鐘元華

摘 要：隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，電子水準(zhǔn)儀在工程測量中的應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了測量精度和工作效率。這就要求掌握電子水準(zhǔn)儀的原理、性能和使用方法，能完成一定的測量工作任務(wù)，成為高技能應(yīng)用型人才。文章分析和研究了練習(xí)二等閉合水準(zhǔn)路線測量高差閉合差超限的原因，提出了減小測量誤差的方法和措，說明測量成果的精度不僅取決于儀器的性能，而且更主要的是取決于測量的方法和外界條件的影響。

關(guān)鍵詞：科力達(dá)DL2007電子水準(zhǔn)儀；二等閉合水準(zhǔn)測量；高差閉合差；超限原因分析

中圖分類號：P224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0088-03

1 電子水準(zhǔn)儀的原理和特點(diǎn)

1.1 電子水準(zhǔn)儀的原理

電子水準(zhǔn)儀是以自動安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD）、并采用條碼標(biāo)尺和圖像處理電子系統(tǒng)而構(gòu)成的光機(jī)電測量一體化的高科技產(chǎn)品。基本工作原理是當(dāng)人工照準(zhǔn)標(biāo)尺并調(diào)焦后，條碼標(biāo)尺的像經(jīng)分光鏡，一路成像在分劃板上，供目視觀測；一路成像在探測器上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號被送到微處理器進(jìn)行處理和存儲，并將其與儀器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)碼按一定方式進(jìn)行比較，即可獲得高度讀數(shù)和水平距離。

1.2 電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)

1.2.1 電子水準(zhǔn)儀的共同特點(diǎn)

①自動讀數(shù)。觀測值以數(shù)字顯示，不存在觀測員的判讀錯誤及人為讀數(shù)誤差；②精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進(jìn)行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進(jìn)行高精度測量；③速度快。由于省去了讀數(shù)以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相比可以節(jié)省1/3左右；④效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強(qiáng)度；⑤自動存儲：數(shù)據(jù)能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，可實(shí)線內(nèi)外業(yè)一體化。

1.2.2 DL2007電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)和性能

DL2007高精度電子水準(zhǔn)儀是國產(chǎn)首臺高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀，高程測量精度達(dá)到0.7 mm/km，全新設(shè)計(jì)，密封防塵、操作簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，采用國際頂尖的水準(zhǔn)儀補(bǔ)償模式，關(guān)鍵部件采用進(jìn)口材料，并帶溫度補(bǔ)償，在全溫度范圍內(nèi)達(dá)到更高的補(bǔ)償精度。可用于國家二等水準(zhǔn)測量及精密沉降觀測等應(yīng)用。其主要性能見表1。

2 二等閉合水準(zhǔn)路線測量實(shí)例

2.1 二等水準(zhǔn)測量儀器設(shè)備

根據(jù)競賽要求，二等水準(zhǔn)測量需配備以下儀器設(shè)備：

①南方DL2007電子水準(zhǔn)儀：含木腳架1副、2 m數(shù)碼標(biāo)尺1對、2個撐桿及2個尺墊（3 kg）。

②50 m測繩（根據(jù)參賽隊(duì)的要求配發(fā)）。

2.2 觀測與計(jì)算要求

每一條閉合水準(zhǔn)路線由3個待求點(diǎn)和1個已知點(diǎn)組成。設(shè)A點(diǎn)為已知點(diǎn)，B、C、D為待求點(diǎn)。滿足如下要求：

①觀測使用賽會規(guī)定的儀器設(shè)備，測站視線長度、前后視距差及其累計(jì)、視線高度和數(shù)字水準(zhǔn)儀重復(fù)測量次數(shù)規(guī)定見表2。

②按照賽會規(guī)定，使用規(guī)定的3 kg尺墊，可以不使用撐桿，也可以自帶撐桿。

③觀測前30 min，應(yīng)將儀器置于露天陰影下，使儀器與外界溫度一致，競賽前還必須對數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行預(yù)熱測量，預(yù)熱測量不少于20次。

