高宏强 鞠嵩

摘要：介绍Trimble DiNi新数字水准仪的原理、性能和误差来源。结合水准测量的实践，对其精度及误差进行分析，认为测量成果的精度取决于测量的方法和外界条件的影响，Trimble DiNi能满足二等水准测量的精度。在水准测量实施过程、作业期间通过测量设备的配置及检校等方法可以减少误差；并建议更新水准测量的规范及水准路线上重力点的密度选择等，进行精密水准测量时，视距是制约生产效率的最关键因素。通过扩大数字水准仪条码尺的码宽，在满足精密水准测量精度的前提下，可以有效地扩大精密水准测量的视距。研究扩大条码尺码宽时数字水准仪的测量原理，并利用喷绘的条码尺进行初步试验。

关键词：数字水准仪；水准分析；测量

为了高精度测定地面点的高程，精密水准测量仍然是目前唯一行之有效的野外观测方法。随着数字技术的发展，传统的光学水准仪正在被数字水准仪所替代，它实现了水准测量的数字采集、记录和处理的自动化。数字水准仪是在传统水准仪的基础技术上设计而成的，具有用户界面和数据输出模式。这种具有补偿器的自动水准仪能够使用编码标尺进行自动测量，数据可先存储在仪器内存，在作业完成之后再备份到数据存贮卡中。

一、数字水准测量系统的组成及工作原理

一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图象处理软件等组成。工作基本原理[1]是标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上，经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微處理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度读数和水平距离。

二、影响数字水准仪精度的几个因素及防护

（一）仪器设备误差

包括仪器本身精密度、校正不完善等误差，具体有补偿器误差、视准轴与水准轴不平行的误差（i角误差）、仪器分辨率误差、铟钢精密条码水准尺每米长度误差、两水准标尺零点差等；操作者误差，包括仪器安置误差、水准气泡居中误差、标尺安置误差、调焦质量的影响、视差误差。

（二）补偿器的振动

交通及建筑工地的振动源通过脚架直接传递到仪器上，引起补偿器的振动，从而直接影响数字水准仪的测量信号。当补偿器的振动周期小于图像传感器获取图像信号的周期时，将会影响本次观测值的质量，导致仪器计算的标准差数据偏大；当补偿器的振动周期大于图像传感器获取图像信号的周期时，将影响观测数据之间的一致性。在这种条件下进行观测时，应该采取增加测量次数、缩短视距等措施以提离测量精度。

（三）标尺的阳光照射问题

标尺受到强烈阳光照射，数字水准仪的图像传感器将接收到过量的条码尺图像信号，轻则需要增加测量时间以获得恰当对比度的图像，重则导致仪器图像传感器不工作。这时需要在水平方向微转条码尺，避免条码尺面直接反射光线。当标尺受到不均匀照射时，可能给数字水准仪的测量结果带来较大的系统误差。在进行数字化水准测量时，如在逆光环境下，仪器要遮阳，最好采用“之”字形线路避免逆光状况；在光线亮度不够时，要使用光源均匀地照射标尺所使用的尺段。

三、数字水准仪测量时应注意的问题

（一）足够的等待时间，机内温度与环境温度平衡

在测站上安置好仪器后，应有足够长的时间等待补偿器充分稳定。特别是仪器经过长途运输、搬站及升降脚架后，更应该有较长的等待时间。数字水准仪采取了高精度的自动读数方式，与同等级的光学水准仪相比，其光机性度大大降低。光机性能降低的一个直接后果就是仪器的温度性能降低，即仪器的视准轴随温度变化大。虽然有些数字水准仪对此项误差进行了修正，但由于温度的影响，仪器不可能保持该项改正为常量。造成温度效差的原因是仪器所使用的材料（包括金属件、玻璃件及塑料件）热膨胀。在传统光学水准仪上，人们采用不同膨胀系数的材料，使仪器能够自动抵消温度变化对视准轴的影响。但在数字水准仪上，人们没有采取这种措施来消除温度变化对视准轴的影响。因此，仪器进行正式测量前，应在足够的时间（2℃/min）使仪器内部温度与环境温度达到平衡。

（二）正确架设水准仪，严格观测顺序在各测站上连续安置数字水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。数字水准仪基本继承了传统光学水准仪器的主要部件，补偿器也是数字水准仪的关键部件之一，其作用是用来改正仪器竖轴的倾斜。尽管仪器生产厂家尽最大努力使补偿器的精度达到最高，但从国外大量的试验中可以得出结论：当数字水准仪从前视转到后视时，视准轴会出现0.1-0.15的误差。

（三）正确照准条码带中心位置

避免遮挡望远镜视场内的条码进行水准测量时，严格照准条码分划线的中心位置，有利于消除条码尺制造带来的误差，进一步消除阿贝误差。虽然有的仪器设计了望远镜视场内部分条码遮挡时仍可以进行测量的功能，但条码尺的部分遮挡等价于条码尺上的部分条码被污染，将产生较大的测量误差。

四、结语

科学进步对生产力的影响是成几何级数增长的。虽然从数字水准仪发明以来，我国就开始大量引进，但目前对数字水准仪的进一步开发利用还处于起步阶段。国外研究结果表明利用放大后的条码尺配合数字水准仪时，即使采用200m的长视距，水准测量的成果仍然可以满足一等水准测量的精度要求，这是对采用传统精密光学水准仪进行一等水准测量时，视距不能够超过50m等固有观念的颠覆，介绍了精密二等水准测量的数据的质量控制。为日后控制二等水准测量质量提供了一套较系统的作业参考方法。减小和消除误差的方法都是以增加时间或采取更多的步骤为代价。在测量中操作熟练，才能提高观测的速度，采取规范的办法，严格执行正确步骤，观测员与立尺员互相配合，才能得到正确结果。

参考文献：

[1]张正禄.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005：80-82.

[2]孔祥元，梅是义.控制测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005：244-250.

[3]国家测绘局.GB/T12897-2006国家一、二等水准测量规范北京：中国标准出版社，2006.

[4]林玉祥.控制测量技术[M].北京：中国电力出版社，2008：127-128.