积极的现实意义(邹超,2011);国家一等水准网主要担负国家高程系统维护和高程基准的传递,是国家高程骨干控制框架,尽管现在大地测量技术出现革新性的变化,但在精密正高测定和传递上,尚没有其他技术能够取代国家一等水准网(张全德,2008)。

传统水准测量一般采用光学水准仪(比如蔡司Ni002A),实践表明其具有精度高、观测结果稳定等优点,但其观测效率较低,并且由于仪器的停产目前已经无法满足实际需要。近年来数字水准仪(比如蔡司DINI12)作为传统光学水准仪的替代品逐渐在高精度水准测量中发挥作用,两类仪器具有不同的标称精度。

为了对比两类仪器在实际观测中的性能,本文基于2003年和2004年两期同线路一等水准观测资料(马各庄-紫荆关全线长约66.5km),从观测时间、工作强度、测量精度和高差对比分析等方面,对光学水准仪和数字水准仪观测模式进行了研究。

1 仪器性能指标

实验中采用的仪器为德国蔡司仪器公司出产的Ni002A和DINI12,其中前者为光学水准仪,后者为数字水准仪。实验中所用的数字水准仪和光学水准仪以及标尺,已通过了计量检定部门的各项检查(见表1),其结果均符合《地震地形变数字水准测量技术规范》(中国地震局,1996;任道胜等,2004)和《国家一、二等水准测量规范》要求(肖学年等,2006)。

表1 光学水准仪和数字水准仪及标尺检查项目 Table 1 List of check-ups for optical and digital leveling instruments
2 实验概况

2003年和2004年所开展的水准观测是鄂尔多斯地块周缘地区区域精密水准测量观测任务的一部分,本文选取这两年同一实验测量路线。该测线被命名为“马紫线”,均起始于河北省涞水县马各庄村,终止于河北省易县紫荆关镇,全线共3个区段,22个测段,施测66.7km,其中数字水准仪共计1891个测站,光学水准仪共计1612个测站。

整体而言,水准测量周边环境较好。测线方向为南北向,测线道路为柏油实土路面,两侧有少量树木。测线穿越山区,车流量不大。观测时间在7、8月份,气温较高,雨水较多,坡度较陡。最高温度达到35℃,在山区主要是早晚温差比较大,最高温差达到20℃。图1为2003年和2004年实验区测线分布图,其中红色区域为本文中使用的测线数据。

图 1 2003年和2004年实验区测线分布图 Fig. 1Leveling survey lines of the study region in 2003 and 2004
3 实验与分析
3.1 仪器操作对比分析

数字水准仪与光学水准仪工作原理上的不同,决定了其操作的差异性。DINI12数字水准仪基本结构分为光学部分和电子部分,其中DINI12的光学部分与Ni002A水准仪一样,但电子部分实现了自动读数和控制。数字水准仪读取与视准轴对称的15cm条码标尺影像,通过光电二极管列阵转换成数字信号,然后经过相关分析法得到的信息与机内存储的标尺标准信号不停地进行比较,直到找到最佳重合位置时,输出标尺读数和水平距离(孔祥元等,1991)。根据两类仪器的说明书,表2给出了其主要技术参数。

表2 光学水准仪与数字水准仪的主要技术指标 Table 2 Technical configurations of optical and digital leveling instruments

从以上两种仪器的主要技术指标可以看出,数字水准仪比较轻便、操作步骤相对简洁、分辨率高、数据的读取和记录等实现了电子化,在一定程度上减少了观测者的工作量。另外,利用数字水准仪进行精密水准观测,能很好地避免人为误差的影响,保证了成果质量的可靠程度。

3.2 精度对比分析

对实验区数据处理后,得到了如表3所示的计算结果。表中给出了两类观测实验统计情况,限差依据见《地震地形变数字水准测量技术规范》(中国地震局,1996;任道胜等,2004)和《国家一、二等水准测量规范》(肖学年等,2006)。

表3 光学水准仪与数字水准仪观测结果统计 Table 3 Statistical analysis of measured data from optical and digital leveling instruments

