電子水準儀在控制網觀測中的應用

況態(tài)均 劉瑞斌

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434020)

電子水準儀基于多種工作原理而開發(fā)，包括相關法、幾何法、相位法和比列調制載碼相碼等，并以標尺的條形碼作為參照信號存儲在儀器內，測量時線譯碼器捕獲儀器視場內的標尺影像為測量信號，與儀器的參考信號進行比較，以此獲得視線高和水平距離。電子水準儀的最大優(yōu)點是精度高、數據自動存儲、人為視覺誤差小等。本文通過兩個水準線路測量實例，探討了電子水準儀的應用，并分析了其優(yōu)勢及操作注意事項。

1 應用實例

1.1 荊州長江公路大橋變形監(jiān)測控制網觀測

長江水利委員會水文荊江局于2008年7月承擔了荊州長江公路大橋變形監(jiān)測控制網觀測任務。任務要求在大橋的上下游長江南北兩岸重新布設C級平面控制與三等高程控制監(jiān)測點，構成大橋變形監(jiān)測的永久性平面和高程監(jiān)測網。此次水準控制網由新設的8個GPS控制點和4個水準監(jiān)控點組成，共構成2個閉合水準路線和一個符合水準路線。其中，BK01、BM540為原大橋高程控制網的高程已知點，I+慈25為檢校點。SZJK01、SZJK02、SZJK03、SZJK04為橋上主塔附近高程監(jiān)控點，如圖1所示。

圖1 控制網示意

按照技術要求，此次作業(yè)采用DINI03電子水準儀，DNI03電子水準儀每公里往返測量中誤差的標稱精度為±0.3 mm，能滿足所有等級的水準測量要求。水準測量采用單線路往返觀測，沿設計水準網環(huán)線逐環(huán)進行觀測，并采用aBFFB的測量模式。為保證測量精度并提高工作效率，按《GB/T12898—2009國家三、四等水準測量規(guī)范》［1］(以下簡稱《規(guī)范》)要求對電子水準儀設置了必要觀測限差:視線長度≤75 m，2.8 m≥視線高度≥0.3 cm，前后視距差≤2.0m，前后視距累積差≤5.0m，同一標尺兩次讀數差設為≤0.5 mm，兩次讀數所測高差的差設為≤1.0mm。實際作業(yè)中還進行了i角誤差檢校，i角值分別為3.2″和2.8″。

外業(yè)施測結束并進行數據整理后，采用武漢大學測繪學院科傻系統(tǒng)系列軟件COSA－CODAPS V6.0進行平差計算。軟件可對水準測量及二、三維控制測量原始觀測數據進行轉換，實現(xiàn)從外業(yè)數據采集、質量檢核、預處理到內業(yè)數據處理、成果輸出的一體化和自動化作業(yè)流程。該系統(tǒng)靈活方便，適合外業(yè)環(huán)境。

1.2 洞庭湖區(qū)水準聯(lián)測

為滿足洞庭湖區(qū)高程控制的一致性，長江水利委員會水文荊江局于2012年2月承擔了洞庭湖區(qū)水準聯(lián)測中部分測量。此次測量共布設15個水準點，形成一個閉合環(huán)。采用的電子水準儀及任務精度要求與上個項目相同。

外業(yè)施測結束并進行數據整理后，采用武漢大學測繪學院科傻系統(tǒng)系列軟件COSA－CODAPS V6.0進行平差計算。

2 精度分析

由于測區(qū)內地勢平坦，上述1.1實例的測區(qū)范圍很小，只對1.2實例進行了高差改正數分析。測段高差中數需加入的正常水準面不平行改正最大值僅為－0.964 mm，水準標尺長度誤差改正最大值僅為－0.055 mm，重力異常改正及日月引力改正更是微乎其微，可忽略不計。

通過進行閉合差計算，環(huán)閉合差分別為－5.2 mm和15.4 mm，遠小于規(guī)范規(guī)定的 ±12√L。PVV(加權改正數二乘)分別為1.015 mm和2.087 mm，最弱點高程中誤差分別為2.02 mm和6.86 mm，單 位 權 中 誤 差 分 別 為 0.712 mm 和1.445mm，成果資料滿足《規(guī)范》要求。

水準測量作業(yè)結束后，每條水準路線以測段往返測高差不符值(真誤差)計算每公里水準測量偶然中誤差:

式中，M△表示往返測高差不符值，mm;R表示測段長度，km;n表示測段數。

按上式計算整網的每公里水準測量偶然中誤差分別為 ±0.348 mm和 ±0.395 mm，小于《規(guī)范》中的限差要求，由于水準網只有2個環(huán)和1個符合條件，不計算每公里水準測量全中誤差。

分析得出，無論從閉合差、單位權中誤差，還是每公里水準測量偶然中誤差看，這兩次觀測作業(yè)均具有較高的觀測精度，各項指標遠優(yōu)于《規(guī)范》規(guī)定的三等精度指標。

3 與常規(guī)水準測量規(guī)范的對比分析

由于電子水準儀采用條碼成像技術，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的光學技術，測量穩(wěn)定性得到技術保障。因測量原理及方式與常規(guī)水準測量存在差異，故與針對常規(guī)水準測量的現(xiàn)行規(guī)范間存在一些不符之處，具體體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)兩次調焦?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:在同一測站上觀測時，一般不得兩次調焦，其主要目的是消除人為視差造成的影響;而電子水準儀是將編碼水準尺進行一維圖像處理，用傳感器代替了人眼，水準尺上的讀數和儀器至水準尺之間的水平距離由微處理機自動計算，并以數字形式存儲和顯示。因此，在滿足規(guī)范前后視距差范圍內進行電子水準儀測量時必須進行調焦，使之成像清晰，確保測量精度，若不進行調焦，數據則可能無法判讀。

(2)視距差要求不同?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:等級線路水準測量前后視距差最大的允許范圍為三等(≤2.0m)，其目的是消除視準軸與水準軸之間存在i角誤差和水準面曲率對高差測定的影響，而i角誤差只能通過檢校十字絲使其減小或消除。電子水準儀可通過輸入儀器的i角誤差值自動對每個標尺讀數進行改正，同時采用地球曲率對每個標尺讀數進行改正。因此，在滿足前后視距累積差限定下，適當放寬三、四等水準測量前后視距差的限定，對復雜環(huán)境的水準測量既能滿足精度要求，又能提高工作效率。

4 結語

電子水準儀是集多種高新技術為一體的新型水準測量儀器，具有快速、準確、精度高等優(yōu)點，同時還有多種測量模式，觀測成果的精度指標比相應的觀測標準要求有明顯提高。將其與辦公自動化系統(tǒng)結合起來應用于等級水準測量，前景會非常廣闊。

需要注意的是，采用電子水準儀進行觀測時，需將編碼水準尺進行一維圖像處理，因此光線不能太弱，望遠鏡的標尺影像不能有遮擋物。

［1］GB/T 12898－1991國家三、四等水準測量規(guī)范［S］.中國標準出版社.