數(shù)字水準儀在沉降觀測中的應用

徐 自 平

(太原富力城房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西 太原 030009)

1 概述

自1990年徠卡公司第一臺數(shù)字水準儀問世，徠卡和蔡司等公司相繼成功地將數(shù)字水準儀推向市場，實現(xiàn)了水準標尺的精密照準、標尺分化讀數(shù)和視距的讀取、數(shù)據(jù)儲存和處理等數(shù)據(jù)采集的自動化，從而減輕了水準測量的勞動強度和減少了人為因素的誤差，提高了測量速度和成果質(zhì)量。在北京地鐵10號線施工涉及市政橋梁的變形監(jiān)測工程中使用DINI12型數(shù)字水準儀進行了沉降觀測，經(jīng)過實踐使用，發(fā)現(xiàn)該儀器和傳統(tǒng)光學儀器在操作上存在著一定的差別，并結合相關測量規(guī)范總結出了一些應用經(jīng)驗。

2 DINI12數(shù)字水準儀簡介

蔡司的DINI12光學系統(tǒng)采用了光學自動安平水準儀的基本形式，具有典型的交叉吊帶補償器，也可以像光學水準儀一樣使用。標尺采用條碼分劃，代替人們眼睛的是光電二級管陣列。在水準測量中，條碼的像通過一個分光器，將光線分為兩束：一束轉射到CCD傳感器光電二級管陣列上，另一束轉射到觀測鏡上。信號的分析采用了相關的方法：將儲存在儀器內(nèi)的基準碼與傳感器陣列的圖象信號進行比較，并經(jīng)過數(shù)字圖象處理可獲得條碼中絲讀數(shù)。

蔡司公司的DINI12，采用了2 m或3 m銦鋼條碼尺，廠方的標稱精度往返測量標準偏差為0.3 mm/km，與傳統(tǒng)光學水準儀相比，該儀器具有以下特點：

1)讀數(shù)客觀。不存在誤讀、誤記問題，無人為讀數(shù)誤差。

2)讀數(shù)精度高。中絲讀數(shù)和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象處理后取平均值，因此減小了標尺分劃誤差和外界條件的影響。

3)測量速度快。由于省去了報數(shù)、聽、記、現(xiàn)場計算以及人為出錯引起的重測等，測量時間縮短。

4)測量效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度。

5)操作簡單。儀器實現(xiàn)了讀數(shù)和記錄的自動化，并預存了大量測量和檢核程序，在操作中還有適時的提示，使得測量人員可以很快掌握使用方法。

6)自動改正測量誤差。儀器可以對條碼尺的分劃誤差、CCD傳感器的畸變、數(shù)字i角、大氣折光等系統(tǒng)誤差進行修正。

3 儀器檢驗與校正

精密水準儀的檢驗內(nèi)容有很多項，根據(jù)儀器性能和對水準測量的影響程度大小，外業(yè)使用過程中應重點對補償器剩余誤差、數(shù)字i角等進行檢驗和校正。

3.1 補償器剩余誤差Δa的檢驗

補償器剩余誤差是指在補償器正常工作后仍然不能完全補償產(chǎn)生的差量。由于該儀器產(chǎn)品說明書中Δa?0.2″，而規(guī)范中明確規(guī)定用于一等水準測量的儀器必須滿足Δa?0.1″，所以應對儀器的補償器剩余誤差進行檢驗。

1)在平坦的場地上量取距離D(一般取40 m～50 m)，在其兩端A,B打下帶有圓帽釘?shù)哪緲蹲髫Q立條碼尺之用，在A,B兩點中間設置儀器，儀器的兩個腳螺旋的連線應盡量與AB垂直。

