數字水準儀在水閘垂直位移測量中的應用

袁國友 朱明星

（1安徽省淮河河道管理局測繪院 蚌埠 233000 2 安徽省淮河水利工程設計院 蚌埠 233000）

1 前言

水準測量就是利用水準儀提供的一條水平視線，借助水準尺進行讀數，測定地面上兩點的高差，從而由已知點高程推算出未知點高程。傳統的水準施測一般采用光學水準儀以人工讀取數據結合人工記錄手簿或手工電子記錄的方法，人為因素影響較大，測量效率相對較低。數字水準儀是現代微電子技術和傳感器工藝發展的產物,它依據圖像識別原理,將編碼尺的圖像信息與已存貯的參考信息進行比較獲得高程信息,從而實現了數據采集、處理和記錄的自動化。數字水準儀的研制成功，有效減少了人為因素的影響，極大地提高了水準測量的工作效率及成果的精確度。

2 數字水準儀的基本原理及特點

2.1 基本原理

數字水準儀的基本原理為:在人工或自動完成條碼尺的照準和調焦后，條碼尺的一段圖像一方面成像在十字絲分劃板上供目鏡觀測用；另一方面這一段圖像又被成像在CCD傳感器的焦線上，通過對CCD傳感器上獲取的條碼尺的圖像進行處理，可以精確確定數字水準儀望遠鏡視準軸的位置（視線高）及條碼尺至水準儀豎軸的距離（視距）。

2.2 主要特點

與傳統光學水準儀相比，數字水準儀有以下優點：（1）讀數直觀。不存在誤讀、誤記問題，沒有讀數誤差。（2）測量精度高。視線高和視距讀數都是采用多個條碼的圖像經過處理后取平均值得來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。（3）測量效率高。由于省去了報數、聽記、現場計算以及人為出錯的重測次數，與傳統儀器相比，測量時間可以節省三分之一左右。（4）測量速度快。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，降低了勞動強度。儀器還能自動記錄、檢核并處理測量數據，并能將各種數據輸入計算機進行后處理，實現內外業一體化。（5）操作簡單。由于儀器實現了讀數和記錄自動化，并預存了大量測量和檢核程序，在操作時還有實時提示，測量人員可以很快掌握使用方法。（6）自動修正測量誤差。由于儀器帶有內部計算機，可以對條碼尺條碼的分劃誤差、CCD傳感器的畸變、電子角、大氣折光等系統誤差自動修正。

3 數字水準儀在水閘垂直位移測量中的應用

大型水閘垂直位移觀測對工程的日常管理中及時發現工程隱患，保證工程安全起著重要作用。40多年來，安徽省淮河河道局測繪院承擔著安徽省境內淮河干流及渦河、潁河上的多座大型水閘的垂直位移測量任務。每座水閘布設水準基點均在水閘變形區域影響外，符合《建筑變形測量規范》（JGJ8-2007）的要求。每次垂直位移觀測時，首先對起算基點進行連測，根據觀測成果判斷起算基點的可靠性。我院裝配的徠卡DNA03型數字水準儀是第二代數字水準儀，具有親切的中文操作界面、時尚的外觀設計、目前市場上最大的LC顯示屏及先進的電子技術、優秀的光學機械系統，搭配合理。

DNA03型數字水準儀的技術指標：每公里往返測高程精度：銦鋼尺0.3mm。放大倍率24X。測量范圍：銦鋼尺1.8～60m。最小讀數：0.01mm和0.1mm。單次測量時間：3s。測量程序：測量和記錄水準儀高程/距離。數據記錄：內存6000個測量數據或 1650組測站數據 （BF）/PCMCIA卡（ATA-Flash/SRAM）/RS232輸出。數據格式為：GSI8/GSI16/XML/用戶定義格式。

3.1 野外作業

3.1.1 儀器檢校

按照《建筑變形測量規范》，野外觀測開始前和結束后，應對水準儀及銦鋼尺進行全面檢查，每日測前進行例行檢查，檢驗儀器的圓水準器、標尺水準器及i角誤差。i角誤差檢核可采用數字水準儀提供的兩種檢校方法：“A×B×”法和“A××B”法（AB是標尺位置，×是儀器位置）。根據需要選擇檢測方法。

3.1.2 線路水準測量操作步驟

a操作：PROG-->2線路測量。

表1 淮干大型水閘沉陷測量誤差分析表

如圖1所示，依步驟進行。

b.設置線路：輸入線路名Name、測量方法Meth、后視點點號 PtID、后視點高程、H0 標尺 1（Stf1）、標尺 2（Stf2）。

c.設置限差：限差有兩頁定義，首先將各限差開關打開（on），然后將光標放在“值”上，設置限差的值。DistBal（視距累計差）、Maxdist（最大視距）、StafLow（視線高）、StatDif（測站標準差）、B-B/F-F（兩次讀數差），如圖2所示。在線路水準測量中，按照《建筑變形測量規范》要求設置限差，具體包括：視距長度≤50m，視線高度≥0.3m，前后視距差≤2.0m，前后視距累計差≤3.0m。作業時若出現超差情況儀器會自動報警。

3.1.3 外業水準觀測

觀測方法。進行單線路往返觀測，沿設計水準線路進行觀測，每測段奇數站觀測順序為后-前-前-后（BFFB），偶數站觀測順序為前-后-后-前（FBBF），即始終先觀測某條標尺。

使用儀器標配的2kg尺臺支承標尺，用自制支撐使標尺鉛垂和穩定。安置水準儀三腳架時，使其中兩腳架與測線方向平行，第三腳架換置于路線的左側與右側，人工皮尺丈量視距，使前后視距近似相等。

觀測情況。水準觀測分測段或區段進行，先往（返）測，再作返（往）測，同一測段的往返測，一般分上午或下午對稱進行。

3.2 內業資料分析

3.2.1 高差表編制

將水準觀測數據傳輸到計算機，根據觀測成果編制各水閘的高差表，列出各測段水準線路起訖點名，測段距離、高差，計算往返測高差不符值、限差，見表1。

大型水閘的垂直位移測量的路線長度較短，作業范圍較小，測段高差中誤差的正常水準面不平行改正、水準標尺長度誤差改正、水準標尺溫度改正均很微小，忽略不計。

3.2.2 誤差統計分析

式中：△——測段往返測高差不符值，單位（mm）；

R——測段長度，單位（km）；

n——測段數。

3.2.3 精度評述。由表1，無論往返測高差不符值，還是每千米水準測量的偶然中誤差（二等水準測量每千米水準測量的偶然中誤差為1.0mm），指標均低于《建筑變形測量規范》規定。

4 結束語

數字水準儀輕松靈便、操作簡單、精度高，極大地提高了外業工作效率及內業工作自動化程度，降低了測量人員的勞動強度，觀測數據的記錄方式杜絕了人為因素的影響，提高了數據的安全性和可靠性。在使用數字水準儀時影響較大的因素主要有三個：光線的影響，大氣的影響，物理條件的影響。其中自然光線的強弱、空氣擾動和外界震動這幾項會產生熱效應，從而造成光線折射。因此，使用數字水準儀應避免望遠鏡直接對著太陽，并避免視線被遮擋，遮擋不要超過標尺在望遠鏡中截長的20%。震動源造成的震動消失后，才能啟動測量鍵。當地面震動較大時，應隨時增加重復測量次數