文/朱艷麗

數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀對(duì)比分析

文/朱艷麗

信陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心

在當(dāng)前水準(zhǔn)儀已經(jīng)在我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但無(wú)論在哪個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用，都要求水準(zhǔn)儀具有良好的準(zhǔn)確性，保證測(cè)量不出現(xiàn)偏差。筆者對(duì)目前各個(gè)行業(yè)常用的數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀的工作原理，主要特點(diǎn)以及兩者在實(shí)際工作中具體運(yùn)用進(jìn)行了對(duì)比分析。

數(shù)字水準(zhǔn)儀；光學(xué)水準(zhǔn)儀；原理；特點(diǎn)；對(duì)比

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀的工作原理

1.1數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理，數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理數(shù)字水準(zhǔn)儀也稱為數(shù)字水準(zhǔn)儀．它采用條形編碼標(biāo)尺和數(shù)字影像處理原理．用CCD行陣代替人的肉眼。將望遠(yuǎn)鏡像面上的標(biāo)尺成像進(jìn)行編碼求值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，自動(dòng)進(jìn)行讀數(shù)記錄、各項(xiàng)限差計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化。

1.2光學(xué)水準(zhǔn)儀的工作原理。光學(xué)水準(zhǔn)儀主要由基座與照準(zhǔn)部?jī)刹糠纸M成。基座上的三個(gè)腳螺旋用來(lái)整平水準(zhǔn)儀。由望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)器和控制螺旋等組成的照準(zhǔn)部是水準(zhǔn)儀的主要部件，能繞水準(zhǔn)儀的豎軸在水平面內(nèi)作360度旋轉(zhuǎn)。光學(xué)水準(zhǔn)儀主要由人眼通過(guò)望眼鏡對(duì)準(zhǔn)標(biāo)尺調(diào)焦清晰后，來(lái)直接讀取標(biāo)尺上的示數(shù)，最后進(jìn)行高程傳遞的。在高低不平的爬坡地帶，光學(xué)水準(zhǔn)儀常常能帶來(lái)較大的方便，甚至受天氣等自然因素的影響也小得多。然而這也是光學(xué)水準(zhǔn)儀的缺陷所在，除了儀器本身的系統(tǒng)誤差以外，它基本上取決于人眼，人為主觀因素成為主導(dǎo)光學(xué)水準(zhǔn)儀精度的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，炎熱天氣下，空氣中水蒸氣活動(dòng)劇烈，水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡中可視畫(huà)面晃動(dòng)厲害．往往使得讀數(shù)模糊、結(jié)果容易出錯(cuò)等。

2 數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀的主要特點(diǎn)對(duì)比分析

數(shù)字水準(zhǔn)儀采用光電技術(shù)自動(dòng)獲取標(biāo)尺讀數(shù)，自動(dòng)存儲(chǔ)，可以消除人為讀數(shù)誤差與人為輸入數(shù)字的錯(cuò)誤；而光學(xué)水準(zhǔn)儀則由觀測(cè)員通過(guò)光學(xué)設(shè)備（如目鏡、光學(xué)測(cè)微器、十字絲分劃板等）人工讀出，記簿員通過(guò)微型電腦人工輸入存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)字水準(zhǔn)儀由CCD傳感器獲取幾個(gè)條碼確定儀器數(shù)字視準(zhǔn)軸的位置；而光學(xué)水準(zhǔn)儀借助十字絲分劃線來(lái)確定視準(zhǔn)軸的位置。在光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)中僅有一個(gè)尺度因子，即光學(xué)水準(zhǔn)儀的觀測(cè)視線與水準(zhǔn)尺分劃間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；而數(shù)字水準(zhǔn)儀則有兩個(gè)尺度因子一數(shù)字水準(zhǔn)儀本身的尺度因子即（DM）傳感器的像素和條碼尺的尺度因子。數(shù)字水準(zhǔn)儀本身僅能夠給出CCD像素的個(gè)數(shù)，但對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量，則需要將數(shù)字水準(zhǔn)儀的尺度因子歸算至條碼尺的尺度因子中，因此，數(shù)字水準(zhǔn)儀必須要先確定這兩個(gè)尺度因子間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即垂直放大率或稱為物像比。數(shù)字水準(zhǔn)儀具有完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和開(kāi)放的操作系統(tǒng)，可以在儀器和電腦之間方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)處理，以及自動(dòng)對(duì)地球曲率、氣象誤差進(jìn)行改正。數(shù)字水準(zhǔn)儀設(shè)置集成手持提把，外業(yè)攜帶方便，重量輕，（約2Kg），大大減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；而光學(xué)水準(zhǔn)儀重量約為7Kg，使用過(guò)程中工作強(qiáng)度大，給觀測(cè)員的身體健康帶來(lái)了一定的壓力。

