矿业与煤炭学院
《精密水准测量在地面沉降监测中的应用》
班级：13级测绘一班 姓名：张世杰 学号：1372143115 指导教师：孙同贺
精密水准测量在地面沉降监测中的应用
摘要：地面沉降是自然及人类活动引起地层的压缩、变形，导致地表标高发生局部变形的运动。地面沉降监测的方法中，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作，具有前期投入小、施工过程简单，经济效益良好的特点，能够为区域地质灾害的研究与预防提供了可靠的基础资料。 关键词：地面沉降; 精密水准测量; 变形监测
引言
地面沉降又称为地面下沉或地陷，随着矿产资源 的开采（油、气、水、金属矿、煤、岩盐等）、地下及地表构造物的建设以及地震等因素的影响，引起地层的压缩、变形，导致地表标高发生局部变形的运动。随着对地面沉降的深入研究，各种大范围地表沉降监测手段不断涌现。武百超、邹徐文等利用 GPS/INSAR 数据融合的方法完成了大范围地表沉降监测的工作；中科院地质与地球物理研究所利用 GPS 对天津市市区地面沉降进行了长期的观测；北京市通过建设期、动态监测。以上提到的大范围地面沉降方法针对的监测对象多为特大型、巨大型城市，其观测系统建立较为复杂，成本压力巨大，不太适合中等城市的实际需求。精密水准测量作为传统的地面沉降监测方法，具 有前期投入小、施工过程简单，精度能够满足工程设计需要的特点。随着电子水准仪的不断普及，水准测量中人为误差得到减小，劳动强度大大降低，为精密水准测量的大量应用创造了良好的技术条件。本文以临汾市尧都区地面沉降监测为例，介绍精密水准测量在地面沉降监测中的具体应用。
1 地面沉降监测网的布设方案
1.1布设原则
一个区域内的地面沉降监测一般要求采用统一的布设标准，通过定期观测，确定区内的地面沉降量，为科学合理决策提供可靠的理论依据。临汾市地面沉降监测网采用 1985 国家高程基准，按照二等水准的要求统一布设，观测周期为一年，之前已进行了两次观测。
1.2水准网布设
水准网布设前，对临汾市尧都区各地面沉降区进行实地调查，取得第一手地面沉降资料，结合该区域地质、水文、地震、气象、土壤冻结及地下水位深度等资料，进行了水准监测网的设计。
2 精密水准测量
2.1精度指标
根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95和《国家一、二等水准测量规范》GB12897-2006要求，二等水准测量每千米水准测量的偶然中误差M △和每千米水准测量全中误差 MW 不应超过表 1 规定的数值。
△
表1 单位：毫米
每千米水准测量偶然中误差 M △计算：
M =±√ 〔△△/R〕/（４·n ） （1）式中：△——测段往返测高差不符值，单位为毫米（mm ）；
R ——测段长度，单位为千米（Km ）； n ——测段数。
每千米水准测量的全中误差 MW 计算：MW = ±√ 〔WW/F〕/ N （2）式中：W ——经过各项改正后的水准环闭合差，单位为毫米（mm ）；
F ——水准环线周长，单位为千米（Km ）； N ——水准环数。
往返测高差不符值，环闭合差和检测高差之差的限差应不超过表 2 的规定： 表2
单位：毫米
注：k ——测段、区段或路线长度，单位为千米 （Km ）； n ——测段数。
L ——附合路线长度，单位为千米（Km ）； F ——环线长度，单位为千米（Km ）； R ——检测测段长度，单位为千米（Km ）。
2.2水准线路设计
根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95 对水准线路选定要求，结合临汾市尧都区实际情况，水准路线设计时主要遵循以下要求：
第一，针对临汾市尧都区存在的构造带和断裂带、采煤形成的采空区、深井等可能引起地面沉降的特征区域，水准路线的布设要求尽可能穿过以上区域；
第二，考虑到尧都区地形起伏较大，为方便观测，水准路线尽量沿着公路布设，对没有铺装路面的区域，选择坡度较小的道路布设，以减少测站数，提高观测效率； 第三，尽量选择大型车辆、地面震动较少的区域布设水准路线；
第四，水准路线的布设避免跨越较大区域的水面、湖泊等区域。当测段长度小于 0.1Km 时，按 0.1Km 计算；
2.3水准观测
本项目采用一台DiNi 12和一台DiNi 03型数字水准仪按二等水准要求进行施测，观测数据自动储存在PCMCIA 卡上。结合临汾市尧都区具体的地质和交通情况，布设的地面沉降监测水准路线如图 1。观测采用单路
