關于數字水準儀應用對水準測量的影響分析

高宏強 鞠嵩

摘要：介紹Trimble DiNi新數字水準儀的原理、性能和誤差來源。結合水準測量的實踐，對其精度及誤差進行分析，認為測量成果的精度取決于測量的方法和外界條件的影響，Trimble DiNi能滿足二等水準測量的精度。在水準測量實施過程、作業期間通過測量設備的配置及檢校等方法可以減少誤差；并建議更新水準測量的規范及水準路線上重力點的密度選擇等，進行精密水準測量時，視距是制約生產效率的最關鍵因素。通過擴大數字水準儀條碼尺的碼寬，在滿足精密水準測量精度的前提下，可以有效地擴大精密水準測量的視距。研究擴大條碼尺碼寬時數字水準儀的測量原理，并利用噴繪的條碼尺進行初步試驗。

關鍵詞：數字水準儀；水準分析；測量

為了高精度測定地面點的高程，精密水準測量仍然是目前唯一行之有效的野外觀測方法。隨著數字技術的發展，傳統的光學水準儀正在被數字水準儀所替代，它實現了水準測量的數字采集、記錄和處理的自動化。數字水準儀是在傳統水準儀的基礎技術上設計而成的，具有用戶界面和數據輸出模式。這種具有補償器的自動水準儀能夠使用編碼標尺進行自動測量，數據可先存儲在儀器內存，在作業完成之后再備份到數據存貯卡中。

一、數字水準測量系統的組成及工作原理

一個數字水準儀測量系統主要是由編碼標尺、光學望遠鏡、補償器、CCD傳感器以及微處理控制器和相關的圖象處理軟件等組成。工作基本原理[1]是標尺上的條碼圖案經過光反射，一部分光束直接成像在望遠鏡分劃板上，供目視觀測，另一部分光束通過分光鏡被轉折到線陣CCD傳感器的像平面上，經光電轉換、整形后再經過模數轉換，輸出的數字信號被送到微處理器進行處理和存儲，并將其與儀器內存的標準碼（參考信號）按一定方式進行比較，即可獲得高度讀數和水平距離。

二、影響數字水準儀精度的幾個因素及防護

（一）儀器設備誤差

包括儀器本身精密度、校正不完善等誤差，具體有補償器誤差、視準軸與水準軸不平行的誤差（i角誤差）、儀器分辨率誤差、銦鋼精密條碼水準尺每米長度誤差、兩水準標尺零點差等；操作者誤差，包括儀器安置誤差、水準氣泡居中誤差、標尺安置誤差、調焦質量的影響、視差誤差。

（二）補償器的振動

交通及建筑工地的振動源通過腳架直接傳遞到儀器上，引起補償器的振動，從而直接影響數字水準儀的測量信號。當補償器的振動周期小于圖像傳感器獲取圖像信號的周期時，將會影響本次觀測值的質量，導致儀器計算的標準差數據偏大；當補償器的振動周期大于圖像傳感器獲取圖像信號的周期時，將影響觀測數據之間的一致性。在這種條件下進行觀測時，應該采取增加測量次數、縮短視距等措施以提離測量精度。

（三）標尺的陽光照射問題

標尺受到強烈陽光照射，數字水準儀的圖像傳感器將接收到過量的條碼尺圖像信號，輕則需要增加測量時間以獲得恰當對比度的圖像，重則導致儀器圖像傳感器不工作。這時需要在水平方向微轉條碼尺，避免條碼尺面直接反射光線。當標尺受到不均勻照射時，可能給數字水準儀的測量結果帶來較大的系統誤差。在進行數字化水準測量時，如在逆光環境下，儀器要遮陽，最好采用“之”字形線路避免逆光狀況；在光線亮度不夠時，要使用光源均勻地照射標尺所使用的尺段。

三、數字水準儀測量時應注意的問題

（一）足夠的等待時間，機內溫度與環境溫度平衡

在測站上安置好儀器后，應有足夠長的時間等待補償器充分穩定。特別是儀器經過長途運輸、搬站及升降腳架后，更應該有較長的等待時間。數字水準儀采取了高精度的自動讀數方式，與同等級的光學水準儀相比，其光機性度大大降低。光機性能降低的一個直接后果就是儀器的溫度性能降低，即儀器的視準軸隨溫度變化大。雖然有些數字水準儀對此項誤差進行了修正，但由于溫度的影響，儀器不可能保持該項改正為常量。造成溫度效差的原因是儀器所使用的材料（包括金屬件、玻璃件及塑料件）熱膨脹。在傳統光學水準儀上，人們采用不同膨脹系數的材料，使儀器能夠自動抵消溫度變化對視準軸的影響。但在數字水準儀上，人們沒有采取這種措施來消除溫度變化對視準軸的影響。因此，儀器進行正式測量前，應在足夠的時間（2℃/min）使儀器內部溫度與環境溫度達到平衡。

（二）正確架設水準儀，嚴格觀測順序在各測站上連續安置數字水準儀時，應使其中兩腳螺旋與水準路線方向平行，而第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側與右側。數字水準儀基本繼承了傳統光學水準儀器的主要部件，補償器也是數字水準儀的關鍵部件之一，其作用是用來改正儀器豎軸的傾斜。盡管儀器生產廠家盡最大努力使補償器的精度達到最高，但從國外大量的試驗中可以得出結論：當數字水準儀從前視轉到后視時，視準軸會出現0.1-0.15的誤差。

（三）正確照準條碼帶中心位置

避免遮擋望遠鏡視場內的條碼進行水準測量時，嚴格照準條碼分劃線的中心位置，有利于消除條碼尺制造帶來的誤差，進一步消除阿貝誤差。雖然有的儀器設計了望遠鏡視場內部分條碼遮擋時仍可以進行測量的功能，但條碼尺的部分遮擋等價于條碼尺上的部分條碼被污染，將產生較大的測量誤差。

四、結語

科學進步對生產力的影響是成幾何級數增長的。雖然從數字水準儀發明以來，我國就開始大量引進，但目前對數字水準儀的進一步開發利用還處于起步階段。國外研究結果表明利用放大后的條碼尺配合數字水準儀時，即使采用200m的長視距，水準測量的成果仍然可以滿足一等水準測量的精度要求，這是對采用傳統精密光學水準儀進行一等水準測量時，視距不能夠超過50m等固有觀念的顛覆，介紹了精密二等水準測量的數據的質量控制。為日后控制二等水準測量質量提供了一套較系統的作業參考方法。減小和消除誤差的方法都是以增加時間或采取更多的步驟為代價。在測量中操作熟練，才能提高觀測的速度，采取規范的辦法，嚴格執行正確步驟，觀測員與立尺員互相配合，才能得到正確結果。

參考文獻：

[1]張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005：80-82.

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[4]林玉祥.控制測量技術[M].北京：中國電力出版社，2008：127-128.