1、數(shù)字水準(zhǔn)儀在高程控制測量中的應(yīng)用上海達(dá)華測繪公司 張偉摘要：介紹徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀DNA03的主要技術(shù)特點(diǎn)及在控制測量中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：數(shù)字水準(zhǔn)儀；高程控制；應(yīng)用眾所周知，水準(zhǔn)測量就是利用水準(zhǔn)儀提供的一條水平視線，借助水準(zhǔn)尺進(jìn)行讀數(shù)，測定地面上兩點(diǎn)間的高差，從而由已知點(diǎn)高程推求未知點(diǎn)的高程。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀是以人工讀取、記錄測量數(shù)據(jù)，開展工作一般要求4名作業(yè)人員。而對于不同等級的水準(zhǔn)觀測，為了得到有效的測量成果，都有相關(guān)的技術(shù)要求，例如：最大視線長度、前后視距差、附合或環(huán)線閉合差、往返測互差等。如果哪一項(xiàng)指標(biāo)超出規(guī)范的要求就必須局部或整體重測，這樣勢必增加了外業(yè)工作量。基于以上的問題，為了提高水準(zhǔn)測量

2、效率，我公司2003年引進(jìn)了一套數(shù)字水準(zhǔn)儀，經(jīng)過上海周邊沿海圍墾工程的高程控制測量應(yīng)用，取得良好效果，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。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)計而成的，它具有用戶界面和數(shù)據(jù)輸出模式。這種具有補(bǔ)償器的自動水準(zhǔn)儀既能夠使用編碼標(biāo)尺進(jìn)行自動測量，又能使用普通水準(zhǔn)標(biāo)尺按照光學(xué)原理測量。數(shù)據(jù)可先存儲在儀器內(nèi)存，在作業(yè)完成之后再備份到數(shù)據(jù)存貯卡中。本文將以徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀DNA03為例來概述數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用等。1、 測量原理數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本原理與傳統(tǒng)光學(xué)儀器有相同之處,但在獲取數(shù)據(jù)及處理上的工作原理上與傳統(tǒng)光學(xué)儀器就有明顯不同。通常而言,數(shù)字水準(zhǔn)儀配有相應(yīng)的編碼標(biāo)尺，標(biāo)尺的

3、條紋碼作為參照信號存在儀器內(nèi)部。測量時，線譯碼器捕獲儀器視場內(nèi)的標(biāo)尺影象作為測量信號，然后與儀器的參考信號進(jìn)行比較，就獲得視線高度和水平距離。2、 儀器性能及技術(shù)參數(shù)2.1 DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀主要特點(diǎn)（1）大顯示屏，漢化菜單，字符鍵盤，可水平微動，使用組合電池。（2）帶有磁阻尼補(bǔ)償器，機(jī)載程序，數(shù)據(jù)存貯到內(nèi)存，數(shù)據(jù)備份到PCMCIA卡。（3）可使用標(biāo)尺進(jìn)行簡便測量和讀取距離。（4）可進(jìn)行線路水準(zhǔn)測量和面水準(zhǔn)測量。（5）可測量和放樣碎部點(diǎn)高程、高差和距離（6）可進(jìn)行測角誤差和自動地球曲率改正。（7）用計算機(jī)進(jìn)行在線操作。2.2 DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀主要技術(shù)參數(shù)（1）在高程測量中，每公里往返測量

4、標(biāo)準(zhǔn)偏差（ISO17123-2）：電子測量 ：銦瓦標(biāo)尺 0.3mm、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺1.0mm光學(xué)測量 ：2.0mm（2）在距離測量中，標(biāo)準(zhǔn)偏差 5mm/10m電子測距范圍：標(biāo)尺長度3m 1.8m-110m推薦的3m銦瓦標(biāo)尺 1.8m-60m標(biāo)尺長度=2.7m 1.8m-100m標(biāo)尺長度=1.82m/2m 1.8m-60m最短標(biāo)尺距離（光學(xué)觀測） 0.6m（3）水準(zhǔn)儀靈敏度圓水準(zhǔn)器 8/2mm 補(bǔ)償器用電子跟蹤的磁阻尼擺補(bǔ)償器 ±10居中精度標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.3 （4）液晶屏幕顯示，可顯示 8行， 每行24個字符，144×64象素。 （5）主機(jī)內(nèi)存可記錄約6000個測量成果，或大約16

