新一代高速對向觀測數字水準尺儀的發明與實踐

劉雁春，王海亭，趙俊生，孟 強，劉 堯，吳祥華

(1. 大連圣博爾測繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學院海洋測繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學導航工程系，湖北 武漢 430033)

新一代高速對向觀測數字水準尺儀的發明與實踐

劉雁春1,2,3，王海亭1，趙俊生2，孟 強1，劉 堯1，吳祥華1

(1. 大連圣博爾測繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學院海洋測繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學導航工程系，湖北 武漢 430033)

水準測量一直是獲得地面點精密高差的重要手段，其測量速度慢、效率低也一直是困擾全球測量界的一大難題。為了提高水準測量的速度和效率，本文提出了新一代高速對向觀測數字水準尺儀的概念、結構、原理與方法。具體采用水準儀與標尺合二為一的一體化結構設計，將傳統水準測量的3點互動配置改變為2點互動配置來提高測站儀器安置速度和地形適應能力；采用對偶測量原理將傳統水準測量的單向單系統測量改變為對(雙)向雙系統測量來提高水準測量的精度及可靠性；采用正交二腳架及L型水準器來提高水準標尺及水準儀的安平速度。理論分析及初步實踐表明：新一代高速對向觀測數字水準尺儀與傳統水準儀相比，水準測量效率可提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準測量系統。高速對向觀測數字水準尺儀的發明，將對全球大地及工程測量界產生重大及顛覆性的影響，將開啟人類社會普及電子水準儀的新時代。

水準測量；對向觀測數字水準尺儀；新發明；設計與實踐

目前衛星定位儀已日益普及，并取代全站儀成為地面測繪水平定位的主導手段，然而由于衛星定位儀用于高程系統高差測量的隨機誤差達6～7 cm，仍無法與毫米級的傳統水準測量相匹敵，故水準測量依然是精密地面高差測量的唯一手段。水準儀、水準標尺依然是水準測量的重要儀器裝置。伴隨著人類科技文明的發展，水準儀也經歷了由普通光學水準儀向自動安平水準儀及數字水準儀(也稱為電子水準儀)的發展，18世紀，人類使用了望遠鏡，構成初級光學水準儀。到20世紀初，將望遠鏡改進為內調焦結構，形成微傾式光學水準儀。20世紀50年代，人類發明了自動安平補償器，出現了自動安平光學水準儀。20世紀90年代，出現了電子水準儀及編碼水準尺，實現了電子自動讀數進入數字水準儀的時代。目前著名的電子水準儀品牌有：瑞士徠卡、日本拓普康、日本索佳、德國蔡司(美國天寶)、中國蘇一光、中國北京博飛、中國南方、中國歐波等。盡管電子水準儀已經面世20多年，然而目前依然是光學水準儀占市場的主導，電子水準儀的普及增長率卻一直不高，據統計，近年來每年中國市場水準儀的銷量為幾十萬臺，電子水準儀的銷量卻不足1%，這與幾乎同步發展的、電子化數字化的衛星定位產品及全站儀形成了鮮明的反差。造成電子水準儀普及率低的原因有價格因素和效率因素，但根本原因是效率低造成的。目前市場上的電子水準儀雖然利用編碼標尺和CCD技術，提高了觀測讀數的效率和精度，但由于仍基于傳統的3點互動配置和單儀單系統測量，相對于光學水準儀，電子水準儀提高的測量效率相對有限，換言之，用戶不是不喜歡電子水準儀，而是現行電子水準儀的測量效率還不夠理想，不能滿足用戶的性價比需求及對快速水準測量的期望。

事實上，水準測量速度慢、效率低，幾百年來一直是困擾全球測量界的一大難題。為了攻克這一難題，以筆者領銜的團隊自2012年首次申請專利起歷時4年，對水準儀、水準尺的結構功能、作業模式、數據檢核等進行了一系列的改進發明實踐，已圍繞新一代高速對向觀測數字水準尺儀的研發申請獲得專利40多項，并于2016年成功研制出世界上最快速、最智能、最精密的電子水準測量系統。本文在總結發明實踐及專利文獻的基礎上，介紹新一代高速對向觀測數字水準尺儀的概念、結構與方法。新一代高速對向觀測數字水準尺儀的研制，試圖開啟人類社會普及電子水準儀的新時代，使水準測量也能像衛星定位那樣方便、快速和普及，實現中國人的測繪儀器智造夢。