表3的结果表明,实验中光学水准仪每公里偶然中误差、往返测高差不符值分别为±0.31mm、+1.21mm,测量精度优于数字水准仪。从成果的优良率来看,两类仪器测得的优级品公里数相近,但在数字水准仪测量过程中出现了某些测段不合限、返工重测的现象。

3.3 结果对比分析

根据2003年和2004年两类仪器的观测结果,笔者分析了两类水准仪的优劣。图2(a)为计算得到的两类仪器观测高差的平均值;图2(b)为数字水准仪与光学水准仪观测高差之差,其中横轴表示该测线上各个测点距起算点的距离。通过对以上数据的分析,从图中可以看出,最显著的特征是两类仪器的观测高差与高差之差存在正相关现象,相关系数的计算结果达0.85,而且高差变化越剧烈,二者相关性越明显,比如0—30km和45—70km范围内二者的相关系数达0.92和0.95,属于高度相关。另外,虽然30—45km范围内二者的相关性稍差,其相关系数也达到了0.60。上述结果显示,在高差变化剧烈的地区,光学水准仪与数字水准仪观测结果之间的差异也更加明显,而在高差变化平缓地区二者的差异较小。还有,66.7km的测线二者累计高差之差为5.5mm,每公里差异约为0.08mm,故光学水准仪和数字水准仪观测高差值之间差异的系统性不强。

图 2 数字水准仪与光学水准仪观测高差对比结果 Fig. 2Comparison of measured data between from optical leveling instrument and digital one
4 结论与讨论

针对光学水准仪与数字水准仪的技术指标、实际观测效率、观测结果的对比分析,笔者得出了以下几点认识。

(1)在仪器操作方面,光学水准仪在测量过程中操作相对较复杂,每站需要观测员用肉眼读取8个数据,且要求具有丰富的外业观测经验,能够处理随时出现的各种问题。数字水准仪在操作上比较简单、易上手,按照整平、照准、自动读取三步骤,并且在数据的传输与后期处理方面,数字水准仪存在很大的优势,是未来应用发展的一个方向。

(2)在工作效率方面,数字水准仪的优势是实现了自动化,减轻了观测员的负担,与光学水准仪相比,测量速度也较快。但是受各种复杂环境条件的影响,数字水准仪受外界环境影响较大,其稳定性略显不足,故出现返工的几率也较光学水准仪大。

(3)数字水准仪与光学水准仪的测量结果显示,其每公里偶然中误差和往返测高差不符值,均符合规范中的限差要求,总体观测成果较好。

(4)从数据分析得到的结果可以看出,同一测线两类仪器测量所得的高差存在差异,表现为高差变化剧烈地区二者的差异相对较大,且与高差变化呈强相关特性;在高差变化平缓地区二者的差异较小,与高差变化呈弱相关特性。两次实验计算高差之差约为5.5mm(测线距离为66.7km),考虑到实验间隔时间较长,因此该差异不能排除区域地壳运动的影响。

本文得出的结论,主要是基于一条66.7km的水准观测路线,数据采集使用的仪器分别为光学水准仪与数字水准仪各1台,故在此基础上得出的认识尚不完备。为了下一步研究分析得到更具普遍意义的成果,尚需开展更为广泛的实验。

致谢:在本文成文过程中,中国地震局第一监测中心武艳强副研究员给出了宝贵的建设性意见,在此表示感谢!

参考文献
[1]孔祥元,梅是义,1991.控制测量学. 北京:测绘出版社. [本文引用:1次]
[2]任道胜,陈如丽等,2004.《地震地形变数字水准测量技术规范》. 北京:地震出版社. [本文引用:2次]
[3]肖学年,姬恒炼等,2006.《国家一、二等水准测量规范》. 北京:中国标准出版社. [本文引用:2次]
[4]邹超,2011.浅谈城市地面沉降监测实践中的体会. 安徽建筑 ,18(2):168—169.[本文引用:1次]
[5]张全德,2008.国家第三期一等水准网设计. 测绘通报 ,(5):21—24.[本文引用:1次]
[6]张跃刚,孙佩卿,陈立强等,2002.短水准震前异常的演化特征. 华北地震科学 ,20(3):14—21.[本文引用:1次]
[7]中国地震局,1996.《区域精密水准测量技术文件汇编》. 北京:国家地震局科技监测司. [本文引用:2次]