5、50測站的觀測成果。3、 數(shù)字水淮儀在高程控制測量中應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀的高程測量工作方式也與于常規(guī)水準(zhǔn)儀的工作方式相似，但在各個操作便捷程度、測量質(zhì)量控制能力和整體工作效率上都有相當(dāng)大的提升。下面以“南匯東灘促淤圈圍工程”中的應(yīng)用為例,進(jìn)一步介紹這型號數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作性能。3.1 實(shí)測情況簡介 此次實(shí)測目的是在一條長約2km大堤的距離范圍內(nèi)布設(shè)兩個高程控制點(diǎn)，按水運(yùn)工程測量規(guī)范JTJ 203-2001要求的三等水準(zhǔn)要求，采用單點(diǎn)閉合水準(zhǔn)路線方式施測。儀器使用DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀，3名作業(yè)人員，天氣晴朗，溫度34Cº。3.2 作業(yè)前準(zhǔn)備3.2.1 DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀校檢一般在野外工作之前

6、，首先要檢校視線的i角誤差，其次是檢校儀器的圓水準(zhǔn)器和標(biāo)尺水準(zhǔn)器。對于i角誤差檢校則可采用這套數(shù)字水準(zhǔn)儀提供兩種檢校方法，“A×B×”法和“A××B”法（A和B是標(biāo)尺位置，×是儀器位置）。根據(jù)需要選擇檢測方法，每種方法均可按照儀器設(shè)定好的操作步驟來做，操作完畢儀器將計算出i角值，存貯到系統(tǒng)信息的i角改正一項(xiàng)中，這樣儀器將對每個標(biāo)尺讀數(shù)中自動進(jìn)行i角改正。至于視線誤差i角計算公式如下，供參考：i = arctg(A1-B1+B2-A2)/(d1-d2+d3-d4).（1）式中：A1、B1、B2、A2為標(biāo)尺高度；d1、d2、d3、d4 為 相對于標(biāo)

7、尺高度的距離。 這次實(shí)測采用第二種方法檢測，結(jié)果i角誤差有5.5，將其存貯起來以備后用。至于水準(zhǔn)氣泡的校正采用的方式和傳統(tǒng)常規(guī)方式相同，這里不在重復(fù)述說。3.2.2 作業(yè)參數(shù)設(shè)置 這里的參數(shù)設(shè)置是針對于這次實(shí)際應(yīng)用的，也就是布設(shè)高程控制點(diǎn)的應(yīng)用，但可作為其他的使用方式的參考。 首先，要進(jìn)入快速設(shè)置中，打開Earthcurv（地球曲率改正）這一功能，這樣實(shí)測的時候就不用擔(dān)心曲率改正問題了，因?yàn)樗母恼亲詣拥模谟^測距離小于1.8m的情況下，DNA03不能用電子測量方法的，那只有人工根據(jù)儀器安置考慮地球曲率改正了。地球曲率改正的公式為：E = X2 / (2R)（2）式中：X = 測量的距離R

8、 = 6378000m（地球半徑） 另外要根據(jù)需要設(shè)定好Decimal（小數(shù)位）和測量模式。測量模式有單次（Single）測量、取平均值（Mean）、取中間值（Middle）和平均值S（Mean S）這四個選項(xiàng)。前三項(xiàng)比較容易接受，但第四項(xiàng)就要說明一下了。該項(xiàng)就是從最少的觀測次數(shù)起，儀器自動檢測觀測數(shù)據(jù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差是否滿足設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。若平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于標(biāo)準(zhǔn)偏差限差，則測量結(jié)束。否則，測量繼續(xù)到設(shè)定的最多測量次數(shù)。同時，通過刪除粗差，檢查標(biāo)準(zhǔn)偏差是否合限。也就相當(dāng)于每得一個觀測結(jié)果就檢測一次，保證測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。其次，開始測量程序中的參數(shù)設(shè)置。這次實(shí)測是布設(shè)高程控制點(diǎn)，所以要選

