高宏強(qiáng) 鞠嵩

摘要：介紹Trimble DiNi新數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理、性能和誤差來源。結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)踐，對(duì)其精度及誤差進(jìn)行分析，認(rèn)為測(cè)量成果的精度取決于測(cè)量的方法和外界條件的影響，Trimble DiNi能滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。在水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)施過程、作業(yè)期間通過測(cè)量設(shè)備的配置及檢校等方法可以減少誤差；并建議更新水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范及水準(zhǔn)路線上重力點(diǎn)的密度選擇等，進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，視距是制約生產(chǎn)效率的最關(guān)鍵因素。通過擴(kuò)大數(shù)字水準(zhǔn)儀條碼尺的碼寬，在滿足精密水準(zhǔn)測(cè)量精度的前提下，可以有效地?cái)U(kuò)大精密水準(zhǔn)測(cè)量的視距。研究擴(kuò)大條碼尺碼寬時(shí)數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理，并利用噴繪的條碼尺進(jìn)行初步試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水準(zhǔn)儀；水準(zhǔn)分析；測(cè)量

為了高精度測(cè)定地面點(diǎn)的高程，精密水準(zhǔn)測(cè)量仍然是目前唯一行之有效的野外觀測(cè)方法。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀正在被數(shù)字水準(zhǔn)儀所替代，它實(shí)現(xiàn)了水準(zhǔn)測(cè)量的數(shù)字采集、記錄和處理的自動(dòng)化。數(shù)字水準(zhǔn)儀是在傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)技術(shù)上設(shè)計(jì)而成的，具有用戶界面和數(shù)據(jù)輸出模式。這種具有補(bǔ)償器的自動(dòng)水準(zhǔn)儀能夠使用編碼標(biāo)尺進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)可先存儲(chǔ)在儀器內(nèi)存，在作業(yè)完成之后再備份到數(shù)據(jù)存貯卡中。

一、數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的組成及工作原理

一個(gè)數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)主要是由編碼標(biāo)尺、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、補(bǔ)償器、CCD傳感器以及微處理控制器和相關(guān)的圖象處理軟件等組成。工作基本原理[1]是標(biāo)尺上的條碼圖案經(jīng)過光反射，一部分光束直接成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板上，供目視觀測(cè)，另一部分光束通過分光鏡被轉(zhuǎn)折到線陣CCD傳感器的像平面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、整形后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號(hào)被送到微處理器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并將其與儀器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)碼（參考信號(hào)）按一定方式進(jìn)行比較，即可獲得高度讀數(shù)和水平距離。

二、影響數(shù)字水準(zhǔn)儀精度的幾個(gè)因素及防護(hù)

（一）儀器設(shè)備誤差

包括儀器本身精密度、校正不完善等誤差，具體有補(bǔ)償器誤差、視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)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(zhǔn)尺每米長(zhǎng)度誤差、兩水準(zhǔn)標(biāo)尺零點(diǎn)差等；操作者誤差，包括儀器安置誤差、水準(zhǔn)氣泡居中誤差、標(biāo)尺安置誤差、調(diào)焦質(zhì)量的影響、視差誤差。

（二）補(bǔ)償器的振動(dòng)

交通及建筑工地的振動(dòng)源通過腳架直接傳遞到儀器上，引起補(bǔ)償器的振動(dòng)，從而直接影響數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量信號(hào)。當(dāng)補(bǔ)償器的振動(dòng)周期小于圖像傳感器獲取圖像信號(hào)的周期時(shí)，將會(huì)影響本次觀測(cè)值的質(zhì)量，導(dǎo)致儀器計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)偏大；當(dāng)補(bǔ)償器的振動(dòng)周期大于圖像傳感器獲取圖像信號(hào)的周期時(shí)，將影響觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的一致性。在這種條件下進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，應(yīng)該采取增加測(cè)量次數(shù)、縮短視距等措施以提離測(cè)量精度。

（三）標(biāo)尺的陽(yáng)光照射問題

標(biāo)尺受到強(qiáng)烈陽(yáng)光照射，數(shù)字水準(zhǔn)儀的圖像傳感器將接收到過量的條碼尺圖像信號(hào)，輕則需要增加測(cè)量時(shí)間以獲得恰當(dāng)對(duì)比度的圖像，重則導(dǎo)致儀器圖像傳感器不工作。這時(shí)需要在水平方向微轉(zhuǎn)條碼尺，避免條碼尺面直接反射光線。當(dāng)標(biāo)尺受到不均勻照射時(shí)，可能給數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量結(jié)果帶來較大的系統(tǒng)誤差。在進(jìn)行數(shù)字化水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，如在逆光環(huán)境下，儀器要遮陽(yáng)，最好采用“之”字形線路避免逆光狀況；在光線亮度不夠時(shí)，要使用光源均勻地照射標(biāo)尺所使用的尺段。

