二等閉合水準路線測量高差閉合差超限的原因分析

鐘元華

摘 要：隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，電子水準儀在工程測量中的應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了測量精度和工作效率。這就要求掌握電子水準儀的原理、性能和使用方法，能完成一定的測量工作任務(wù)，成為高技能應(yīng)用型人才。文章分析和研究了練習(xí)二等閉合水準路線測量高差閉合差超限的原因，提出了減小測量誤差的方法和措，說明測量成果的精度不僅取決于儀器的性能，而且更主要的是取決于測量的方法和外界條件的影響。

關(guān)鍵詞：科力達DL2007電子水準儀；二等閉合水準測量；高差閉合差；超限原因分析

中圖分類號：P224.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0088-03

1 電子水準儀的原理和特點

1.1 電子水準儀的原理

電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎(chǔ)，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD）、并采用條碼標尺和圖像處理電子系統(tǒng)而構(gòu)成的光機電測量一體化的高科技產(chǎn)品?；竟ぷ髟硎钱斎斯ふ諟蕵顺卟⒄{(diào)焦后，條碼標尺的像經(jīng)分光鏡，一路成像在分劃板上，供目視觀測；一路成像在探測器上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號被送到微處理器進行處理和存儲，并將其與儀器內(nèi)存的標準碼按一定方式進行比較，即可獲得高度讀數(shù)和水平距離。

1.2 電子水準儀的特點

1.2.1 電子水準儀的共同特點

①自動讀數(shù)。觀測值以數(shù)字顯示，不存在觀測員的判讀錯誤及人為讀數(shù)誤差；②精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量；③速度快。由于省去了讀數(shù)以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)水準儀相比可以節(jié)省1/3左右；④效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度；⑤自動存儲：數(shù)據(jù)能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實線內(nèi)外業(yè)一體化。

1.2.2 DL2007電子水準儀的特點和性能

DL2007高精度電子水準儀是國產(chǎn)首臺高精度數(shù)字水準儀，高程測量精度達到0.7 mm/km，全新設(shè)計，密封防塵、操作簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，采用國際頂尖的水準儀補償模式，關(guān)鍵部件采用進口材料，并帶溫度補償，在全溫度范圍內(nèi)達到更高的補償精度。可用于國家二等水準測量及精密沉降觀測等應(yīng)用。其主要性能見表1。

2 二等閉合水準路線測量實例

2.1 二等水準測量儀器設(shè)備

根據(jù)競賽要求，二等水準測量需配備以下儀器設(shè)備：

①南方DL2007電子水準儀：含木腳架1副、2 m數(shù)碼標尺1對、2個撐桿及2個尺墊（3 kg）。

②50 m測繩（根據(jù)參賽隊的要求配發(fā)）。

2.2 觀測與計算要求

每一條閉合水準路線由3個待求點和1個已知點組成。設(shè)A點為已知點，B、C、D為待求點。滿足如下要求：

①觀測使用賽會規(guī)定的儀器設(shè)備，測站視線長度、前后視距差及其累計、視線高度和數(shù)字水準儀重復(fù)測量次數(shù)規(guī)定見表2。

②按照賽會規(guī)定，使用規(guī)定的3 kg尺墊，可以不使用撐桿，也可以自帶撐桿。

③觀測前30 min，應(yīng)將儀器置于露天陰影下，使儀器與外界溫度一致，競賽前還必須對數(shù)字水準儀進行預(yù)熱測量，預(yù)熱測量不少于20次。

④競賽采用手工記錄及計算。

⑤連續(xù)測站安置水準儀腳架時，應(yīng)使其中兩個腳與水準路線的方向平行，第三只腳輪換置于前進方向的左側(cè)或者右側(cè)。

⑥除路線轉(zhuǎn)彎處，每一測站上儀器與前后視標尺應(yīng)盡量接近一直線上。

⑦水準路線采用單程觀測，每測段測站數(shù)為偶數(shù)，每測站兩次高差，奇數(shù)站觀測水準尺的順序為：后-前-前-后；偶數(shù)站觀測水準尺的順序為：前-后-后-前。