单位：毫米
表3
注：几何法数字水准仪视线高度的高端限差一、二等允许到 2.85m ，相位法数字水准仪重复测量次数
可以上表数值减
少一次，所有数字水准仪，在地面震动较大时，应随时增加测量次数线往返观测，同一测段的往测（或返测）与返测（或往测）分别在上午与下午进行。
表4
单位：毫米
测站观测限差应不超表 4 的规定：对于数字水准仪，同一标尺两次读数差不设限差，两次读数所测高差差执行基辅分划所测高差之差的限差。 往返测奇数站照准标尺的顺序为：a) 后视标尺 前视标尺
b) 前视标尺c) 前视标尺d) 后视标尺 往返测偶数站照准标尺的顺序为：a) b) 后视标尺c) 后视标尺 d) 前视标尺 一测站操作程序如下（以奇数站为
例）：a) 首先将仪器整平，（望远镜绕垂直轴旋转，圆气泡始终位于指标环中央）； b) 将望远镜对准后视标尺（此时标尺应按圆水准 表5
单位：毫米
测站视线长度（仪器至标尺距离），前后视距差，视线高度，数字水准仪重复测量
次数，按表3规定执行：器整置于垂直位置），用垂直丝照准条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键；c) 显示读数后，旋转望远镜照准前视标尺条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键；d) 显示读数后，重新照准前视标尺，按测量键；e) 显示读数后，旋转望远镜照准后视标尺条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键，显示测站结束，测站检核合格后迁站。
2.4外业概算与平差计算
在外业观测结束后，对观测数据进行认真的检查和整理后，对所用的高差加入了下列改
正：
a) 水准标尺长度改正； b) 水准标尺温度改正； c) 正常水准面不平行改正； d) 重力异常改正。
在概算的基础上，按最小二乘法采用条件观测平差方法进行平差计算，本项目采用一个
基岩点成果为已知点进行平差计算，两次平差结果精度统计见表 5。
3 地面沉降测量成果分析
3.1沉降量计算
根据对同一标点重复两次观测平差后推算所得到的高程，计算两次观测期间的高程变化 ---- 即升降变量，按式（3）计算Hi+n - Hi = △ hi - i+n （3）式中：Hi------ 某点第 i 次高程；Hi+n------ 某点（同名点）第 i+n 次高程；△ hi - i+n------ 某点在第 i 次与第 i+n 次观测期间的变形量；i ，n ------ 为自然数 1,2,3„„„n 。计算所得的变形量“-”为下沉；“+”为上升。 3.2沉降变形量的精度估计
地面沉降水准测量每一次重测都须计算其相应的最弱点中误差，变形量是同名点两次高程之差，根据观测误差传播定律，变形量中误差按式（4）计算： m = ±√ m 2+m 2 （4）
s
i j
------ 变形量中误差；
式中：ms
m ------ 第 i 次观测的最弱点中误差； i
mj ------ 第 j 次观测的最弱点中误差。 本项目两次监测的变形量中误差为± 6.08mm。 3.3地面沉降等值线图的编制
地面沉降量等值线图用等比内插法勾绘，本项目沉降等值线图如下图：
4 结束语
精密水准测量作为地面沉降监测的一种有效手段，在严格执行相关的测量规程和规范的基础上，积极采用数字水准仪等方面的新技术新设备，保证了测量精度，提高了作业效率。 文中提到的临汾市尧都区地面沉降水准监测网，设计合理，作业方法先进，特别是数字水准仪在测量中的应用，极大地提高了作业精度和作业效率。本项目的实施，为本地区地质灾害的研究与预防提供了可靠的基础资料。临汾市尧都区作为中小城市，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作，具有技术手段可靠，经济效益良好的特点，该工程的完成及其取得经验可为今后类似的工程项目实施提供借鉴经验。
参考文献：
[1] 武百超, 邹徐文.GPS/INSAR数据融合在大范围地表沉降监测中的应用[J],2006(1):33-35. [2] 丁继新, 尚彦军, 杨志法, 成英燕. 天津市市区地面沉降的GPS 监测分析[J],2004(6):41-44. [3] 国家测绘地理信息局《. 国家一、二等水准测量规范》[S].北京:中国标准出版社,2006. [4] 地质矿产部《. 地面沉降水准测量规范》[S],北京:中国地质出版社,1995.
