Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀在國(guó)家高等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)施測(cè)中的應(yīng)用探討

朱小韋，劉永義

(鄭州測(cè)繪學(xué)校，河南 鄭州 450015)

1 引言

國(guó)家測(cè)繪基準(zhǔn)體系是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但是，長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)繪基礎(chǔ)設(shè)施遭受了嚴(yán)重?fù)p毀，無(wú)法滿足國(guó)家信息化建設(shè)對(duì)測(cè)繪基準(zhǔn)的要求。因此需要盡快實(shí)施現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)來(lái)解決目前日益明顯的矛盾。

國(guó)家測(cè)繪地理信息局根據(jù)當(dāng)前測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)狀提出了“測(cè)繪基準(zhǔn)一期工程”項(xiàng)目，旨在通過(guò)全面測(cè)繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的緊迫需要。在以往國(guó)家高等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)過(guò)程中，精密光學(xué)水準(zhǔn)儀發(fā)揮了重要作用。而今，數(shù)字水準(zhǔn)儀以其精度優(yōu)，工作效率高、可操作性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸走進(jìn)了人們的視野。本文試圖結(jié)合工程實(shí)際，驗(yàn)證了Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀在長(zhǎng)距離、高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量中的穩(wěn)定性、優(yōu)越性，旨在為同類(lèi)工程實(shí)際提供參考。

2 Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理

Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀由瑞士徠卡公司生產(chǎn)，測(cè)量采用相關(guān)法原理。它的標(biāo)尺一面是偽隨機(jī)條形碼，供電子測(cè)量用，另一面為區(qū)格式分劃，供光學(xué)測(cè)量用。望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)標(biāo)尺并調(diào)焦后可以將條碼清晰地成像在分劃板上供目視觀測(cè)，同時(shí)條碼像也被分光鏡成像在探測(cè)器上，供電子讀數(shù)。如圖1 所示，左邊是與徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺的偽隨機(jī)條碼，該條碼圖像已被存儲(chǔ)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中作為參考信號(hào)。

圖1 徠卡標(biāo)尺條碼圖

左邊偽隨機(jī)碼的下面是望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)偽隨機(jī)碼后截取的偽隨機(jī)碼片段。偽隨機(jī)碼片段成像在探測(cè)器上后被探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，即為測(cè)量信號(hào)。該信號(hào)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中與事先已存儲(chǔ)好的代表水準(zhǔn)標(biāo)尺偽隨機(jī)碼的參考信號(hào)進(jìn)行比較，這就是相關(guān)過(guò)程，稱(chēng)為相關(guān)。將望遠(yuǎn)鏡截取的偽隨機(jī)碼的片段與條碼標(biāo)尺上的偽隨機(jī)碼自下而上進(jìn)行比較，直到兩碼相同為止，或說(shuō)兩信號(hào)相同為止，即圖1 中左邊虛線位置時(shí)，也就是最佳相關(guān)位置時(shí)，讀數(shù)就可以確定［1］。

3 Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀的精度檢驗(yàn)

利用測(cè)繪工程院精密檢校場(chǎng)確測(cè)定的水準(zhǔn)點(diǎn)有3 個(gè)(BM1，BM2，BM3)，且3 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)已知(CGCS2000 坐標(biāo)系)，如圖2 所示，各點(diǎn)間高程值為經(jīng)過(guò)球氣差等改正后的精確高差值，高程數(shù)值已知，為國(guó)家85 高程基準(zhǔn)。

利用本次任務(wù)使用的Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀1 臺(tái)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢校后，在同一天對(duì)3 段水準(zhǔn)路線(BM1－ BM2，BM2－ BM3，BM3－ BM1)嚴(yán)格按照《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)的要求進(jìn)行了一等水準(zhǔn)往返觀測(cè)及計(jì)算，結(jié)果如下表1 所示:

圖2 已知高程點(diǎn)

表1 一等水準(zhǔn)觀測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)

按照《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)，可計(jì)算每公里偶然中誤差M⊿==±0.25 mm，符合一等水準(zhǔn)限差要求。

4 Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀在福建國(guó)家一等水準(zhǔn)網(wǎng)施測(cè)中的應(yīng)用

根據(jù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局《關(guān)于下達(dá)國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一期工程設(shè)備投資生產(chǎn)計(jì)劃的通知》要求，由福建省測(cè)繪地理信息局承擔(dān)國(guó)家高程控制網(wǎng)611.3 km 一等水準(zhǔn)觀測(cè)任務(wù)。

4.1 已有資料利用情況

測(cè)區(qū)內(nèi)有2011年、2013年普查補(bǔ)埋的一等水準(zhǔn)路線，其水準(zhǔn)路線圖和水準(zhǔn)點(diǎn)之記供水準(zhǔn)觀測(cè)使用。以上成果資料由國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供。

測(cè)區(qū)交通圖、行政區(qū)劃圖以及本項(xiàng)目的選埋網(wǎng)圖作為水準(zhǔn)觀測(cè)作業(yè)調(diào)度使用資料。

