数字水准仪在精密水准测量中的应用

数字水准仪在精密水准测量中的应用
作者：肖天雄
来源：《硅谷》2008年第14期
[摘要]介绍徕卡DNA03数字水准仪主要的工作原理和技术特点，以某市二等精密水准观测为例，说明数字水准仪在精密水准测量中的作业设置、观测方法和数据处理等。

[关键词]数字水准仪二等精密水准应用
中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0720118－01
一、引言
水准测量就是利用水准仪提供的一条水平视线，借助水准标尺进行读数，测定地面上两点间的高差，从而由已知点高程推求未知点的高程。

在数字水准仪研制出来之前，传统的水准施测一般采用水准仪以人工读取数据结合手工记薄或手工电子记录的方法。

这种传统方法，人为主观因素影响较多，测量效率相对较低。

数字水准仪的研制成功，有效避免了人为因素的影响，极大地提高了水准测量的工作效率及成果的精确度。

我队于2006年引进了一套徕卡DNA03数字水准仪，经过某市二等精密水准网施测以及建(构)筑物的沉降监测，取得了很好效果，并积累了一定的实践经验。

二、数字水准仪的原理和特点
数字水准仪又称电子水准仪，其基本原理与传统光学仪器有相同之处，但在获取及处理数据的工作原理上与传统光学仪器就有明显不同。

1990年徕卡推出了世界第一台数字水准仪NA2000，是分析标尺影像对数字影像处理的首次应用，利用二极管检测器阵来代替观测员的眼睛。

这种方法中数字水准仪相当于具有稳定视线的CCD（传感器）照相机，由此看出，数字水准仪研制和发展的思路显得很清晰：影像→数字化→译码数据处理→结果。

经过多年的尝试，DNA03具备了这样的测量原理：利用在条码水准尺上得到的光学图像转换为数字图像，并应用数字图像处理技术来获得测站的高差和距
离。

在相对较短的时间内完成包括条码尺的读数、数据记录、计算和处理，显示出较高的效率和自动化性能。

数字水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于自动输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化等优点。

三、数字水准仪在精密水准测量中的应用
数字水准仪的精密水准测量工作方式与光学水准仪相似，但在各个操作便捷程度、测量质量控制能力和整体工作效率上都有相当大的提升。

下面以“某市二等精密水准网”为例，进一步介绍DNA03数字水准仪的具体应用及优势。

（一）测区情况简介
测区位于某市区内，观测使用DNA03数字水准仪，具体人员安排为：仪器操作1人、立尺2人、测轮量距1人。

二等精密水准网路线主要沿街道、公路布设，新埋设水准点与部分原有水准点、各等级控制点组成某市二等精密水准网。

测量路线双程总长308公里，组成6个闭合环、1条符合水准路线，共分142测段进行往返观测。

（二）野外作业
1．仪器检校。

按《国家一、二等水准测量规范》要求，野外观测作业开始前和结束后，应对使用之仪器、标尺进行全面的检查。

每日测前进行例行检查，检校仪器的圆水准器、标尺水准器和i角误差。

对于i角误差检校则可采用数字水准仪提供两种检校方法，“A×B×”法和“A××B”法（A和B是标尺位置，×是仪器位置）。

根据需要选择检测方法，每种方法均可按照仪器设定好的操作步骤来实现，操作完毕仪器将计算出i角值，存贮到系统信息的i角改正一项中，这样仪器将对每个标尺读数自动进行i角改正。

至于水准气泡的校正采用的方式和传统常规方式相同，这里不再重复述说。

2．仪器参数设置。

在线路水准测量中，按“规范”要求设置观测限差，具体有：视线长度≤ 50m，视线高度≥0.3m，同一标尺两次读数的差≤0.4mm，两次读数所测高差的差≤0.6mm。

该数字水准仪仅检验前后视距累计差，我们将其限差设置为≤2.0m。

这些限差在仪器“设置限差”菜单中输入，作业时如出现超差情况仪器会自动报警。

3．外业水准观测。

（1）观测方法。

进行单线路往返观测，沿设计水准网环线逐环进行观测，每测段奇数站观测顺序为后－前－前－后，偶数站观测顺序为前－后－后－前，即始终先观测某条标尺。

使用仪器标配的2kg尺台支承标尺，以自制尺撑使标尺铅垂和稳定。

安置水准仪三脚架时，使其中两脚与测线方向平行，第三脚轮换置于路线的左侧与右侧，用测轮丈量视距，使前后视距近似相等。

（2）观测情况。

因测段长均小于3km，均能在水准点(控制点)上收测，无需另设间歇点。

水准观测分测段或区段进行，先作往（返）测，再作返（往）测，同一测段的往返测，一般分上午或下午对称进行，如上午进行往测或返测，下午即进行返测或往测。

为促使观测误差和权的合理分布及提高精度，平坦地段视线长度一般固定在40m左右。

水准观测从2006年3月10日至2006年4月25日结束，历时45天。

观测情况统计如下：有效观测日为35天，平均每天观测8.8km。

通过采用数字化水准仪和测轮量距节省了人力，经济效益明显提高。

（三）内业处理
1．高差表编制。

将水准观测数据传输到微机，根据观测成果编制外业高差表，列出各测段起、终点，测段往返测量距离、高差，计算往返测高差不符值、限差及高差中数等，摘取数据部分列表见表1。

对测段高差中数加入正常水准面不平行改正，由于地势平坦，其改正数最大值为
0.07mm，其它改正，如水准标尺长度误差改正、水准标尺温度改正、重力异常改正、日月引力改正更是很微小，忽略不计。

2．精度统计。

（1）每公里水准测量偶然中误差的计算。

以全网142测段之往返测高差不符值(真误差)计算每公里水准测量偶然中误差：
(1)
式中：Δ－往返测高差不符值，mm；R－测段距离，km；n－测段数；∑－代表总和。

由(1)式计算的每公里水准测量高差中数偶然中误差，达到“规范”要求。

由于水准网仅6环和一个符合条件，不计算每公里水准测量全中误差。

（2）闭合差统计。

观测高差经正常水准面不平行改正后，再进行闭合差计算，环闭合差最大1.62mm，远小于限差4√F(mm)。

水准环闭合差统计见表2。

（3）平差计算。

水准网平差计算采用“南方测绘”“平差易PA2005”软件在微机上进行，以两个国家一等水准点为起算，以改正的测段高差为变量，测段距离定权进行经典平差，输出水准点高程及精度等表格。

（4）精度评述。

无论从环闭合差，或者每公里水准测量偶然中误差看，本次观测作业，具有较高的观测精度，各项指标均远远优于“规范”规定的精度指标，观测成果质量优秀。

四、结束语
数字水准仪是数字化测绘的产物，它的轻松灵便、操作简单和高精度极大地提高了外业工作效率与内业工作自动化程度，减轻了测量员的脑力劳动强度。

其观测数据的记录方式也大大降低了人为因素的影响、提高了数据的安全性和可靠性。

另外，需要注意，采用数字水准仪观测，光线不能太弱，望远镜的标尺影像不能有遮挡物。

参考文献：
[1]GB 12897-91.国家一、二等水准测量规范[S].
[2]徕卡DNA03数字水准仪用户说明书及使用手册.
作者简介：
肖天雄，男，汉族，广东廉江市人，助理工程师，1994年毕业于广东地质学校工程测量专业，现为广东省水文工程地质一大队(湛江粤西地质工程勘察院)测绘队外业现场负责人。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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