林金標(biāo)

（福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011）

0 引言

在大地測量、工程測量、水文測量中，水準(zhǔn)測量因測量精度高而被廣泛應(yīng)用，水準(zhǔn)儀測量是高程測量中普遍采用的一種測量方法。為滿足工程建設(shè)需要，水準(zhǔn)儀測量需采用統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)面（1985國家高程基準(zhǔn)），采用電子水準(zhǔn)儀以三等水準(zhǔn)精度與國家高等級水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，具有測量精度高、使用簡便、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，并逐步替代普通光學(xué)水準(zhǔn)儀在工程建設(shè)中的應(yīng)用。在本研究的工程建設(shè)案例中，三等水準(zhǔn)聯(lián)測路線長度為6.85 km，往返測高差不符值的最大值為+9.1 mm，每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差為±2.6 mm，測量精度均滿足規(guī)范的要求，從而驗(yàn)證了電子水準(zhǔn)儀在工程建設(shè)中的實(shí)用性、可行性。

1 電子水準(zhǔn)儀工作原理

電子水準(zhǔn)儀（也稱數(shù)字水準(zhǔn)儀）是在自動安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一般是由水準(zhǔn)器、基座、望遠(yuǎn)鏡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，人工照準(zhǔn)標(biāo)尺后，標(biāo)尺條碼一方面被成像在望遠(yuǎn)鏡分化板上供目視觀測，另一方面通過望遠(yuǎn)鏡的分光鏡，標(biāo)尺條碼被成像在光電傳感器上，供電子水準(zhǔn)儀自動讀數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示和存儲的自動化，具有使用簡便、效率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。電子水準(zhǔn)儀是利用近代電子工程學(xué)原理，使用光電傳感器識別條形碼分劃，將光圖像信息轉(zhuǎn)換成電影像信號，信息處理后就可得到測量觀測值，并以電子形式在儀器顯示窗口上顯示或直接存儲在處理器內(nèi)，電子水準(zhǔn)儀帶有自動安平補(bǔ)償器，與其配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺為條紋編碼尺（玻璃纖維塑料標(biāo)尺）。水準(zhǔn)標(biāo)尺為雙面分劃，其分劃形式為條紋碼和厘米分劃。在電子水準(zhǔn)儀觀測時(shí)，電子掃描會用到條紋碼，標(biāo)尺另一面的厘米分劃可供光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測時(shí)使用。采用電子水準(zhǔn)儀測量可實(shí)現(xiàn)自動化水準(zhǔn)測量，改變普通光學(xué)水準(zhǔn)儀在外業(yè)測量依靠人工進(jìn)行讀數(shù)和記錄的測量模式，將信息和外業(yè)測量數(shù)據(jù)自動存儲在模塊中，內(nèi)業(yè)通過閱讀器來讀取信息和外業(yè)測量數(shù)據(jù)，能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

REC模塊存儲信息單元分為兩類，一類是測量模塊類型的信息單元，另一類是信息模塊類型的信息單元。測量模塊的信息單元用來存儲外業(yè)測量的觀測數(shù)據(jù)和測量點(diǎn)數(shù)，信息模塊的信息單元存儲其他數(shù)據(jù)和觀測手段信息。電子水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)式為GSI數(shù)據(jù)格式，野外作業(yè)觀測數(shù)據(jù)按觀測順序以一行的形式進(jìn)行記錄，通常2～6個(gè)數(shù)據(jù)段組成一行，16個(gè)字符為一個(gè)數(shù)據(jù)段的長度，數(shù)據(jù)段最后一個(gè)字符為空格。

1.2 存儲格式

電子水準(zhǔn)儀測量模塊中一般由2～6個(gè)數(shù)據(jù)段組成一個(gè)數(shù)據(jù)行，第一個(gè)數(shù)據(jù)行的每一個(gè)數(shù)據(jù)段開始保存觀測數(shù)據(jù)和測量點(diǎn)數(shù)，第二個(gè)數(shù)據(jù)行的每一個(gè)數(shù)據(jù)段開始保存其他數(shù)據(jù)和觀測手段信息，但數(shù)據(jù)行是由不同的測量程序、測量方法、測量內(nèi)容設(shè)置不一致的數(shù)據(jù)段組合形式，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)段格式。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是將電子水準(zhǔn)儀中的觀測數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)設(shè)備間的傳輸過程，以美國標(biāo)準(zhǔn)信息轉(zhuǎn)換碼（ASCII碼）作為數(shù)據(jù)傳輸碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸方式有串行和并行兩種，REC模塊數(shù)據(jù)是采用串行傳輸方式，利用GIF10閱讀器和計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行各種數(shù)據(jù)傳輸。在模塊數(shù)據(jù)開始傳輸前，先將GIF10閱讀器與計(jì)算機(jī)串行口用傳輸線進(jìn)行連接，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置各種通信參數(shù)。當(dāng)GIF10閱讀器和計(jì)算機(jī)都設(shè)置好傳輸參數(shù)，且傳輸參數(shù)一致時(shí)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。計(jì)算機(jī)及GIF10閱讀器的傳輸參數(shù)的設(shè)置方法不同，計(jì)算機(jī)的傳輸參數(shù)可通過傳輸程序進(jìn)行設(shè)置，而GIF10閱讀器是通過COM功能來設(shè)置，其設(shè)置的傳輸參數(shù)主要有連接口、波特率、奇偶性檢查、協(xié)議、結(jié)束符、停止位。