1 概念與結構

高速對向觀測數字水準尺儀的主要創新特色為：尺儀合一、2點配置、對偶測量、雙向檢核、智能控制。其典型的系統結構及組成配置如圖1所示，它直接體現出“尺儀合一”的一體化設計理念。圖1中各部件的功能是：①電子水準儀用來照準、讀取對方標尺的高度數據；②編碼標尺提供高度信息，并作為其他構件的機架；③電子手簿用來控制、記錄、交換、處理電子水準儀獲取的高度數據并即時顯示雙方的觀測結果及兩點的高差，電子手簿設有標尺圖像顯示器(電子目鏡)，以方便瞄準調焦；④標尺腳架用來安置并調直標尺；⑤L型水準器用來配合標尺腳架快速調直標尺；⑥智能尺墊用來將標尺安置于地面轉點并帶有移動監測功能；⑦遙控器(圖中未給出)用來控制觀測的實施，以避免在電子手簿上直接按鍵影響標尺的調直狀態。

圖1 高速對向觀測數字水準尺儀組成結構

高速對向觀測數字水準尺儀的上述結構及組成，經反復實踐論證，符合有關物理學、力學、機械學、電子學、光學、測量學及人體工程學的基本原理，能夠滿足快速水準測量的需要。

本文采用“水準尺儀”這一名詞概念是為了突出表明“尺儀合一”的特點，亦尺亦儀，儀離不開尺，尺離不開儀，這是與傳統水準測量裝置的本質差別之一，高速對向觀測數字水準尺儀也可簡稱為復合水準儀。類似于“高鐵”的概念，本發明采用“高速”一詞也意味著兩個含義：①直接表明高速的特點；②體現了一系列區別于傳統水準儀的相關技術創新。

2 對偶測量原理

高速對向觀測數字水準尺儀的測量原理如圖2所示。從數學角度來看，高速對向觀測數字水準尺儀的測量原理屬于對偶測量。圖中水準尺儀A、B分別安置在地面點1、2，水準尺儀A、B同時調平并瞄準對方進行對向觀測讀數。

用安置在1點的水準尺儀A測得1、2點的高差為

用安置在2點的水準尺儀B測得1、2點的高差為

圖2 高速對向觀測數字水準尺儀對偶測量原理

二者的高差互差δ為

二者的高差均值為

式中，Δ12為水準尺儀A、B聯合測定的1、2點之間的高差。

顯然，二者的互差δ可用來進行數據檢核及控制誤差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速對向觀測數字水準尺儀的對偶測量原理屬于兩點、雙儀、對向、同步觀測系統，而傳統水準測量裝置的測量原理屬于三點、單儀、反向、異步觀測系統，這也是構成二者本質的差別之一。

3 作業模式

高速對向觀測數字水準尺儀在實際應用中可采用多種作業模式：

(1) 交替式作業模式。如圖3(a)所示，A、B尺儀交替推進安置，這也是傳統的作業模式，對高速對向觀測數字水準尺儀而言，該模式本質上可理解為2個水準儀按傳統作業模式的疊加。

(2) 交換式作業模式。如圖3(b)所示，每一站A、B尺儀均交換位置測量。這是高速對向觀測數字水準尺儀特有的作業模式，該模式可徹底消除i角的影響，故也稱為精密作業模式。