4.2 測(cè)繪基準(zhǔn)

(1)坐標(biāo)系統(tǒng):2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系。

(2)高程基準(zhǔn):1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)。

(3)時(shí)間基準(zhǔn):水準(zhǔn)測(cè)量采用北京時(shí)間。

2013年09月—2013年12月福建省測(cè)繪院組織4 個(gè)作業(yè)組，投入4 臺(tái)Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行一等水準(zhǔn)外業(yè)觀測(cè)，其中因三都驗(yàn)潮站支線和廈門(mén)驗(yàn)潮站支線涉及跨海水準(zhǔn)Ⅰ梅花支線由于驗(yàn)潮站已破壞，經(jīng)請(qǐng)示項(xiàng)目部，決定取消這3 條支線的觀測(cè)任務(wù)，實(shí)際完成了一等水準(zhǔn)路線572.3 km 外業(yè)觀測(cè)工作，測(cè)量成果精度如表2、表3 所示:

表2 一等水準(zhǔn)測(cè)量成果

表3 三沙支線段一等水準(zhǔn)閉合差成果

測(cè)量結(jié)果滿足國(guó)家一等水準(zhǔn)精度要求。

4.3 作業(yè)中應(yīng)注意的問(wèn)題

4.3.1 光線強(qiáng)弱問(wèn)題

數(shù)字水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡需將條碼清晰地成像在分劃板上供目視觀測(cè)，同時(shí)條碼像也被分光鏡成像在探測(cè)器上，供電子讀數(shù)。野外作業(yè)時(shí)，受太陽(yáng)光、空氣狀況及瞄準(zhǔn)方向等外界因素的影響，條形碼尺的尺面反射光和儀器單位時(shí)間內(nèi)接收的光通量是不斷變化的。如果采樣范圍內(nèi)的亮度不均勻，會(huì)使曝光時(shí)間失控，測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)，影響測(cè)量精度，甚至儀器會(huì)提示測(cè)量錯(cuò)誤。

4.3.2 山區(qū)或起伏較大地區(qū)觀測(cè)方法的研究

按照《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》需考慮大氣折光改正，避免觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)誤差，使測(cè)量精度達(dá)不到規(guī)定的要求。近百年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量折光改正問(wèn)題一直相當(dāng)重視，研究出很多優(yōu)秀的改正模型，如庫(kù)卡梅基、沃倫模型等作的研究［2］。我國(guó)學(xué)者李延興也導(dǎo)出了嚴(yán)密的公式。但以上模型應(yīng)用時(shí)都要求前視與后視方向地面坡度基本一致。而蔣利龍推倒出的一種不論前、后視坡度是否一致都能適用的、基于水準(zhǔn)視線折光角改正模型［3］。

4.3.3 操作者對(duì)精密水準(zhǔn)測(cè)量成果的影響

國(guó)家一等水準(zhǔn)限差嚴(yán)格，對(duì)觀測(cè)者調(diào)焦、儀器整平水平及立尺者標(biāo)尺安置質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很大。每一站觀測(cè)時(shí)，按《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》在儀器內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，認(rèn)真整置儀器，使標(biāo)尺的像準(zhǔn)確地聚集在分劃板(光學(xué)水準(zhǔn)儀)或CCD 傳感器上，否則，儀器就停止測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

幾何水準(zhǔn)是建立國(guó)家高程控制網(wǎng)的主要方法。數(shù)字水準(zhǔn)儀以數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、測(cè)量效率高省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，有效地減少了外業(yè)測(cè)量的投入，提高了觀測(cè)精度。但是也應(yīng)該看到，數(shù)字水準(zhǔn)儀在大規(guī)模高等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量中的實(shí)踐還比較少。本文通過(guò)Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀在福建國(guó)家一等水準(zhǔn)網(wǎng)施測(cè)中的應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了數(shù)字水準(zhǔn)儀在大規(guī)模高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量中的實(shí)用價(jià)值，證明了其精度，具有良好的推廣意義。需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)現(xiàn)行《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀應(yīng)用到國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)定不夠詳細(xì)，如數(shù)字水準(zhǔn)儀的標(biāo)尺鑒定等。

(2)本項(xiàng)目為一等水準(zhǔn)復(fù)測(cè)，重力資料利用原有資料，但對(duì)新路線的一等水準(zhǔn)觀測(cè)，重力測(cè)量不可少，且高程小的水準(zhǔn)點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)高差較小的地區(qū)，重力點(diǎn)可適當(dāng)減少，而對(duì)高差大的路線、激烈變化處的水準(zhǔn)點(diǎn)上一定要測(cè)重力［4］。

［1］白鋆，熊指南.條碼遮擋對(duì)DiNi12 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果影響的研究［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2015(1):41－43.

［2］梁振英.水準(zhǔn)測(cè)量的誤差傳播和精度估計(jì)［J］.測(cè)繪通報(bào)，1982(4):3－9.

［3］數(shù)字水準(zhǔn)儀在二等水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用的探討［J］.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(2):116－120.

［4］孔祥元，郭際明.控制測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2006.