矿业与煤炭学院
《精密水准测量在地面沉降监测中的应用》
班级：13级测绘一班 姓名：张世杰 学号：1372143115 指导教师：孙同贺
精密水准测量在地面沉降监测中的应用
摘要：地面沉降是自然及人类活动引起地层的压缩、变形，导致地表标高发生局部变形的运动。地面沉降监测的方法中，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作，具有前期投入小、施工过程简单，经济效益良好的特点，能够为区域地质灾害的研究与预防提供了可靠的基础资料。 关键词：地面沉降; 精密水准测量; 变形监测
引言
地面沉降又称为地面下沉或地陷，随着矿产资源 的开采（油、气、水、金属矿、煤、岩盐等）、地下及地表构造物的建设以及地震等因素的影响，引起地层的压缩、变形，导致地表标高发生局部变形的运动。随着对地面沉降的深入研究，各种大范围地表沉降监测手段不断涌现。武百超、邹徐文等利用 GPS/INSAR 数据融合的方法完成了大范围地表沉降监测的工作；中科院地质与地球物理研究所利用 GPS 对天津市市区地面沉降进行了长期的观测；北京市通过建设期、动态监测。以上提到的大范围地面沉降方法针对的监测对象多为特大型、巨大型城市，其观测系统建立较为复杂，成本压力巨大，不太适合中等城市的实际需求。精密水准测量作为传统的地面沉降监测方法，具 有前期投入小、施工过程简单，精度能够满足工程设计需要的特点。随着电子水准仪的不断普及，水准测量中人为误差得到减小，劳动强度大大降低，为精密水准测量的大量应用创造了良好的技术条件。本文以临汾市尧都区地面沉降监测为例，介绍精密水准测量在地面沉降监测中的具体应用。
1 地面沉降监测网的布设方案
1.1布设原则
一个区域内的地面沉降监测一般要求采用统一的布设标准，通过定期观测，确定区内的地面沉降量，为科学合理决策提供可靠的理论依据。临汾市地面沉降监测网采用 1985 国家高程基准，按照二等水准的要求统一布设，观测周期为一年，之前已进行了两次观测。
1.2水准网布设
水准网布设前，对临汾市尧都区各地面沉降区进行实地调查，取得第一手地面沉降资料，结合该区域地质、水文、地震、气象、土壤冻结及地下水位深度等资料，进行了水准监测网的设计。
2 精密水准测量
2.1精度指标
根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95和《国家一、二等水准测量规范》GB12897-2006要求，二等水准测量每千米水准测量的偶然中误差M △和每千米水准测量全中误差 MW 不应超过表 1 规定的数值。
△
表1 单位：毫米
每千米水准测量偶然中误差 M △计算：
M =±√ 〔△△/R〕/（４·n ） （1）式中：△——测段往返测高差不符值，单位为毫米（mm ）；
R ——测段长度，单位为千米（Km ）； n ——测段数。
每千米水准测量的全中误差 MW 计算：MW = ±√ 〔WW/F〕/ N （2）式中：W ——经过各项改正后的水准环闭合差，单位为毫米（mm ）；
F ——水准环线周长，单位为千米（Km ）； N ——水准环数。
往返测高差不符值，环闭合差和检测高差之差的限差应不超过表 2 的规定： 表2
单位：毫米
注：k ——测段、区段或路线长度，单位为千米 （Km ）； n ——测段数。
L ——附合路线长度，单位为千米（Km ）； F ——环线长度，单位为千米（Km ）； R ——检测测段长度，单位为千米（Km ）。
2.2水准线路设计
根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95 对水准线路选定要求，结合临汾市尧都区实际情况，水准路线设计时主要遵循以下要求：
第一，针对临汾市尧都区存在的构造带和断裂带、采煤形成的采空区、深井等可能引起地面沉降的特征区域，水准路线的布设要求尽可能穿过以上区域；
第二，考虑到尧都区地形起伏较大，为方便观测，水准路线尽量沿着公路布设，对没有铺装路面的区域，选择坡度较小的道路布设，以减少测站数，提高观测效率； 第三，尽量选择大型车辆、地面震动较少的区域布设水准路线；
第四，水准路线的布设避免跨越较大区域的水面、湖泊等区域。当测段长度小于 0.1Km 时，按 0.1Km 计算；
2.3水准观测
本项目采用一台DiNi 12和一台DiNi 03型数字水准仪按二等水准要求进行施测，观测数据自动储存在PCMCIA 卡上。结合临汾市尧都区具体的地质和交通情况，布设的地面沉降监测水准路线如图 1。观测采用单路