2)精細的整平儀器，測定A,B兩點的高差h作為比較的依據(jù)。

3)使用螺旋旋轉使儀器向前、后、左、右四個方向傾斜分別測定A,B兩點的高差h′。

4)Δh=h-h′,補償誤差Δa=Δh×p/D×a(a為傾斜角)。

5)經(jīng)計算，前、后、左、右四個方向的Δa均?0.1″，滿足規(guī)范要求。

3.2 i角誤差檢驗與校正

絕對水平視準線是水準測量的基準。儀器的水準管軸與視準軸在豎直面上的投影不平行而相交成i角，i角誤差直接影響著水準測量的精度。DINI12數(shù)字水準儀具有與光學水準儀相同的光學機械結構，而讀數(shù)是根據(jù)CCD傳感器獲得的標尺條碼圖象與儀器計算機存儲的標準碼(信號)按一定的方法進行處理獲得的電子讀數(shù)。根據(jù)數(shù)字水準儀的結構原理，儀器具有光學i角和數(shù)字i角，其中數(shù)字i角易受環(huán)境溫度變化的影響，特別是在儀器經(jīng)過長途運輸和溫度變化較大的情況下，應經(jīng)常檢查校正儀器的數(shù)字i角。光學i角的檢定和校正方法與傳統(tǒng)的自動安平水準儀完全一樣，在此不再贅述。DIN112數(shù)字水準儀配置了4種不同的數(shù)字i角檢驗校正程序，其中Fostner法如圖1所示。

在相距45 m處設兩根標尺A,B，將距離分成三等份，在其連線上相距15 m處設兩個儀器測站1,2。然后在兩測站上分別對A,B標尺讀數(shù)，如圖1所示,則在測站1,2上得到A,B點的正確高差分別為：

h1′=a1′-b1′=(a1-Δ)-(b1-2Δ)=a1-b1+Δ。

h2′=a2′-b2′=(a2-2Δ)-(b2-Δ)=a2-b2-Δ。

如不考慮其他誤差的影響，則所得高差h1′與h2′應該相等，可得：

2Δ=(a2-b2)-(a1-b1)。

其中，(a2-b2)和(a1-b1)分別是儀器存在i角時測的A,B兩點間高差，以h1,h2表示，則上式簡化為：

Δ=(h2-h1)/2。

由圖1可知：

Δ=S×(i″/ρ″),則:

i″=ρ×[(a2-b2)-(a1-b1)]/2s。

校正程序結束后儀器會存儲該種方法測得的i角值，并通過內(nèi)置程序對電子讀數(shù)進行修正，校正結束后仍按該種方法采用人工記錄測量儀器的數(shù)字i角，并采用相應的計算公式求得數(shù)字i角剩余值。如果i角剩余值超過了規(guī)范要求的限差，則需重新啟動儀器的i角校正程序進行數(shù)字i角的測量并存儲，然后再測量其剩余值，重復該過程直到數(shù)字i角剩余值滿足規(guī)范要求為止。

4 觀測限差設置

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》，若沉降觀測的技術精度等級為一等，水準路線均布設成閉合環(huán)線,由于數(shù)字水準儀使用有別于傳統(tǒng)光學精密水準儀，水準觀測各項限差可參照如下設置。

4.1 基輔分劃讀數(shù)之差不大于0.3 mm

由于該項技術要求是針對傳統(tǒng)光學儀器和所配套的銦瓦尺，而數(shù)字水準儀的條碼尺并無基輔之分，但儀器具有設置多次讀數(shù)重復測量的中誤差限差的功能。

設兩次讀數(shù)分別為a1,a2,則根據(jù)拜塞公式計算觀測值中誤差m：

當a1,a2兩次讀數(shù)之差不大于0.3 mm則:

-0.21 mm≤m≤0.21 mm。

可設置儀器讀數(shù)中誤差絕對值限差為0.21 mm。

4.2 基輔分劃(紅黑面)所測高差之差不大于0.5 mm

儀器具有后前、后前前后等8種水準測量模式，可選擇奇數(shù)站為后前前后，偶數(shù)站為前后后前的交替觀測順序的模式，可直接設置每一測站所測高差較差限值為±0.5 mm。

4.3 視線長度不大于30 m

可設置儀器視線長度限差為30 m。

4.4 前后視距差不大于0.7 mm

前后視距差Δd，按下式關系確定：

Δd≤δdρ/i。

δd=mo/λ(取λ=3)。

Δd≤moρ/iλ。

其中，i為視準軸與水準管軸間的夾角,(″)；mo為觀測點測站高差中誤差；δd為要求對測站高差中誤差m的影響小到在P=0.950下可忽略不計的那個由于d而產(chǎn)生的高差誤差，mm。