④競賽采用手工記錄及計(jì)算。

⑤連續(xù)測站安置水準(zhǔn)儀腳架時，應(yīng)使其中兩個腳與水準(zhǔn)路線的方向平行，第三只腳輪換置于前進(jìn)方向的左側(cè)或者右側(cè)。

⑥除路線轉(zhuǎn)彎處，每一測站上儀器與前后視標(biāo)尺應(yīng)盡量接近一直線上。

⑦水準(zhǔn)路線采用單程觀測，每測段測站數(shù)為偶數(shù)，每測站兩次高差，奇數(shù)站觀測水準(zhǔn)尺的順序?yàn)椋汉?前-前-后；偶數(shù)站觀測水準(zhǔn)尺的順序?yàn)椋呵?后-后-前。

⑧同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)不設(shè)限差，兩次讀數(shù)所測高差之差應(yīng)滿足表1.1規(guī)定。

⑨現(xiàn)場完成高程誤差配賦計(jì)算，不允許使用編程計(jì)算器。

⑩水準(zhǔn)路線閉合差應(yīng)滿足表1.1的限差要求。

{11}高程誤差配賦計(jì)算，高差取位到0.00001 m，高程取位到0.001 m。

2.3 第一測段A-B第一測站的觀測步驟

①安置水準(zhǔn)儀。在后視點(diǎn)A上豎立帶尺撐的條碼水準(zhǔn)尺，在第一測段的第一個轉(zhuǎn)點(diǎn)上放好尺墊，然后將帶尺撐的條碼水準(zhǔn)尺豎立，使兩個水準(zhǔn)尺上的氣泡居中。將三腳架在這兩個水準(zhǔn)點(diǎn)連線的中點(diǎn)處打開，調(diào)整架頭高度，并目估架頭水平，然后打開儀器箱，從箱中取出南方DL2007電子水準(zhǔn)儀并安置到三腳架頭上，旋緊腳架上的中心連接螺旋。

②整平儀器。旋轉(zhuǎn)三個角螺旋將圓水準(zhǔn)器的氣泡調(diào)整居中。先將圓水準(zhǔn)器放在適當(dāng)位置，然后雙手同時向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)角螺旋，使氣泡向中間移動，氣泡移動方向和左手大拇指移動方向相同；然后再旋轉(zhuǎn)第三個角螺旋使氣泡居中。這項(xiàng)工作要反復(fù)進(jìn)行，直至儀器旋轉(zhuǎn)到任何方向氣泡都居中為止。

③照準(zhǔn)與調(diào)焦。首先利用粗瞄器將望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)后視點(diǎn)A處標(biāo)尺，慢慢旋轉(zhuǎn)目鏡使十字絲影像最為清晰，再旋轉(zhuǎn)調(diào)焦手輪使標(biāo)尺的影像最為清晰，轉(zhuǎn)動水平微動螺旋使標(biāo)尺的像在十字絲豎絲的中心，同時注意消除視差。

④開機(jī)。

⑤設(shè)置。設(shè)置鍵用來對儀器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如測量模式選擇N次測量，最小讀數(shù)為精密0.1 mm，數(shù)據(jù)單位為米，數(shù)據(jù)輸出為內(nèi)存等。

⑥測量標(biāo)尺讀數(shù)和距離。選擇標(biāo)準(zhǔn)測量模式的標(biāo)準(zhǔn)測量，按MEAS鍵進(jìn)行測量，當(dāng)屏幕上顯示標(biāo)尺均值和視距均值時，把數(shù)據(jù)記錄到記錄表中。根據(jù)奇數(shù)站后前前后的觀測順序，依次把數(shù)據(jù)記錄到表格中。