(3) 三角形作業模式。如圖3(c)所示，同時將3個尺儀安置在3點進行條帶式推進測量，該模式增加了區域三角空間閉合檢核，可進一步提高水準測量的精度和可靠性。

圖3 高速對向觀測數字水準尺儀對偶測量原理作業模式

本文前述給出了高速對向觀測數字水準尺儀的基本測量原理及作業模式，有關具體的儀高、i角測定方法及測站數據處理等方法擬另文詳細介紹。

4 技術進步點與應用優勢

4.1 技術進步點

高速對向觀測數字水準尺儀采用雙儀對向同步觀測原理，與傳統水準測量裝置對比，具有以下進步點：

(1) 優化了水準測量結構、改進了高差測量原理，真正實現了點對點的2點配置測量，僅需2人即可作業。

(2) 采用雙系統對偶同步測量原理，提高了測量的可靠性和精度。

(3) 擴展、優化了作業模式，提高了環境應用能力，可以方便地在梯形斷面、陡坡、山區及跨河等復雜地形環境下實施水準測量。

(4) 將標尺、水準儀、腳架、尺墊集成為一體化結構，提高了測點配置、儀器安置及觀測速度，大幅提高了測站作業效率。

(5) 高速對向觀測數字水準尺儀已將現行國家水準測量規范的限差按等級內置于電子手簿，實現了高差數據的自動實時檢核及連續水準測量過程的智能化控制，并采用配套的后處理軟件實現了測量成果的一體化數據處理和測量成果的輸出打印。

4.2 應用優勢

基于上述進步點，與傳統水準測量裝置相比，高速對向觀測數字水準尺儀的應用優勢表現為：使水準測量的速度和效率(或測量可靠性及精度)提高1倍以上，并可節省人力30%。高速對向觀測數字水準尺儀的應用優勢具體體現為“七不”的特點：①不用往返測量；②不用等距配點；③不用嚴控i角；④不用3人作業；⑤不用異步觀測；⑥不用人工記錄；⑦不用人工檢核。

5 樣機與試驗

5.1 樣機技術指標

高速對向觀測數字水準尺儀的原理樣機及工程樣機分別于2015年12月及2016年12月在大連研制成功。高速對向觀測數字水準尺儀的工程樣機具體由編碼標尺、電子水準儀、標尺腳架、標尺L型水準器、尺墊、腳輪、控制電子手簿及遙控器組成。其有關技術指標為：編碼標尺為塔尺；電子水準儀測程3～110 m；高程最小顯示讀數單位0.1 mm；距離最小顯示讀數單位1 cm；讀數時間3 s；望遠鏡放大倍數32倍，孔徑40 mm；自動補償器補償范圍±12′；安平精度±0.3″；水準儀圓水準器8′/2 mm；標尺L水準器4′/2 mm；電子手簿的標尺圖像顯示屏為55 mm×73 mm，水準尺儀總重量為5 kg和7 kg(帶移動腳輪)。

5.2 有關試驗

為了驗證高速對向觀測數字水準尺儀的有效性及先進性，本文進行了大量的計算機仿真試驗和外業試驗，限于篇幅，此處給出兩個代表性的試驗結果。

試驗一為四等水準測量，其試驗結果參見表1、表2。試驗二為三等水準測量，其試驗結果參見表3、表4。其中表2及表4中的A(B)高差及互差是分別根據A(B)儀器高與對應的標尺讀數直接計算、未進行i角改正的數據。而表中改正后互差及累計均高程是指經過i角改正后的計算數據。

表1 四等水準測量參數信息

表2 四等水準測量測站高差成果表

續表2

表3 三等水準測量參數信息

表4 三等水準測量測站高差成果表

表1、表2是按國家四等水準測量規范中測站高差互差≤5 mm要求測定的，共設36站37個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站36的終止測點37與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1.3 km。由表2可知：高差閉合差為-2.2 mm。由表1、表2可知：A儀的i角為-1.2″，而B儀的i角達到了3′(這對使用傳統水準儀進行測量是不可想象的)，特別是第4站i角改正前兩儀高差互差達68.2 mm，但經過i角改正后兩儀高差互差降至1.4 mm，這充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文還進一步統計計算了終止測點37處兩儀累計高程的互差為3.3 mm，符合規范中左右路線的互差限差要求，這意味著使用高速對向觀測數字水準尺儀進行水準測量只需單程往測即可，而無需返測。