三、數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問題

（一）足夠的等待時(shí)間，機(jī)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度平衡

在測(cè)站上安置好儀器后，應(yīng)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間等待補(bǔ)償器充分穩(wěn)定。特別是儀器經(jīng)過長(zhǎng)途運(yùn)輸、搬站及升降腳架后，更應(yīng)該有較長(zhǎng)的等待時(shí)間。數(shù)字水準(zhǔn)儀采取了高精度的自動(dòng)讀數(shù)方式，與同等級(jí)的光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，其光機(jī)性度大大降低。光機(jī)性能降低的一個(gè)直接后果就是儀器的溫度性能降低，即儀器的視準(zhǔn)軸隨溫度變化大。雖然有些數(shù)字水準(zhǔn)儀對(duì)此項(xiàng)誤差進(jìn)行了修正，但由于溫度的影響，儀器不可能保持該項(xiàng)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(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀上，人們采用不同膨脹系數(shù)的材料，使儀器能夠自動(dòng)抵消溫度變化對(duì)視準(zhǔn)軸的影響。但在數(shù)字水準(zhǔn)儀上，人們沒有采取這種措施來消除溫度變化對(duì)視準(zhǔn)軸的影響。因此，儀器進(jìn)行正式測(cè)量前，應(yīng)在足夠的時(shí)間（2℃/min）使儀器內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡。

（二）正確架設(shè)水準(zhǔn)儀，嚴(yán)格觀測(cè)順序在各測(cè)站上連續(xù)安置數(shù)字水準(zhǔn)儀時(shí)，應(yīng)使其中兩腳螺旋與水準(zhǔn)路線方向平行，而第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側(cè)與右側(cè)。數(shù)字水準(zhǔn)儀基本繼承了傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀器的主要部件，補(bǔ)償器也是數(shù)字水準(zhǔn)儀的關(guān)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(chǎn)廠家盡最大努力使補(bǔ)償器的精度達(dá)到最高，但從國(guó)外大量的試驗(yàn)中可以得出結(jié)論：當(dāng)數(shù)字水準(zhǔn)儀從前視轉(zhuǎn)到后視時(shí)，視準(zhǔn)軸會(huì)出現(xiàn)0.1-0.15的誤差。

（三）正確照準(zhǔn)條碼帶中心位置

避免遮擋望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)的條碼進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，嚴(yán)格照準(zhǔn)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(jìn)一步消除阿貝誤差。雖然有的儀器設(shè)計(jì)了望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)部分條碼遮擋時(shí)仍可以進(jìn)行測(cè)量的功能，但條碼尺的部分遮擋等價(jià)于條碼尺上的部分條碼被污染，將產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

四、結(jié)語(yǔ)

科學(xué)進(jìn)步對(duì)生產(chǎn)力的影響是成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的。雖然從數(shù)字水準(zhǔn)儀發(fā)明以來，我國(guó)就開始大量引進(jìn)，但目前對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的進(jìn)一步開發(fā)利用還處于起步階段。國(guó)外研究結(jié)果表明利用放大后的條碼尺配合數(shù)字水準(zhǔn)儀時(shí)，即使采用200m的長(zhǎng)視距，水準(zhǔn)測(cè)量的成果仍然可以滿足一等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，這是對(duì)采用傳統(tǒng)精密光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行一等水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，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(zhǔn)測(cè)量的數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。為日后控制二等水準(zhǔn)測(cè)量質(zhì)量提供了一套較系統(tǒng)的作業(yè)參考方法。減小和消除誤差的方法都是以增加時(shí)間或采取更多的步驟為代價(jià)。在測(cè)量中操作熟練，才能提高觀測(cè)的速度，采取規(guī)范的辦法，嚴(yán)格執(zhí)行正確步驟，觀測(cè)員與立尺員互相配合，才能得到正確結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：80-82.

[2]孔祥元，梅是義.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：244-250.

[3]國(guó)家測(cè)繪局.GB/T12897-2006國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]林玉祥.控制測(cè)量技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008：127-128.