⑦計(jì)算一測站高差。根據(jù)水準(zhǔn)測量原理，計(jì)算兩次高差，若其差值≤0.6 mm，則取其平均值作為這一測站高差；此時儀器搬站，進(jìn)行下一站測量；若其差值>0.6 mm，則重新安置儀器測量。

2.4 第一測段A-B數(shù)據(jù)記錄表

二等水準(zhǔn)外業(yè)觀測手簿見表3。

2.5 閉合水準(zhǔn)路線A-B-C-D-A測量數(shù)據(jù)分析

二等水準(zhǔn)測量路線計(jì)算表見表4。

3 二等閉合水準(zhǔn)路線高差閉合差超限原因分析

從表4可以看出，即使每測站觀測成果有效，但整條閉合路線測量結(jié)果顯示高差閉合差還是超限了。在平時的大量練習(xí)中，也經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況。究其原因，影響數(shù)字精密水準(zhǔn)測量的因素很多，主要誤差有：儀器誤差、操作者誤差；客觀環(huán)境誤差。另外，還有正確使用、保養(yǎng)和檢查數(shù)字水準(zhǔn)儀對水準(zhǔn)測量的影響。

3.1 儀器誤差

3.1.1 水準(zhǔn)儀的精度對精密水準(zhǔn)測量成果的影響

水準(zhǔn)儀儀器的觀測精度，主要是由儀器的誤差而引起的每公里水準(zhǔn)測量往返測中數(shù)的中誤差，表示儀器在測量中所能達(dá)到的精度?，F(xiàn)有的數(shù)字水準(zhǔn)儀的性能已非常優(yōu)良，能滿足精密水準(zhǔn)測量的精度要求。

因此，在觀測前，只要對數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行嚴(yán)格的檢校，如儀器的補(bǔ)償性能、儀器分辨率、電子i角等，掌握儀器的工作狀態(tài)；在觀測過程中，測量作業(yè)、操作儀器嚴(yán)格按照《規(guī)范》要求，比如對視距的選擇、在照準(zhǔn)同一測站前、后視尺時盡量避免調(diào)焦、每一測站的后、前視距離之差和每一測段的后、前視距離之累計(jì)差規(guī)定一個限值、在陽光下觀測必須用傘遮住儀器等，就可以減弱或消除水準(zhǔn)儀的精度對精密水準(zhǔn)測量成果的影響。

3.1.2 銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺對精密水準(zhǔn)測量成果的影響

為消除銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺對水準(zhǔn)測量成果的系統(tǒng)誤差，作業(yè)前，必須對水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行嚴(yán)格的檢定。

國外研究結(jié)果表明，不恰當(dāng)?shù)臋z定方法可能獲得錯誤的改正數(shù)，會帶來巨大的系差，因此國內(nèi)目前需建立適合國情的銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺檢定裝置。而對于兩水準(zhǔn)標(biāo)尺零點(diǎn)差的影響可在實(shí)際水準(zhǔn)測量作業(yè)過程中予以抵消，如將測段測站數(shù)安排成偶數(shù)站，且在相鄰測站上使兩水準(zhǔn)標(biāo)尺輪流作為前視尺和后視尺等。

3.2 觀測誤差

操作者對精密水準(zhǔn)測量成果的影響主要表現(xiàn)在觀測者的置平質(zhì)量、調(diào)焦質(zhì)量及立尺者標(biāo)尺安置質(zhì)量對測量的影響。

3.2.1 整平儀器誤差

在整平過程中，要遵循左手拇指規(guī)則：“左手拇指旋轉(zhuǎn)腳螺旋的運(yùn)動方向，就是氣泡移動的方向”，不可盲目轉(zhuǎn)動腳螺旋。另外要注意儀器轉(zhuǎn)到任何方向，氣泡都要居中，這樣才能提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2.2 調(diào)焦誤差

