數(shù)字水準(zhǔn)儀在水閘垂直位移測量中的應(yīng)用

袁國友 朱明星

（1安徽省淮河河道管理局測繪院 蚌埠 233000 2 安徽省淮河水利工程設(shè)計(jì)院 蚌埠 233000）

1 前言

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)的高差，從而由已知點(diǎn)高程推算出未知點(diǎn)高程。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)施測一般采用光學(xué)水準(zhǔn)儀以人工讀取數(shù)據(jù)結(jié)合人工記錄手簿或手工電子記錄的方法，人為因素影響較大，測量效率相對較低。數(shù)字水準(zhǔn)儀是現(xiàn)代微電子技術(shù)和傳感器工藝發(fā)展的產(chǎn)物,它依據(jù)圖像識(shí)別原理,將編碼尺的圖像信息與已存貯的參考信息進(jìn)行比較獲得高程信息,從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和記錄的自動(dòng)化。數(shù)字水準(zhǔn)儀的研制成功，有效減少了人為因素的影響，極大地提高了水準(zhǔn)測量的工作效率及成果的精確度。

2 數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本原理及特點(diǎn)

2.1 基本原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本原理為:在人工或自動(dòng)完成條碼尺的照準(zhǔn)和調(diào)焦后，條碼尺的一段圖像一方面成像在十字絲分劃板上供目鏡觀測用；另一方面這一段圖像又被成像在CCD傳感器的焦線上，通過對CCD傳感器上獲取的條碼尺的圖像進(jìn)行處理，可以精確確定數(shù)字水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸的位置（視線高）及條碼尺至水準(zhǔn)儀豎軸的距離（視距）。

2.2 主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，數(shù)字水準(zhǔn)儀有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）讀數(shù)直觀。不存在誤讀、誤記問題，沒有讀數(shù)誤差。（2）測量精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用多個(gè)條碼的圖像經(jīng)過處理后取平均值得來的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。（3）測量效率高。由于省去了報(bào)數(shù)、聽記、現(xiàn)場計(jì)算以及人為出錯(cuò)的重測次數(shù)，與傳統(tǒng)儀器相比，測量時(shí)間可以節(jié)省三分之一左右。（4）測量速度快。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動(dòng)讀數(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。儀器還能自動(dòng)記錄、檢核并處理測量數(shù)據(jù)，并能將各種數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。（5）操作簡單。由于儀器實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)和記錄自動(dòng)化，并預(yù)存了大量測量和檢核程序，在操作時(shí)還有實(shí)時(shí)提示，測量人員可以很快掌握使用方法。（6）自動(dòng)修正測量誤差。由于儀器帶有內(nèi)部計(jì)算機(jī)，可以對條碼尺條碼的分劃誤差、CCD傳感器的畸變、電子角、大氣折光等系統(tǒng)誤差自動(dòng)修正。

3 數(shù)字水準(zhǔn)儀在水閘垂直位移測量中的應(yīng)用

大型水閘垂直位移觀測對工程的日常管理中及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患，保證工程安全起著重要作用。40多年來，安徽省淮河河道局測繪院承擔(dān)著安徽省境內(nèi)淮河干流及渦河、潁河上的多座大型水閘的垂直位移測量任務(wù)。每座水閘布設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)均在水閘變形區(qū)域影響外，符合《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2007）的要求。每次垂直位移觀測時(shí)，首先對起算基點(diǎn)進(jìn)行連測，根據(jù)觀測成果判斷起算基點(diǎn)的可靠性。我院裝配的徠卡DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀是第二代數(shù)字水準(zhǔn)儀，具有親切的中文操作界面、時(shí)尚的外觀設(shè)計(jì)、目前市場上最大的LC顯示屏及先進(jìn)的電子技術(shù)、優(yōu)秀的光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)，搭配合理。

DNA03型數(shù)字水準(zhǔn)儀的技術(shù)指標(biāo)：每公里往返測高程精度：銦鋼尺0.3mm。放大倍率24X。測量范圍：銦鋼尺1.8～60m。最小讀數(shù)：0.01mm和0.1mm。單次測量時(shí)間：3s。測量程序：測量和記錄水準(zhǔn)儀高程/距離。數(shù)據(jù)記錄：內(nèi)存6000個(gè)測量數(shù)據(jù)或 1650組測站數(shù)據(jù) （BF）/PCMCIA卡（ATA-Flash/SRAM）/RS232輸出。數(shù)據(jù)格式為：GSI8/GSI16/XML/用戶定義格式。

3.1 野外作業(yè)