表3、表4是按國家三等水準測量規范中測站高差互差≤3 mm要求測定的，共設28站29個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站28的終止測點29與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1 km。由表4可知：高差閉合差為0.4 mm。由表3可知：A儀的i角為9.3″，B儀的i角為61.4″，雖然B儀的i角同樣超出了使用傳統水準儀測量的限差，但使用高速對向觀測數字水準尺儀經過i角改正后仍然可得到可靠的測量結果。本文同樣還統計計算了終止測點29處兩儀累計高程的互差為0.8 mm，符合規范中左右路線的互差限差要求。

另外，試驗還表明：正交標尺腳架、L型水準器及電子目鏡的使用確實能加快水準尺儀的安置、照準調焦速度，智能尺墊確實能實時監測尺墊的位移，重要的是：高速對向觀測數字水準尺儀采用2點互動配置而非傳統的3點互動配置，不再苛求前后距大致相等，這也極大地加快了測站水準測量的速度，因此，高速對向觀測數字水準尺儀擁有比傳統水準尺儀更高的測站測量速度。更進一步，由于高速對向觀測數字水準尺儀采用了對向雙觀測系統，可不再進行傳統水準測量時的返測工作，故高速對向觀測數字水準尺儀可使水準測量整體效率直接提高1倍以上。

6 結論及展望

本文的理論分析及試驗表明：由于采用了更加科學合理的一體化結構、更加嚴密可靠的對偶測量原理和適應性更強的作業模式，高速對向觀測數字水準尺儀擁有比傳統水準儀更高的水準測量速度和效率。此外，高速對向觀測數字水準尺儀可方便、有效地用于國家三、四等水準測量(關于用于國家一、二等水準測量的相關試驗另文介紹)。高速對向觀測數字水準尺儀，與傳統水準儀相比，可使水準測量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準測量系統，同時可節省人力30%以上，具有更高的性價比。

高速對向觀測數字水準尺儀成功解決了水準測量速度慢、效率低這一困擾全球測量界幾百年的大難題，將對全球大地及工程測量界產生重大及顛覆性的影響，必將開啟人類社會普及電子水準儀的新時代。

致謝：本文在高速對向觀測數字水準尺儀的研制過程中，得到了武漢大學寧津生院士的大力支持和指導，得到了天津歐波精密儀器股份有限公司、大連晶碩機械有限公司、大連九成測繪信息有限公司等大力支持與幫助，特此致謝。

[1] 楊俊志,李恩寶,溫殿忠.數字水準測量 [M].北京: 測繪出版社,2009.

[2] 楊俊志,劉宗泉.數字水準儀的測量原理及其檢定 [M].北京: 測繪出版社,2005.

[3] 梁振英,董鴻聞,姬恒煉.精密水準測量的理論與實踐 [M].北京: 測繪出版社,2004.

[4] 趙世平.數字水準儀、全站儀測量技術 [M].鄭州: 黃河水利出版社,2015.

[5] 蘇瑞祥,聶恒莊,石干元,等.大地測量儀器 [M].北京: 測繪出版社,1979.

[6] 趙立軍,李文一,程增杰,等.水準儀磁致誤差檢定的測量不確定度分析[J].大地測量與地球動力學,2016,36(8):750-752.

[7] 周陽.水準儀視準線誤差(i角)測量不確定度評定[J].計量與測試技術,2015,42(9):88-89.

[8] 賈丙普,彭喜林.徠卡DNA03數字水準儀數據處理研究[J].測繪工程,2015,24(2):75-77.

[9] 景琦,薄萬舉.電子水準儀與自動安平水準儀的對比研究——以DINI11和NI002為例[J].地震工程學報,2014,36(4):1102-1106.

[10] 李靈愛,潘國兵.電子水準儀原始數據智能化處理軟件研究[J].測繪通報,2016(6):128-132.

[11] 陳波,李航,綦曉杰,等.標尺傾斜時精密水準測量方法研究[J].測繪通報,2015(S1):139-140，144.

[12] 景琦.基于電子水準儀綜合檢定方法的研究[J].自動化與儀器儀表,2015(10):13-14.

[13] 張士勇,鄒進貴.基于數字水準儀的沉降監測數據處理與分析系統研制[J].測繪通報,2014(S2):63-65.

[14] 岳龍.數字水準儀的基本測量原理與使用[J].測繪與空間地理信息,2014,37(4):190-191，194.