對于調(diào)焦質(zhì)量，數(shù)字水準(zhǔn)儀也要求十字絲影像清晰、標(biāo)尺的像準(zhǔn)確地聚集在CCD傳感器上，才能準(zhǔn)確的反映測量值，否則，調(diào)焦質(zhì)量不高、成像不清晰，數(shù)字水準(zhǔn)儀自動測量的數(shù)值也是不準(zhǔn)確的。觀測者保證每站的儀器調(diào)焦質(zhì)量，才可獲得最佳的測量精度。

3.2.3 水準(zhǔn)尺傾斜誤差

在水中測量讀數(shù)時，若水準(zhǔn)尺在視線方向前后傾斜，會造成水準(zhǔn)尺讀數(shù)總會偏大，所以立尺者要確保尺上的圓水準(zhǔn)氣泡居中或配套使用廠家提供的可調(diào)節(jié)升降尺撐，提高扶尺質(zhì)量，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)條形碼標(biāo)尺上位于視線上下一定范圍內(nèi)的尺面被遮擋后，CCD傳感器將因采樣數(shù)據(jù)不足而產(chǎn)生不夠精確的結(jié)果或無法產(chǎn)生結(jié)果。所以在觀測過程中，應(yīng)盡量避免標(biāo)尺被遮擋現(xiàn)象。

3.3 外界環(huán)境的影響

3.3.1 光照及風(fēng)力對水準(zhǔn)測量成果的影響

野外作業(yè)時，光照會造成儀器各部分受熱不均使軸線關(guān)系改變，對于采樣范圍內(nèi)的亮度不均勻的條形碼群體，會使曝光時間失控，單次測量時間延長，影響測量精度，嚴(yán)重時會使測量中斷。風(fēng)大時會使儀器抖動、不易整平等都會引起誤差。所以要選擇好的天氣測量，另外，給儀器打傘遮光等都是消除和減弱其影響的好辦法。

3.3.2 振動對水準(zhǔn)測量成果的影響

數(shù)字水準(zhǔn)儀屬于自動整平水準(zhǔn)儀，由于交通、機(jī)械、氣流等產(chǎn)生的振動，影響補(bǔ)償器致使視準(zhǔn)軸線不穩(wěn)定和標(biāo)尺不穩(wěn)定。數(shù)字水準(zhǔn)儀對各種震動特別是地面震動非常敏感，當(dāng)震動引起的振幅較大時儀器單次采樣時間就會大大增加，單站讀數(shù)誤差增大從而降低測量精度。水準(zhǔn)路線常是在交通繁忙公路上進(jìn)行，受車輛通過或空氣抖動等強(qiáng)烈振動影響較大，致使這些測段誤差大。因此，在作業(yè)過程中，除要選擇穩(wěn)定的地方設(shè)站和立尺外，還需給出儀器、立尺穩(wěn)定時間，以減弱補(bǔ)償器振動和空氣抖動的影響。

3.3.3 大氣折光對水準(zhǔn)測量成果的影響

精密路線測量時，大氣折光對測量精度的影響也是十分明顯的。一般視線離地面越近，光線的折射也就越大。觀測時應(yīng)根據(jù)二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求對視線高度的規(guī)定，以減小大氣折光的影響。

4 結(jié) 語

數(shù)字水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn)顯著，對標(biāo)尺分劃的自動測量技術(shù)，防止了人為讀數(shù)和傳遞誤差，測量過程簡捷迅速、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，節(jié)省人力，大大提高了工作效率。但對于精密水準(zhǔn)測量來說。測量成果的精度不僅取決儀器的性能，而且更主要的是取決于測量的方法和外界條件的影響。只有熟悉儀器的操作方法，在操作過程中認(rèn)真、仔細(xì)，嚴(yán)格執(zhí)行二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求和測量規(guī)范中的規(guī)定，并盡可能減小外界條件的影響，才會使二等閉合水準(zhǔn)路線高差閉合差限制在要求范圍內(nèi)，獲得有效的數(shù)據(jù)，提高測量精度。

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