⑧同一標尺兩次讀數(shù)不設(shè)限差，兩次讀數(shù)所測高差之差應(yīng)滿足表1.1規(guī)定。

⑨現(xiàn)場完成高程誤差配賦計算，不允許使用編程計算器。

⑩水準路線閉合差應(yīng)滿足表1.1的限差要求。

{11}高程誤差配賦計算，高差取位到0.00001 m，高程取位到0.001 m。

2.3 第一測段A-B第一測站的觀測步驟

①安置水準儀。在后視點A上豎立帶尺撐的條碼水準尺，在第一測段的第一個轉(zhuǎn)點上放好尺墊，然后將帶尺撐的條碼水準尺豎立，使兩個水準尺上的氣泡居中。將三腳架在這兩個水準點連線的中點處打開，調(diào)整架頭高度，并目估架頭水平，然后打開儀器箱，從箱中取出南方DL2007電子水準儀并安置到三腳架頭上，旋緊腳架上的中心連接螺旋。

②整平儀器。旋轉(zhuǎn)三個角螺旋將圓水準器的氣泡調(diào)整居中。先將圓水準器放在適當位置，然后雙手同時向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)角螺旋，使氣泡向中間移動，氣泡移動方向和左手大拇指移動方向相同；然后再旋轉(zhuǎn)第三個角螺旋使氣泡居中。這項工作要反復(fù)進行，直至儀器旋轉(zhuǎn)到任何方向氣泡都居中為止。

③照準與調(diào)焦。首先利用粗瞄器將望遠鏡照準后視點A處標尺，慢慢旋轉(zhuǎn)目鏡使十字絲影像最為清晰，再旋轉(zhuǎn)調(diào)焦手輪使標尺的影像最為清晰，轉(zhuǎn)動水平微動螺旋使標尺的像在十字絲豎絲的中心，同時注意消除視差。

④開機。

⑤設(shè)置。設(shè)置鍵用來對儀器的參數(shù)進行設(shè)置，如測量模式選擇N次測量，最小讀數(shù)為精密0.1 mm，數(shù)據(jù)單位為米，數(shù)據(jù)輸出為內(nèi)存等。

⑥測量標尺讀數(shù)和距離。選擇標準測量模式的標準測量，按MEAS鍵進行測量，當屏幕上顯示標尺均值和視距均值時，把數(shù)據(jù)記錄到記錄表中。根據(jù)奇數(shù)站后前前后的觀測順序，依次把數(shù)據(jù)記錄到表格中。

⑦計算一測站高差。根據(jù)水準測量原理，計算兩次高差，若其差值≤0.6 mm，則取其平均值作為這一測站高差；此時儀器搬站，進行下一站測量；若其差值>0.6 mm，則重新安置儀器測量。

2.4 第一測段A-B數(shù)據(jù)記錄表

二等水準外業(yè)觀測手簿見表3。

2.5 閉合水準路線A-B-C-D-A測量數(shù)據(jù)分析

二等水準測量路線計算表見表4。

3 二等閉合水準路線高差閉合差超限原因分析

從表4可以看出，即使每測站觀測成果有效，但整條閉合路線測量結(jié)果顯示高差閉合差還是超限了。在平時的大量練習(xí)中，也經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況。究其原因，影響數(shù)字精密水準測量的因素很多，主要誤差有：儀器誤差、操作者誤差；客觀環(huán)境誤差。另外，還有正確使用、保養(yǎng)和檢查數(shù)字水準儀對水準測量的影響。

3.1 儀器誤差

3.1.1 水準儀的精度對精密水準測量成果的影響

水準儀儀器的觀測精度，主要是由儀器的誤差而引起的每公里水準測量往返測中數(shù)的中誤差，表示儀器在測量中所能達到的精度。現(xiàn)有的數(shù)字水準儀的性能已非常優(yōu)良，能滿足精密水準測量的精度要求。

因此，在觀測前，只要對數(shù)字水準儀進行嚴格的檢校，如儀器的補償性能、儀器分辨率、電子i角等，掌握儀器的工作狀態(tài)；在觀測過程中，測量作業(yè)、操作儀器嚴格按照《規(guī)范》要求，比如對視距的選擇、在照準同一測站前、后視尺時盡量避免調(diào)焦、每一測站的后、前視距離之差和每一測段的后、前視距離之累計差規(guī)定一個限值、在陽光下觀測必須用傘遮住儀器等，就可以減弱或消除水準儀的精度對精密水準測量成果的影響。

3.1.2 銦瓦水準標尺對精密水準測量成果的影響

為消除銦瓦水準標尺對水準測量成果的系統(tǒng)誤差，作業(yè)前，必須對水準標尺進行嚴格的檢定。

國外研究結(jié)果表明，不恰當?shù)臋z定方法可能獲得錯誤的改正數(shù)，會帶來巨大的系差，因此國內(nèi)目前需建立適合國情的銦瓦水準標尺檢定裝置。而對于兩水準標尺零點差的影響可在實際水準測量作業(yè)過程中予以抵消，如將測段測站數(shù)安排成偶數(shù)站，且在相鄰測站上使兩水準標尺輪流作為前視尺和后視尺等。

