數(shù)字水準(zhǔn)儀在衡水湖水準(zhǔn)引測(cè)中的應(yīng)用

吳志福

（河北省衡水水文勘測(cè)研究中心，河北 衡水 053000）

0 引言

衡水湖位于河北省衡水市，屬于海河流域子牙河水系。衡水湖東湖分為兩個(gè)湖區(qū)，其中，南部小湖稱為冀州湖。2022 年，冀州湖新設(shè)立了水位站，為了與衡水湖大湖區(qū)采用相同高程基面，需要進(jìn)行高程引測(cè)。采用CORS 系統(tǒng)引測(cè)高程時(shí)，由于湖面的多路徑效應(yīng)等因素影響，測(cè)得衡水湖北岸邊與南岸邊湖水位相差0.22 m，這與實(shí)際相差太大。水準(zhǔn)測(cè)量是高程測(cè)量中精度最高和最常用的一種方法，廣泛應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)，因此決定采用三等水準(zhǔn)測(cè)量方法引測(cè)。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水準(zhǔn)儀以其高精度、方便、快速等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替光學(xué)水準(zhǔn)儀在水文測(cè)量中得到了應(yīng)用［1］。陳卓［2］使用數(shù)字水準(zhǔn)儀引測(cè)了8 個(gè)水文站的水準(zhǔn)點(diǎn)高程，閉合差小于3 mm，但距離較近，均小于420 m。衡水湖三等水準(zhǔn)引測(cè)距離為15.42 km，本研究通過(guò)應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀，實(shí)踐驗(yàn)證其在水文測(cè)量中的可行性。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理及性能

數(shù)字水準(zhǔn)儀也稱電子水準(zhǔn)儀，由望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)器、基座及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。數(shù)字水準(zhǔn)儀是以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器（CCD），通過(guò)對(duì)條形碼標(biāo)尺進(jìn)行掃描及圖像處理，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)、記錄、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)的自動(dòng)化。該儀器操作簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀相比具有以下特點(diǎn)。

1.1 測(cè)量精度高

由于視距讀數(shù)和視線高讀數(shù)都是標(biāo)尺的大量條碼分劃圖像經(jīng)處理后取平均獲得的數(shù)值，減小了標(biāo)尺分劃誤差的影響；又具有多次讀數(shù)取平均值的功能，削弱了外界條件影響，提高了測(cè)量精度。以索佳數(shù)字水準(zhǔn)儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行技術(shù)參數(shù)比較，具體見(jiàn)表1。

表1 兩類水準(zhǔn)儀技術(shù)參數(shù)比較

1.2 測(cè)量速度快

由于省去了上下絲及中絲目測(cè)讀數(shù)、逐項(xiàng)紙質(zhì)記錄、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間以及人為出錯(cuò)的重測(cè)數(shù)量，測(cè)量時(shí)間與使用光學(xué)水準(zhǔn)儀相比可以節(jié)省40%。

1.3 測(cè)量效率高

具有智能化自動(dòng)調(diào)焦功能可快速照準(zhǔn)標(biāo)尺，只需按鍵就可以自動(dòng)客觀讀數(shù)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還沒(méi)有人為讀數(shù)誤差。能自動(dòng)記錄和檢核視距，測(cè)量數(shù)據(jù)易傳輸，可在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后期處理，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化，提高了作業(yè)效率。

1.4 測(cè)量模式多

機(jī)載軟件自帶多種水準(zhǔn)線路和不同等級(jí)的測(cè)量方式，支持的測(cè)量模式有：BF、BFFB、BBFF、BFBF、aBF、aBFFB、aFBBF。

2 數(shù)字水準(zhǔn)儀施測(cè)操作步驟

以索佳SDL 1X 數(shù)字水準(zhǔn)儀為例說(shuō)明水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)操作步驟。

2.1 建立作業(yè)文件

選取記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的文件。儀器內(nèi)存中共有20個(gè)文件供記錄數(shù)據(jù)時(shí)選用，默認(rèn)文件名為JOB1～JOB20，文件名可根據(jù)需要進(jìn)行更改，一個(gè)文件可保存100 條水準(zhǔn)路線的數(shù)據(jù)。操作步驟：主菜單—內(nèi)存管理—文件管理—文件選取—按［列表］鍵，將光標(biāo)移至所需文件名上后按［確定］鍵選取。

2.2 設(shè)置路線

選取或新建一條水準(zhǔn)路線。需要設(shè)置測(cè)量水準(zhǔn)路線的等級(jí)，或?qū)λ疁?zhǔn)路線的觀測(cè)程序、限差等值進(jìn)行自定義設(shè)置。操作步驟：主菜單—測(cè)量菜單—路線測(cè)量—路線設(shè)置—屏幕顯示當(dāng)前選取的路線—按［列表］鍵選路線名后按［確定］鍵或［新建］鍵—按［ok］鍵。