3 數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀兩者在實(shí)際工作中的對(duì)比。

國(guó)家級(jí)一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)范圍廣、跨度大，水準(zhǔn)測(cè)線的布設(shè)有著各種各樣復(fù)雜的地理環(huán)境與地形條件，比如要通過(guò)汽車(chē)流量較大的公路橋梁、隧道；攀爬坡度較大的山坡；穿越強(qiáng)磁場(chǎng)源；有的地方還需跨越江、河、湖、海等?！爸袊?guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)”項(xiàng)目的水準(zhǔn)測(cè)線，很多會(huì)形成閉合環(huán)線，以提高測(cè)量精度，因此常常會(huì)遇到無(wú)橋通過(guò)的江、河、溝壑等測(cè)段，此時(shí)只能使用光學(xué)儀器進(jìn)行跨河測(cè)量。規(guī)范中規(guī)定的光學(xué)測(cè)微法及傾斜螺旋法，都適用于光學(xué)水準(zhǔn)儀，只要按照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》要求布設(shè)場(chǎng)地，采用適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法均可以取得良好的效果。數(shù)字水準(zhǔn)儀的跨河測(cè)量，到目前為止，規(guī)范中還是一片空白，因此無(wú)法進(jìn)行該項(xiàng)操作。但是，光學(xué)儀器的缺點(diǎn)非常明顯，對(duì)于觀測(cè)員來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)重行走、過(guò)度用眼疲勞，會(huì)給身心健康帶來(lái)一定的損傷，好多人因此患上肩周炎、腰肌勞損、沙眼、視力下降等。因此輕松愉悅的工作過(guò)程對(duì)測(cè)量人員來(lái)說(shuō)顯得尤其重要。數(shù)字儀器體積小、重量輕，自動(dòng)讀數(shù)，大大減輕了觀測(cè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，深受作業(yè)人員的青睞。

然而，顫抖的公路大橋、黑暗的長(zhǎng)距離隧道、強(qiáng)大的磁場(chǎng)區(qū)域，數(shù)字儀器是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的，不管是三原縣徑河大橋的專門(mén)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，還是近年來(lái)的實(shí)際作業(yè)，比如西部測(cè)區(qū)的長(zhǎng)距離隧道、東部測(cè)區(qū)的跨江大橋觀測(cè)，都得到了客觀的證明。規(guī)范規(guī)定，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行一、二等水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，視距不得小于4m。在山地觀測(cè)中，會(huì)遇到此種情況，因視距太短，數(shù)字儀器讀數(shù)誤差會(huì)很大或者讀不出數(shù)據(jù)。此時(shí)光學(xué)儀器就派上了用場(chǎng)，因?yàn)樗淖x數(shù)視距可以達(dá)到2.2m。這種光、電混合的作業(yè)模式在“中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)”項(xiàng)目中常常會(huì)被用到，而且取得了良好的效果。工程測(cè)量中，尤其是我國(guó)許多城市的大地水準(zhǔn)面精化測(cè)量，數(shù)字水準(zhǔn)儀的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以直接進(jìn)行人機(jī)交換，自動(dòng)進(jìn)行符合水準(zhǔn)路線的平差計(jì)算，同時(shí)加入誤差改正。而光學(xué)儀器得到的只是一組龐大的原始數(shù)據(jù)，給后續(xù)計(jì)算工作帶來(lái)很大的麻煩。然而，在飛機(jī)、造船、汽車(chē)、鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)中，以及大型汽輪發(fā)電機(jī)組、數(shù)字加速器和大型拋物面天線等設(shè)備安裝中，需要進(jìn)行相對(duì)位置極高的精密水準(zhǔn)測(cè)量工作，那么高精度光學(xué)精密水準(zhǔn)儀將是一款非常適合的選擇。

結(jié)論。通過(guò)以上對(duì)比分析，不管是數(shù)字水準(zhǔn)儀還是光學(xué)水準(zhǔn)儀，兩者各有優(yōu)劣，在實(shí)際運(yùn)用中有著很強(qiáng)的實(shí)用性，二者缺一不可，只是針對(duì)不同的方面選擇合適的儀器，提高作業(yè)效率，產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益才是關(guān)鍵。另外，就經(jīng)濟(jì)價(jià)值和發(fā)展趨勢(shì)而言，光學(xué)儀器造價(jià)昂貴，維護(hù)困難，正在逐漸被市場(chǎng)所淘汰。而數(shù)字儀器因其經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠、智能化，必將得到長(zhǎng)足的發(fā)展，會(huì)以更加方便快捷的方式服務(wù)于國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)的各個(gè)方面。

[1]楊俊志等著.數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理及其檢定[M].北京：測(cè)繪出版社，2005

[2]王明善等著.數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理及誤差分析[J].四川測(cè)繪。2000

[3]李以赫．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)但的性能評(píng)違[J].測(cè)繪通報(bào)．1993

[4]趙瑞，樊鋼.數(shù)字水準(zhǔn)儀與精密光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)量精度比較[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（01）：60-63.

朱艷麗（1982—）女，河南信陽(yáng)人，信陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中，心助理工程師。