3.2 觀測誤差

操作者對精密水準測量成果的影響主要表現(xiàn)在觀測者的置平質(zhì)量、調(diào)焦質(zhì)量及立尺者標尺安置質(zhì)量對測量的影響。

3.2.1 整平儀器誤差

在整平過程中，要遵循左手拇指規(guī)則：“左手拇指旋轉(zhuǎn)腳螺旋的運動方向，就是氣泡移動的方向”，不可盲目轉(zhuǎn)動腳螺旋。另外要注意儀器轉(zhuǎn)到任何方向，氣泡都要居中，這樣才能提高測量結(jié)果的準確性。

3.2.2 調(diào)焦誤差

對于調(diào)焦質(zhì)量，數(shù)字水準儀也要求十字絲影像清晰、標尺的像準確地聚集在CCD傳感器上，才能準確的反映測量值，否則，調(diào)焦質(zhì)量不高、成像不清晰，數(shù)字水準儀自動測量的數(shù)值也是不準確的。觀測者保證每站的儀器調(diào)焦質(zhì)量，才可獲得最佳的測量精度。

3.2.3 水準尺傾斜誤差

在水中測量讀數(shù)時，若水準尺在視線方向前后傾斜，會造成水準尺讀數(shù)總會偏大，所以立尺者要確保尺上的圓水準氣泡居中或配套使用廠家提供的可調(diào)節(jié)升降尺撐，提高扶尺質(zhì)量，保證測量結(jié)果的準確性。

當條形碼標尺上位于視線上下一定范圍內(nèi)的尺面被遮擋后，CCD傳感器將因采樣數(shù)據(jù)不足而產(chǎn)生不夠精確的結(jié)果或無法產(chǎn)生結(jié)果。所以在觀測過程中，應(yīng)盡量避免標尺被遮擋現(xiàn)象。

3.3 外界環(huán)境的影響

3.3.1 光照及風(fēng)力對水準測量成果的影響

野外作業(yè)時，光照會造成儀器各部分受熱不均使軸線關(guān)系改變，對于采樣范圍內(nèi)的亮度不均勻的條形碼群體，會使曝光時間失控，單次測量時間延長，影響測量精度，嚴重時會使測量中斷。風(fēng)大時會使儀器抖動、不易整平等都會引起誤差。所以要選擇好的天氣測量，另外，給儀器打傘遮光等都是消除和減弱其影響的好辦法。

3.3.2 振動對水準測量成果的影響

數(shù)字水準儀屬于自動整平水準儀，由于交通、機械、氣流等產(chǎn)生的振動，影響補償器致使視準軸線不穩(wěn)定和標尺不穩(wěn)定。數(shù)字水準儀對各種震動特別是地面震動非常敏感，當震動引起的振幅較大時儀器單次采樣時間就會大大增加，單站讀數(shù)誤差增大從而降低測量精度。水準路線常是在交通繁忙公路上進行，受車輛通過或空氣抖動等強烈振動影響較大，致使這些測段誤差大。因此，在作業(yè)過程中，除要選擇穩(wěn)定的地方設(shè)站和立尺外，還需給出儀器、立尺穩(wěn)定時間，以減弱補償器振動和空氣抖動的影響。

3.3.3 大氣折光對水準測量成果的影響

精密路線測量時，大氣折光對測量精度的影響也是十分明顯的。一般視線離地面越近，光線的折射也就越大。觀測時應(yīng)根據(jù)二等水準測量技術(shù)要求對視線高度的規(guī)定，以減小大氣折光的影響。

4 結(jié) 語

數(shù)字水準儀優(yōu)點顯著，對標尺分劃的自動測量技術(shù)，防止了人為讀數(shù)和傳遞誤差，測量過程簡捷迅速、測量數(shù)據(jù)準確可靠，節(jié)省人力，大大提高了工作效率。但對于精密水準測量來說。測量成果的精度不僅取決儀器的性能，而且更主要的是取決于測量的方法和外界條件的影響。只有熟悉儀器的操作方法，在操作過程中認真、仔細，嚴格執(zhí)行二等水準測量技術(shù)要求和測量規(guī)范中的規(guī)定，并盡可能減小外界條件的影響，才會使二等閉合水準路線高差閉合差限制在要求范圍內(nèi)，獲得有效的數(shù)據(jù)，提高測量精度。

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