將一等沉降觀測規(guī)定的mo與i值(mo≤0.15 mm，i=15″)代入式中，得：

Δd≤0.7 mm。

4.5 前后視距累積差不大于1.0 m

從水準測段或環(huán)線一般只有幾百米的長度考慮，取前后視距累積差為前后視距差的1.5倍：

1.5×0.7=1.05 m，取不大于1.0 m。

4.6 視線高度不小于0.5 m

由于大氣垂直折光的影響，規(guī)范要求儀器視線必須離地面有一定的高度，根據(jù)DINI12數(shù)字水準儀的測量原理，當儀器視準軸位于標尺的頂部或底部附近時，CCD傳感器僅能夠接收到條碼尺的部分圖象，可能會導致測量結果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。使用應避免視線位于標尺頂部或底部的情況，儀器具有設置該向限差功能，可將中絲讀數(shù)范圍設置在0.3 m～1.8 m之間(相對于2 m條碼尺而言)。

5 應用

5.1 儀器測量系統(tǒng)精度

在北京地鐵10號線工程中，北京九通衢道橋工程技術有限公司等三家單位共同對勁松橋的20個沉降觀測點進行了沉降觀測，初始值采集采用同一基準點、相同線路、同一時段、不同型號儀器。室外作業(yè)均按照一等水準測量作業(yè)技術要求作業(yè)，成果數(shù)據(jù)見表1。

表1 北京地鐵10號線19標段勁松橋沉降觀測初始值

三家單位觀測的觀測點高程值的最大中誤差0.48 mm，完全滿足規(guī)范中一等沉降觀測觀測點高程中誤差限差為0.5 mm的要求，由此可見DINI12數(shù)字水準儀具有可靠的測量系統(tǒng)精度。

5.2 環(huán)線閉合差統(tǒng)計

環(huán)線閉合差是衡量外業(yè)觀測精度最基本的依據(jù)，閉合差統(tǒng)計見表2。

表2 沉降觀測閉合差統(tǒng)計

5.3 每測站所測高差中數(shù)中誤差mw

由于沉降觀測水準路線一般較短，測站數(shù)較多，所以采用觀測點測站高差中誤差作為沉降觀測精度等級的衡量標準，按水準環(huán)線閉合差ω(mm)由下列公式計算每測站所測高差中數(shù)中誤差mw：

其中，N為水準環(huán)數(shù);n為各環(huán)線的平均測站數(shù)。

根據(jù)表2可計算出每測站所測高差中數(shù)中誤差：

mw=±0.08 mm。

完全小于《建筑變形測量規(guī)范》規(guī)定一等沉降觀測每測站所測高差中數(shù)中誤差不大于±0.15 mm的精度要求。說明DINI12數(shù)字水準儀完全能夠滿足一等沉降觀測精度技術要求。

6 測量中存在的問題

通過對DINI12數(shù)字水準儀的實際使用，該儀器完全能夠代替光學水準儀應用于沉降觀測，但是在具體應用過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1)條碼的遮擋。

用數(shù)字水準儀進行測量時，由于障礙物的遮擋，CCD傳感器可能會接收到不正確或不完全的條碼信息，DINI12要求儀器視場中中絲上下15 cm所需要的最少30 cm標尺范圍內(nèi)的條碼不能被遮擋，否則儀器可能會出現(xiàn)粗差甚至不能讀數(shù)。

2)條碼尺亮度。

條碼尺過亮或過暗、亮度不均勻，特別是在人工照明的情況下儀器很可能無法讀數(shù)，因為數(shù)字水準儀是依靠CCD傳感器獲取標尺條碼的圖象，而CCD傳感器的工作原理就要求需要識別的目標要有足夠的亮度才能夠正常工作。

3)環(huán)境溫差的影響。

數(shù)字水準儀的光機結構較為簡單，其電子i角易受環(huán)境溫度變化的影響，因此在使用或檢定水準儀之前，應留有足夠的時間，使儀器內(nèi)外部溫度達到平衡，并應經(jīng)常使用儀器內(nèi)置軟件對數(shù)字水準儀的數(shù)字i角進行校正，以保證數(shù)字i角剩余值的穩(wěn)定性。

7 結語

由于數(shù)字水準儀相較于光學水準儀的諸多優(yōu)點，它已經(jīng)完全能夠取代傳統(tǒng)光學水準儀進行高精度沉降觀測，數(shù)字水準儀代表了精密水準儀的發(fā)展方向。在沉降觀測應用中，我們應按照JGJ 719—2016建筑變形測量規(guī)范相關技術指標要求規(guī)范數(shù)字水準儀的使用。