9、擇線路測量程序。該程序包括設(shè)置作業(yè)、設(shè)置線路和設(shè)置限差三個過程。設(shè)置作業(yè)，這一項(xiàng)就如同記事本，記錄任務(wù)名、操作者等信息；在設(shè)置線路這項(xiàng)目中，參數(shù)設(shè)置是十分重要了。先要明確線路的名稱，對于同一個作業(yè)不得有相同的名稱；再規(guī)定觀測方法，以三等水準(zhǔn)測量為例則要選擇“BFFB” 即后前前后雙觀測法；然后告訴儀器觀測起始點(diǎn)號和起始點(diǎn)高程；最后確定哪個是前標(biāo)尺、哪個是后標(biāo)尺。這些做法似乎比常規(guī)光學(xué)儀器要煩瑣一些,但卻是十分重要的，因?yàn)楦黜?xiàng)規(guī)定是保證數(shù)據(jù)可靠性的前提,使觀測質(zhì)量更高，數(shù)據(jù)更可靠，DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀還設(shè)置了可以檢查限差功能，只要測量成果超過限差，就顯示一條信息，而且允許立即重新測量。為此，就這

10、個參數(shù)的設(shè)置功能簡單說明如下：DistBal： “距離差”=后視距離和前視距離的差值，即累積視距差。MaxDist： 最長允許距離即對于一站。StafLow： 最低視線高度。B-B/F-F： 同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)的最大差值。根據(jù)水運(yùn)工程測量規(guī)范JTJ 203-2001對三等水準(zhǔn)測量的要求各項(xiàng)分別設(shè)為：DistBal： 6mMaxDist： 75mStafLow： 0.3mB-B/F-F： 2mm例如，徠卡標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置：19200，8，無，CR/LF，1。3.3 外業(yè)實(shí)測進(jìn)入測區(qū)現(xiàn)場，須按照設(shè)定好的方法觀測，數(shù)字水準(zhǔn)儀會檢測每次測量操作過程和結(jié)果，如有方法不一，超限等的問題，它會告知是否要重測的。為了一

11、次性完成這次布控，每次觀測還是按儀器的提示操作的，要重測就重測。到閉合線路觀測結(jié)束將數(shù)據(jù)備份到中，結(jié)束外業(yè)觀測。3.4 內(nèi)業(yè)處理 用計算機(jī)直接讀取PCMCIA卡的數(shù)據(jù)，其格式如表1：表1 數(shù)據(jù)格式表 410001+?.2110002+0000DH-083.6+00056018110003+0000DH-032.6+00598591331.06+00014302110004+0000000232.6+00619175332.06+00012624110005+0000000232.6+00619164336.06+00012625110006+0000DH-032.6+00598681335.0

12、6+00014301110007+00000002571.06+00000002572.06+00000002573.6-00020534574.6+0121780583.06+00057694觀測次數(shù)累加視距讀數(shù)中絲讀數(shù)平均視距差前后尺平均視距和高程 可以明顯看出這些數(shù)據(jù)規(guī)律,但采用手工計算相當(dāng)不方便，所以就依靠徠卡公司為這套設(shè)備編寫的專用結(jié)算程序。在運(yùn)算后可得出以下兩組計算成果表。表2 計算成果表 點(diǎn)號高程(m)中誤差(m)固定DH05.6018Y15.773340.00039N25.772010.00039N35.740870.00039N45.696290.00039N55.71481

13、0.00038N 表3 計算成果表 序號點(diǎn)串閉合差(m)限差(m)長度(km)1DH0-1-DH0( 1- 2)00.003380.121-2-1( 3- 4)0.00010.005590.2從表2可以看出水準(zhǔn)路線上的每個測點(diǎn)的高程和性質(zhì)，再加上表3線路分析結(jié)果，點(diǎn)和線作業(yè)成果就都有了。由于數(shù)據(jù)較多,所以只摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)來說明數(shù)據(jù)的內(nèi)容。這次最終各控制點(diǎn)高程測量成果統(tǒng)計見表4表4 各控制點(diǎn)高程測量成果統(tǒng)計表 點(diǎn)號距離（m）高差（m）高差改正數(shù)（m）改正后高差（m）高程（m）DH-0955.60.09850.00100.09955.6018DH5.7013130.8-0.05010.0001-0.0500DHBM5.65131085.9-0.05070.0012-0.0495DH-05.60182172.3-0.00230.00230.0h=h=-2.3mm h容=±12R ±17.7mm 看到這樣的結(jié)果說明這次高程控制測量成果符合規(guī)范要求