新建路線名時(shí)需要設(shè)定路線名、起點(diǎn)名及高程、終點(diǎn)名及高程、往返測(cè)設(shè)定、測(cè)量等級(jí)設(shè)定、標(biāo)尺讀數(shù)次數(shù)、觀測(cè)順序、高程及距離顯示位數(shù)、高差之差限值、視距長(zhǎng)上下限值、視距高上下限值、前后視距差限值、視距差累積限值。

2.3 設(shè)置氣象條件

操作步驟：主菜單—測(cè)量菜單—高差測(cè)量—?dú)庀髼l件（包括溫度、天氣、風(fēng)速、風(fēng)向、測(cè)量員、備注）—按［ok］鍵。

2.4 測(cè)站觀測(cè)

以后、前、前、后（BFFB）測(cè)量模式為例說(shuō)明。同自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣，在測(cè)站上架設(shè)整平儀器?？捎妙A(yù)測(cè)量功能進(jìn)行前后視距觀測(cè)，在判斷前后視距大致相等后，按［ok］鍵。

用調(diào)焦旋鈕調(diào)清標(biāo)尺映像后，操作步驟：①照準(zhǔn)后視標(biāo)尺，按右側(cè)的藍(lán)色［測(cè)量］鍵進(jìn)行后視第1次讀數(shù)；②照準(zhǔn)前視標(biāo)尺，按［測(cè)量］鍵進(jìn)行前視第1次讀數(shù)；③按［測(cè)量］鍵進(jìn)行前視第2 次讀數(shù)；④照準(zhǔn)后視標(biāo)尺，按［測(cè)量］鍵進(jìn)行后視第2 次讀數(shù)；每次讀數(shù)后應(yīng)檢查測(cè)量結(jié)果并按［ok］鍵確認(rèn)。測(cè)量結(jié)果顯示在屏幕上為：高差、后視距、前視距、視距差累積，此時(shí)屏幕下方按鍵為［固定點(diǎn)］［結(jié)束］［ok］。按［固定點(diǎn)］鍵可設(shè)立固定點(diǎn)名稱，輸入溫度和備注后按［ok］鍵。按［結(jié)束］鍵結(jié)束高差測(cè)量返回高差測(cè)量菜單界面。按［ok］鍵進(jìn)入下一測(cè)站測(cè)量界面。

2.5 路線測(cè)量

將儀器遷至下一測(cè)站并架設(shè)于前視、后視標(biāo)尺中間，重復(fù)①～④步驟進(jìn)行測(cè)站觀測(cè)。按［測(cè)量］鍵觀測(cè)，若數(shù)據(jù)超過(guò)水準(zhǔn)等級(jí)限差時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)顯示出錯(cuò)信息，提示需重測(cè)本站。完成最后一個(gè)測(cè)站觀測(cè)并檢查測(cè)量結(jié)果后按［結(jié)束］鍵。輸入溫度和備注后，按［ok］鍵結(jié)束該測(cè)段測(cè)量，返回高差測(cè)量菜單界面。

2.6 路線計(jì)算與平差

往返測(cè)路線平差操作步驟：主菜單—計(jì)算處理—往返測(cè)不符值—按［列表］鍵顯示路線名表并選取往測(cè)和返測(cè)路線名—按［計(jì)算］鍵計(jì)算并顯示往返測(cè)不符值結(jié)果。按［平差］鍵進(jìn)入平差方法選取界面—選擇平差方法“距離法”或“點(diǎn)數(shù)法”—按［ok］鍵后輸入起點(diǎn)高程—按［ok］鍵后開始平差計(jì)算—按［記錄］鍵后按［yes］鍵確認(rèn)，平差計(jì)算結(jié)果將作為已知點(diǎn)保存在名為“原路線名”+“序號(hào)”的路線下。

2.7 成果導(dǎo)出

輸出文件數(shù)據(jù)有3 種方式：①用通信電纜DOC129 向計(jì)算機(jī)輸出文件數(shù)據(jù)。②向SD 卡輸出文件數(shù)據(jù)。③向USB盤輸出文件數(shù)據(jù)。操作步驟：主菜單—內(nèi)存管理—文件管理—通訊輸出—選取輸出格式“CSV1”或“CSV2”—輸出方式設(shè)為“Com”或“SD”或“USB”—按［ok］鍵。其中，CSV1 為輸出各測(cè)站全部原始觀測(cè)值結(jié)果；CSV2 為輸出整理后的各測(cè)站前后視觀測(cè)值、高差值和前視點(diǎn)高程值。使用數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)處理軟件打開文件夾下的作業(yè)名導(dǎo)出為正式的成果表。

3 數(shù)字水準(zhǔn)儀應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 確定水準(zhǔn)路線