3.1.1 儀器檢校

按照《建筑變形測量規(guī)范》，野外觀測開始前和結(jié)束后，應(yīng)對水準(zhǔn)儀及銦鋼尺進(jìn)行全面檢查，每日測前進(jìn)行例行檢查，檢驗(yàn)儀器的圓水準(zhǔn)器、標(biāo)尺水準(zhǔn)器及i角誤差。i角誤差檢核可采用數(shù)字水準(zhǔn)儀提供的兩種檢校方法：“A×B×”法和“A××B”法（AB是標(biāo)尺位置，×是儀器位置）。根據(jù)需要選擇檢測方法。

3.1.2 線路水準(zhǔn)測量操作步驟

a操作：PROG-->2線路測量。

表1 淮干大型水閘沉陷測量誤差分析表

如圖1所示，依步驟進(jìn)行。

b.設(shè)置線路：輸入線路名Name、測量方法Meth、后視點(diǎn)點(diǎn)號(hào) PtID、后視點(diǎn)高程、H0 標(biāo)尺 1（Stf1）、標(biāo)尺 2（Stf2）。

c.設(shè)置限差：限差有兩頁定義，首先將各限差開關(guān)打開（on），然后將光標(biāo)放在“值”上，設(shè)置限差的值。DistBal（視距累計(jì)差）、Maxdist（最大視距）、StafLow（視線高）、StatDif（測站標(biāo)準(zhǔn)差）、B-B/F-F（兩次讀數(shù)差），如圖2所示。在線路水準(zhǔn)測量中，按照《建筑變形測量規(guī)范》要求設(shè)置限差，具體包括：視距長度≤50m，視線高度≥0.3m，前后視距差≤2.0m，前后視距累計(jì)差≤3.0m。作業(yè)時(shí)若出現(xiàn)超差情況儀器會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

3.1.3 外業(yè)水準(zhǔn)觀測

觀測方法。進(jìn)行單線路往返觀測，沿設(shè)計(jì)水準(zhǔn)線路進(jìn)行觀測，每測段奇數(shù)站觀測順序?yàn)楹?前-前-后（BFFB），偶數(shù)站觀測順序?yàn)榍?后-后-前（FBBF），即始終先觀測某條標(biāo)尺。

使用儀器標(biāo)配的2kg尺臺(tái)支承標(biāo)尺，用自制支撐使標(biāo)尺鉛垂和穩(wěn)定。安置水準(zhǔn)儀三腳架時(shí)，使其中兩腳架與測線方向平行，第三腳架換置于路線的左側(cè)與右側(cè)，人工皮尺丈量視距，使前后視距近似相等。

觀測情況。水準(zhǔn)觀測分測段或區(qū)段進(jìn)行，先往（返）測，再作返（往）測，同一測段的往返測，一般分上午或下午對稱進(jìn)行。

3.2 內(nèi)業(yè)資料分析

3.2.1 高差表編制

將水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，根據(jù)觀測成果編制各水閘的高差表，列出各測段水準(zhǔn)線路起訖點(diǎn)名，測段距離、高差，計(jì)算往返測高差不符值、限差，見表1。

大型水閘的垂直位移測量的路線長度較短，作業(yè)范圍較小，測段高差中誤差的正常水準(zhǔn)面不平行改正、水準(zhǔn)標(biāo)尺長度誤差改正、水準(zhǔn)標(biāo)尺溫度改正均很微小，忽略不計(jì)。

3.2.2 誤差統(tǒng)計(jì)分析

式中：△——測段往返測高差不符值，單位（mm）；

R——測段長度，單位（km）；

n——測段數(shù)。

3.2.3 精度評(píng)述。由表1，無論往返測高差不符值，還是每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差（二等水準(zhǔn)測量每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差為1.0mm），指標(biāo)均低于《建筑變形測量規(guī)范》規(guī)定。

4 結(jié)束語

數(shù)字水準(zhǔn)儀輕松靈便、操作簡單、精度高，極大地提高了外業(yè)工作效率及內(nèi)業(yè)工作自動(dòng)化程度，降低了測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，觀測數(shù)據(jù)的記錄方式杜絕了人為因素的影響，提高了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。在使用數(shù)字水準(zhǔn)儀時(shí)影響較大的因素主要有三個(gè)：光線的影響，大氣的影響，物理?xiàng)l件的影響。其中自然光線的強(qiáng)弱、空氣擾動(dòng)和外界震動(dòng)這幾項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而造成光線折射。因此，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀應(yīng)避免望遠(yuǎn)鏡直接對著太陽，并避免視線被遮擋，遮擋不要超過標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中截長的20%。震動(dòng)源造成的震動(dòng)消失后，才能啟動(dòng)測量鍵。當(dāng)?shù)孛嬲饎?dòng)較大時(shí)，應(yīng)隨時(shí)增加重復(fù)測量次數(shù)