2 電子水準(zhǔn)儀測量的優(yōu)點(diǎn)

2.1 測量速度快

電子水準(zhǔn)儀測量不用上下絲及中絲目測讀數(shù)、不需要紙質(zhì)記錄，可以實(shí)時(shí)計(jì)算，其測量時(shí)間與傳統(tǒng)儀器測量相比，能節(jié)省1/3以上，不僅測量速度快，還省去了報(bào)數(shù)、聽記、計(jì)算等環(huán)節(jié)。

2.2 測量精度高

直接采用大量條碼分劃圖像經(jīng)處理后，取多次平均值，得到視線高和視距讀數(shù)，不用人工目測讀數(shù)，從而減少人為讀數(shù)誤差，能有效削弱標(biāo)尺分劃誤差。電子水準(zhǔn)儀采用多次讀數(shù)取其平均值作為測站觀測結(jié)果，這樣就能減弱由多種不良的外界因素引起的誤差，從而獲得高精度的水準(zhǔn)測量成果［2］。

2.3 測量效率高

電子水準(zhǔn)儀對隨機(jī)碼標(biāo)尺能快速照準(zhǔn)標(biāo)尺及自動調(diào)焦，具備自動讀數(shù)的功能，消除了對標(biāo)尺調(diào)焦的影響，且能自動記錄觀測數(shù)據(jù)，并對視距進(jìn)行檢核，方便數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)的計(jì)算機(jī)處理，真正實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)觀測保存、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸處理的一體化，降低勞動強(qiáng)度，從而提高測量效率。

3 案例分析

為了滿足某安置區(qū)工程建設(shè)要求，采用統(tǒng)一的國家高程基準(zhǔn)面，要與國家高等級水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測。該項(xiàng)目工程位于莆田市秀嶼區(qū)，擬建6座安置房，地面17層，地下2層。

3.1 選定水準(zhǔn)聯(lián)測路線

從國家二等水準(zhǔn)點(diǎn)141聯(lián)測到某安置區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)E1，水準(zhǔn)聯(lián)測路線約為6.8 km，采用三等水準(zhǔn)支線進(jìn)行往返測量。全段水準(zhǔn)測量路線分為3個(gè)測段，在沿線公路旁設(shè)立普通水準(zhǔn)測量標(biāo)志2座（BM1、BM2），選在土質(zhì)堅(jiān)實(shí)、安全僻靜、設(shè)站觀測方便的地方。某安置區(qū)三等水準(zhǔn)聯(lián)測路線圖見圖1。

圖1 某安置區(qū)三等水準(zhǔn)聯(lián)測路線圖

3.2 儀器設(shè)備概況

三等水準(zhǔn)測量使用的儀器設(shè)備有DS1級自動安平電子水準(zhǔn)儀（1臺）、三腳架（1副）、條碼式因瓦標(biāo)尺（1對）、重量3 kg尺墊（2個(gè)）、對講機(jī)（3個(gè)）。所使用的儀器設(shè)備均為儀器檢定部門檢定合格的產(chǎn)品，且在有效期內(nèi)。外業(yè)測量小組要配備技術(shù)人員5名、警示背心5件、車輛1部，其中1名司機(jī)駕車往返接送技術(shù)人員，這樣能有效縮短測量時(shí)間，提高測量效率。

3.3 技術(shù)規(guī)范要求

3.3.1 高程基準(zhǔn)。采用1985國家高程基準(zhǔn)。

3.3.2 由于儀器i角受環(huán)境溫度影響易發(fā)生變化，每天在開始測量前，要對電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行i角值測定，i角值均應(yīng)小于20” 。使用前30 min，電子水準(zhǔn)儀應(yīng)充分晾置，使電子水準(zhǔn)儀自身溫度與外界氣溫基本一致，且對電子水準(zhǔn)儀預(yù)熱應(yīng)不少于25次單次測量，要避免電子水準(zhǔn)儀在初始階段進(jìn)行觀測，從而影響水準(zhǔn)測量精度。根據(jù)《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12898—2009）中的規(guī)定，采用三等水準(zhǔn)支線往返測量，能消除水準(zhǔn)尺零點(diǎn)差所造成的影響，每一測段往測與返測應(yīng)為偶數(shù)站，觀測順序?yàn)楹?前-前-后（奇數(shù)站）、前-后-后-前（偶數(shù)站）。高程和觀測記錄到內(nèi)存的數(shù)據(jù)取位至0.000 1 m。

3.4 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12898—2009）和《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2007）中的要求，采用三等水準(zhǔn)支線進(jìn)行往返測量作業(yè)。三等水準(zhǔn)測量的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 三等水準(zhǔn)測量主要技術(shù)指標(biāo)

