淺析數字水準儀的測量誤差

秦薇

(成都市工業職業技術學校,四川成都 610081)

淺析數字水準儀的測量誤差

秦薇

(成都市工業職業技術學校,四川成都 610081)

介紹數字水準儀的基本結構及測量原理,分析和論述數字水準儀在測量上產生的誤差。

數字水準儀 測量 誤差

自第一臺數字水準儀問世以來，隨著科學技術的發展，數字水準儀經不斷地改進，其觀測精度有了很大的提高。數字水準儀具有光學水準儀無可比擬的優點，與光學水準儀相比，它具有測量速度快、操作簡單、讀數客觀、不存在誤讀或誤記等人為誤差，自動記錄存儲測量數據，容易實現水準測量內外業一體化等諸多優點，數字水準儀是代替傳統光學水準儀的理想產品。作為數字水準儀，在實際野外觀測工作中，也存在著測量方面的誤差，由于數字水準儀的工作原理和方法與傳統的光學水準儀不同，構造比較復雜，本文只對數字水準儀在測量上產生的誤差加以概念性的分析和論述。

1 數字水準儀的原理

1.1 數字水準儀的基本結構

數字水準儀是利用電子工程學的原理制造，能夠進行自動觀測、記錄信息、處理數據的電子儀器，它是在自動安平水準儀基礎上發展起來的。數字水準儀基本結構是由光學部件、機械部件、自動補償裝置和電子設備組成。光學和機械部件同光學儀器基本相同，自動補償裝置包括了重力擺和阻尼器等部件，電子設備方面，主要是由調焦編碼器、光電傳感器(線陣CCD器件)、讀數電子元件、單片微處理機、GIS接口、顯示器、鍵盤和影像、數據處理軟件等組成，這些部件使儀器具備了智能化，觀測更加便捷。

1.2 數字水準儀的測量原理

數字水準儀采用相關法進行測量和讀數，該水準儀有兩個視準軸，一是光視準軸，它由光學分劃板十字絲中心和望遠鏡物鏡的光心構成，另一個是電視準軸，它是由線陣CCD器件上中點附近的一個像素和望遠鏡物鏡光心構成。光視準軸用于照準和調焦，電視準軸用于讀數。數字水準儀的望遠鏡照準編碼標尺，通過所發射出的紅外光線進行自動測量，在測量過程中，標尺條碼一方面被望遠鏡物鏡組成像在光學分劃板上，供目視觀察，另一方面通過光學分劃板前的分光鏡，把標尺條形碼成像在線陣CCD器件的光敏面上，供電子讀數。儀器自身存儲的標尺的條紋碼能作為參照信號，儀器的線譯碼器捕獲儀器視場內的標尺影像作為測量信號，然后與儀器的參照信號進行比較，就獲得視線高度和水平距離。

2 數字水準儀的誤差分析

數字水準儀測量精度是由條形碼本身及其數字化和離散化產生的背景噪聲所決定的。光學系統的成像質量，補償器的精度，以及視軸穩定性等因素也都會影響測量精度。由數字水準儀的結構和測量原理，可返現影響測量精度的誤差來源包括以下幾個方面。

2.1 光學和機械部件引起的誤差

數字水準儀是光學機械設備和電子設備相結合的產物，具有與傳統水準儀相同的光學和機械結構，因此數字水準儀光學和機械部件本身引起的誤差與光學水準儀相同。主要表現為：圓水準器誤差；調焦透鏡運行誤差；豎軸傾斜引起的視軸的誤差。

2.2 自動補償器的誤差

數字水準儀的補償器與自動安平水準儀的原理相同，結構和工藝上略有不同，它是由重力擺和阻尼器構成。數字水準儀的自動補償器誤差包括：補償器的安平精度；剩余補償誤差；遲滯影響；地磁影響。

2.3 電子設備引起的誤差

數字水準儀是根據條碼影像在探測器上的位置和比例進行測量的。線陣CCD器件的物理特性決定其在光線過強、過弱、以及條碼標尺表面光照部均勻、觀測瞬間強光閃、外界熱閃爍等情況，都會降低標尺成像的對比度，從而產生測量誤差。因為光線過強時，線陣CCD會出現飽和，條碼影像灰度值會發生不同的變化而不相等，儀器對標尺條碼無法辨認，就會引起測量誤差，甚至無法讀數；光線過弱，就相當于標尺被遮擋，自然會產生誤差。對電子設備工作的原理進行分析，可知電子設備引起的誤差主要包括以下幾個方面：(1)線陣CCD器件的物理特性引起的誤差；(2)標尺遮擋引起的條碼信息丟失；(3)調焦的準確性引起的圖像分辨力誤差；(4)標尺傾斜引起的圖像變形；(5)外界條件的變化引起的影像誤差；(6)條碼標尺上偽隨條碼寬度的精度引起的誤差；(7)條碼標尺上的條碼在使用中受損造成的影像誤差；(8)電子設備對測量信號處理、分析時的誤差；(9)水準儀內置軟件的算法和技術誤差。

2.4 電視軸i角的誤差

電視軸i角的誤差對水準測量的影響在理論上與光學水準儀i角誤差相同，但電視軸在電子水準儀中又缺少像光學視軸那樣絕對標定水平視線的性質，或者說，電子水準儀不是以電“橫絲”為基礎讀數，兩者的讀數方式完全不同。雖然數字水準儀機內設置的程序能自動改正i角誤差，在測量過程中前后視距等長又加以減弱，但電視軸i角對水準測量精度的影響是肯定存在，隨著外界溫度的變化而改變，而且在溫度變化區間內的改成數不是線性變化的，因此電視軸i角對測量精度有很大影響。

2.5 外界因素引起的誤差

外界條件的變化將會引起儀器各部件產生測量誤差，而且對光學水準儀和數字水準儀的測量誤差影響都很大。數字水準儀與條碼標尺組成的測量系統是處在時刻變化的外界條件下進行工作的，大氣垂直折光的影響，儀器與標尺垂直位移的影響，在實際測量過程中都是不可避免的。在數字水準儀讀數時，所有進入視場的條碼均參與讀數，特別注意的是當視線觀測靠近地面時，標尺的條碼受折光的影響很大，對測量精度產生直接的影響。另外地面的震動影響測量精度，由于數字水準儀重量輕，受震動的影響較光學水準儀更明顯。通過大量的觀測經驗表明，外界因素引起的測量誤差，只能通過觀測人員在作業過程中加以減少，無法避免。

3 結語

數字水準儀操作簡單，使用方便，測量數據真實可靠，減少了人為誤差，提高了作業效率，但它本身的誤差是不可避免的。在實際作業中對儀器的保養和定期檢查也是十分重要的，除了常規的i角檢驗、圓氣泡檢驗、十字絲檢驗外，還必須對電子元件進行定期檢驗。另外對標尺的保護也是十分重要的，一旦條碼標尺的條形碼刻畫受到損害，就會在差量讀數中產生誤差，因此要正確地使用數字水準儀，就必須熟悉規范，熟練掌握儀器操作步驟，同時注意儀器的保養和檢驗，盡量降低和減少測量誤差。

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[3]王明善,肖學年.數字水準儀的原理及誤差分析[J].四川測繪,2001,(9).