[15] 中華人民共和國國家標準.水準儀：GB/T 10156—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[16] 中華人民共和國國家標準.國家三、四等水準測量規范：GB/T 12898—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[17] 劉雁春,付建國,王海亭.抱夾式測量腳架：中國，ZL201310022381.9[P].2014-12-31.

[18] 劉雁春,王海亭,孟強.便攜組合式高精度水準測量標尺：中國，ZL201310720908.5[P].2016-12-07.

[19] 劉雁春,孟強,王海亭.可顛倒使用的水準測量尺墊：中國，ZL201410070126.6[P].2016-08-24.

[20] 劉雁春,付建國,王海亭.套夾式測量腳架：中國，ZL201220373858.9[P].2013-03-13.

[21] 劉雁春,付建國,王海亭.對偶式觀測用尺儀合一復合水準儀：中國，ZL201220611636.6[P].2013-06-12.

[22] 劉雁春,付建國,王海亭.可旋轉觀測的復合水準儀：中國，ZL201320148597.5[P].2013-08-28.

[23] 劉雁春,孟強.高精度固定式復合水準儀：中國，ZL201420262329.0[P].2014-10-22.

[24] 劉雁春,孟強.用于水準標尺的新型水準器：中國，ZL201420262289.X[P].2014-10-22.

[25] 劉雁春,劉志強,宋騫,等.高精度水平檢測器：中國，ZL201420599706.X[P].2015-02-04.

[26] 劉雁春,孟強,劉雪.腳踏式測量腳架：中國，ZL201420599759.1[P].2015-03-18.

[27] 劉雁春,孟強.可與標尺一體化連接的水準測量尺墊：中國，ZL201620143902.5[P].2016-08-03.

[28] 劉雁春,王海亭,孟強.尺儀一體化快速水準測量裝置：中國，ZL201620482193.3[P].2016-12-07.

[29] 劉雁春.可監測位移的水準測量尺墊：中國，ZL201620549750.9[P].2016-12-07.

[30] 劉雁春.可與標尺組合攜帶的水準測量尺墊：中國，ZL201620567356.8[P].2016-12-07.

InventionandPracticeofNewHigh-speedBilateralObservationDigitalLevel&Staff

LIU Yanchun1,2,3，WANG Haiting1，ZHAO Junsheng2，MENG Qiang1，LIU Yao1，WU Xianghua1

(1. Dalian Senbior Surveying Instrument Technology Co.Ltd.，Dalian 116023，China; 2. Department of Hydrography and Cartography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China; 3. Department of Navigation Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Leveling is always an important method to obtain precise elevation difference of ground points，but its slow measurement speed and low working efficiency are also difficult problems anound the world.In order to improve the speed and efficiency of leveling，the concept，structure，principle and method of a new high-speed bilateral observation digital level & staff are presented in this paper.Firstly，the unitized configuration design of level and staff is used so that the three-point interactive configuration in traditional leveling is changed into two-point interactive configuration to improve the station setting speed and terrain adaptability of level & staff.Secondly，the principle of dual measurement is invented in which the unidirectional and single system observation of the traditional leveling is changed into bilateral (double) and dual system observation to improve the accuracy and reliability of leveling.Furtherly，the orthogonal two-leg bracket and L type bubble level are designed and used to improve the station setting speed of the level & staff.The theoretical analysis and preliminary practice show that the speed and efficiency of leveling can be raised by more than one times by using the new high-speed bilateral observation digital level & staff which is the fastest，the most intelligent electronic leveling system in the world nowadays.The invention of the new high-speed bilateral observation digital level & staff，will have a tremendous and overturning impact on the global geodetic survey and engineering survey，and will open a new era of the popularity of electronic level in human society.

leveling；high-speed bilateral observation digital level & staff；new invention；design and practice

2017-03-22

國家自然科學基金(41576105)

劉雁春(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向為海洋測繪及工程測量。E-mail：liuyanchun@sohu.com

劉雁春，王海亭，趙俊生，等.新一代高速對向觀測數字水準尺儀的發明與實踐[J].測繪通報，2017(12)：131-137.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0395.

P24

A

0494-0911(2017)12-0131-07