3.5 測量結(jié)果

在三等水準(zhǔn)支線往返測量過程中，理論上往測與返測所測得的高差的絕對值應(yīng)相等，但在實(shí)際測量過程中往往會出現(xiàn)誤差，產(chǎn)生高差不符值。為了統(tǒng)計(jì)測量精度，按測量規(guī)范中的規(guī)定，應(yīng)對水準(zhǔn)聯(lián)測路線的精度進(jìn)行往返測高差不符值及每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差的計(jì)算［3］。三等水準(zhǔn)測量結(jié)果見表2。

表2 三等水準(zhǔn)測量結(jié)果

其中，Δh限差為往返測高差不符值的限差，mm；h為經(jīng)改正后的測段高差，m；H為經(jīng)改正后的水準(zhǔn)高程，m。

3.5.1 測段往返測高差不符值Δh（最大）的計(jì)算公式見式（1）。

式中：∑ha、∑hb為各測段的往測高差之和、返測高差之和，mm。

測段往返測高差不符值（最大）限差Δh限差的計(jì)算公式見式（2）。

由表2可知，該水準(zhǔn)路線往返測高差不符值Δh的絕對值的最大值為+9.1 mm，滿足往返測高差不符值限差Δh限差=±16.6 mm的精度要求。

3.5.2 每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差ΔM的計(jì)算公式見式（3）。

式中：n為測段數(shù)；Δh為測段往測、返測高差不符值，mm；ΔM為每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差，mm。

由表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算可得，偶然中誤差ΔM為±2.6 mm，滿足每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限差ΔM限差=±3.0 mm的精度要求。

實(shí)踐結(jié)果表明，電子水準(zhǔn)儀在工程建設(shè)中，水準(zhǔn)測量各項(xiàng)精度均小于限差允許值，滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求，具有實(shí)用性、可行性。

4 誤差影響因素分析

由表2可知，在使用電子水準(zhǔn)儀測量時(shí)，由于受到外界環(huán)境等不利因素的影響，測量成果不可避免地存在一定的誤差。為了確保測量成果能滿足規(guī)范規(guī)定的精度要求，要對產(chǎn)生誤差的來源進(jìn)行分析，才能采取有效手段，盡可能地消除或減小測量誤差。

4.1 大氣折光引起的誤差

由于大氣具有折光作用，視線并非水平的，而是一條曲線，其折光量的大小會對水準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)產(chǎn)生直接影響，大氣折光主要是由空氣密度不均所造成的。太陽出來后，地面溫度比空氣低，空氣密度下大上小，視線往上彎曲。太陽下山后，地面溫度比空氣高，空氣密度上大下小，視線往下彎曲，視線離地面越近，折射也越大，一般規(guī)定視線應(yīng)高于地面0.3 m以上，這是為了減小大氣折光產(chǎn)生的影響。觀測時(shí)應(yīng)盡可能使前后視距相等，這樣能消除或大大減弱氣折光所引起的誤差。在地面坡度較大時(shí)進(jìn)行水準(zhǔn)測量，當(dāng)前視或后視一端視線離地面不足0.3 m時(shí)，視線容易出現(xiàn)向上彎曲情況，使標(biāo)尺讀數(shù)增大，要減小地面坡度較大所引起的誤差，只能采取縮短視線長度、增加視線高度、選擇有利觀測時(shí)間等手段來解決［4］。

4.2 外界振動引起的誤差

水準(zhǔn)路線一般沿公路上布設(shè)，但在交通、機(jī)械、風(fēng)力等的作用下，會加劇空氣流動，增強(qiáng)地面震動強(qiáng)度，造成標(biāo)尺條碼成像在水準(zhǔn)儀視場中上下跳動，導(dǎo)致視準(zhǔn)線不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生誤差。因此，在周圍環(huán)境惡劣時(shí)，如明顯的機(jī)械振動、載重運(yùn)輸車通過、風(fēng)力過大等情況，應(yīng)暫停測量。設(shè)站立尺應(yīng)選在土質(zhì)堅(jiān)硬、穩(wěn)定的地方，觀測應(yīng)選擇最有利的觀測時(shí)間，晴天測量應(yīng)在日出后1 h起至上午10：30前止、下午2：00起至日落前0.5 h，陰天只要成像清晰、穩(wěn)定即可進(jìn)行觀測，通過選擇有利的觀測時(shí)間來削弱空氣流動和地面震動對測量結(jié)果的影響，從而提高測量精度。

5 結(jié)語

綜上所述，使用傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量時(shí)要頻繁對儀器進(jìn)行操作，而電子水準(zhǔn)儀操作更加智能化，能提高工作效率，精度也能滿足規(guī)范要求。水準(zhǔn)測量成果的精確與否，將直接影響到工程建設(shè)的質(zhì)量。因此，熟練掌握測量先進(jìn)技術(shù)，才能全面掌握引起誤差的來源，以便在測量過程中采取有效措施，降低測量誤差，做到精益求精，保證測量精度，更好地服務(wù)工程建設(shè)。