单位：毫米
表3
注：几何法数字水准仪视线高度的高端限差一、二等允许到 2.85m ，相位法数字水准仪重复测量次数
可以上表数值减
少一次，所有数字水准仪，在地面震动较大时，应随时增加测量次数线往返观测，同一测段的往测（或返测）与返测（或往测）分别在上午与下午进行。
表4
单位：毫米
测站观测限差应不超表 4 的规定：对于数字水准仪，同一标尺两次读数差不设限差，两次读数所测高差差执行基辅分划所测高差之差的限差。 往返测奇数站照准标尺的顺序为：a) 后视标尺 前视标尺
b) 前视标尺c) 前视标尺d) 后视标尺 往返测偶数站照准标尺的顺序为：a) b) 后视标尺c) 后视标尺 d) 前视标尺 一测站操作程序如下（以奇数站为
例）：a) 首先将仪器整平，（望远镜绕垂直轴旋转，圆气泡始终位于指标环中央）； b) 将望远镜对准后视标尺（此时标尺应按圆水准 表5
单位：毫米
测站视线长度（仪器至标尺距离），前后视距差，视线高度，数字水准仪重复测量
次数，按表3规定执行：器整置于垂直位置），用垂直丝照准条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键；c) 显示读数后，旋转望远镜照准前视标尺条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键；d) 显示读数后，重新照准前视标尺，按测量键；e) 显示读数后，旋转望远镜照准后视标尺条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键，显示测站结束，测站检核合格后迁站。
2.4外业概算与平差计算
在外业观测结束后，对观测数据进行认真的检查和整理后，对所用的高差加入了下列改
正：
a) 水准标尺长度改正； b) 水准标尺温度改正； c) 正常水准面不平行改正； d) 重力异常改正。
在概算的基础上，按最小二乘法采用条件观测平差方法进行平差计算，本项目采用一个
基岩点成果为已知点进行平差计算，两次平差结果精度统计见表 5。
3 地面沉降测量成果分析
3.1沉降量计算
根据对同一标点重复两次观测平差后推算所得到的高程，计算两次观测期间的高程变化 ---- 即升降变量，按式（3）计算Hi+n - Hi = △ hi - i+n （3）式中：Hi------ 某点第 i 次高程；Hi+n------ 某点（同名点）第 i+n 次高程；△ hi - i+n------ 某点在第 i 次与第 i+n 次观测期间的变形量；i ，n ------ 为自然数 1,2,3„„„n 。计算所得的变形量“-”为下沉；“+”为上升。 3.2沉降变形量的精度估计
地面沉降水准测量每一次重测都须计算其相应的最弱点中误差，变形量是同名点两次高程之差，根据观测误差传播定律，变形量中误差按式（4）计算： m = ±√ m 2+m 2 （4）
s
i j
------ 变形量中误差；
式中：ms
m ------ 第 i 次观测的最弱点中误差； i
mj ------ 第 j 次观测的最弱点中误差。 本项目两次监测的变形量中误差为± 6.08mm。 3.3地面沉降等值线图的编制
地面沉降量等值线图用等比内插法勾绘，本项目沉降等值线图如下图：
4 结束语
精密水准测量作为地面沉降监测的一种有效手段，在严格执行相关的测量规程和规范的基础上，积极采用数字水准仪等方面的新技术新设备，保证了测量精度，提高了作业效率。 文中提到的临汾市尧都区地面沉降水准监测网，设计合理，作业方法先进，特别是数字水准仪在测量中的应用，极大地提高了作业精度和作业效率。本项目的实施，为本地区地质灾害的研究与预防提供了可靠的基础资料。临汾市尧都区作为中小城市，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作，具有技术手段可靠，经济效益良好的特点，该工程的完成及其取得经验可为今后类似的工程项目实施提供借鉴经验。
参考文献：
[1] 武百超, 邹徐文.GPS/INSAR数据融合在大范围地表沉降监测中的应用[J],2006(1):33-35. [2] 丁继新, 尚彦军, 杨志法, 成英燕. 天津市市区地面沉降的GPS 监测分析[J],2004(6):41-44. [3] 国家测绘地理信息局《. 国家一、二等水准测量规范》[S].北京:中国标准出版社,2006. [4] 地质矿产部《. 地面沉降水准测量规范》[S],北京:中国地质出版社,1995.