從衡水湖水文站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)到冀州湖水位站的水準(zhǔn)點(diǎn)，路線長(zhǎng)度為15.42 km，采用支線水準(zhǔn)路線三等水準(zhǔn)測(cè)量。根據(jù)《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/T 12898—2009）規(guī)定，在人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)三等水準(zhǔn)路線每隔2～4 km 應(yīng)埋設(shè)普通水準(zhǔn)標(biāo)石一個(gè)［3］。因此，沿環(huán)湖公路布設(shè)水準(zhǔn)路線，劃分為7 個(gè)水準(zhǔn)測(cè)段，在測(cè)段端點(diǎn)的道路肩部設(shè)置道路水準(zhǔn)標(biāo)志6 個(gè)，均選在路面堅(jiān)實(shí)、觀測(cè)方便的地點(diǎn)。衡水湖三等水準(zhǔn)測(cè)量路線圖，見(jiàn)圖1。

圖1 衡水湖三等水準(zhǔn)測(cè)量路線圖

3.2 測(cè)量準(zhǔn)備

水準(zhǔn)測(cè)量需要的儀器設(shè)備包括：數(shù)字水準(zhǔn)儀（含三腳架）1 臺(tái)、條形碼標(biāo)尺1 對(duì)、尺墊2 個(gè)、對(duì)講機(jī)3 個(gè)。

需要測(cè)量人員4名，警示背心4件，電動(dòng)三輪車1 輛。1 人騎電動(dòng)三輪車接送測(cè)量人員，來(lái)減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度和縮短測(cè)量時(shí)間。

3.3 三等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求

根據(jù)《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/T 12898—2009）和《水文測(cè)量規(guī)范》（SL 58—2014）規(guī)定，選取了支水準(zhǔn)路線三等水準(zhǔn)往返測(cè)量技術(shù)要求，見(jiàn)表2。

表2 三等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求

在使用前，應(yīng)將數(shù)字水準(zhǔn)儀置于露天陰影下30 min，確保儀器與外界氣溫趨于一致，并進(jìn)行預(yù)熱不小于20 次單次測(cè)量。每一測(cè)段的往測(cè)與返測(cè)站數(shù)宜為偶數(shù)，可以消除對(duì)水準(zhǔn)尺零點(diǎn)差的影響。測(cè)量的高程單位和記錄到內(nèi)存的單位顯示位設(shè)置為0.000 1 m。

3.4 測(cè)量結(jié)果及平差計(jì)算

支水準(zhǔn)路線測(cè)量為從已知水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)至待測(cè)點(diǎn)，再返回到已知點(diǎn)，理論上往測(cè)與返測(cè)高差的絕對(duì)值應(yīng)相等，否則有高差不符值。每完成一條水準(zhǔn)路線的測(cè)量，應(yīng)進(jìn)行往返測(cè)高差不符值及每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差的計(jì)算［3］。支線水準(zhǔn)路線往返測(cè)高差不符值Δh計(jì)算式為式（1）。

式中：Σht、Σhc為測(cè)段上各測(cè)站的往測(cè)、返測(cè)的高差總和，mm。

每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差MΔ計(jì)算為式（2）。

式中：n為測(cè)段數(shù)；K為測(cè)段長(zhǎng)度，km。

當(dāng)高差不符值Δh小于等于限差時(shí)，采用平差計(jì)算消除不符值。支線水準(zhǔn)路線測(cè)段高差取各段往返測(cè)高差絕對(duì)值的平均值，測(cè)段高差的正、負(fù)號(hào)以往測(cè)為準(zhǔn)，再計(jì)算各點(diǎn)高程。

衡水湖三等水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 看出，往返測(cè)高差不符值的絕對(duì)值最大值為2.8 mm，遠(yuǎn)小于不符值限差。由式（2）計(jì)算每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差為1.9 mm，小于偶然中誤差限差3.0 mm。測(cè)量結(jié)果表明，數(shù)字水準(zhǔn)儀在水文測(cè)量中，精度符合規(guī)范要求，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

從已引測(cè)的冀州湖水位站水準(zhǔn)點(diǎn)（BM8）引測(cè)衡水湖南岸的水邊高程為20.319 m，從衡水湖水文站基本水準(zhǔn)點(diǎn)（BM1）引測(cè)衡水湖北岸水邊高程為20.302 m，南北岸水邊直線距離為11.82 km，測(cè)量水位相差0.017 m。引測(cè)水邊高程時(shí)，因天氣為東北風(fēng)3 級(jí)，致使南岸水位有所偏高。冀州湖與衡水湖大湖區(qū)有一條防護(hù)堤相隔，引測(cè)冀州湖水位比衡水湖水位低0.70 m。

4 數(shù)字水準(zhǔn)儀在施測(cè)中的誤差分析

從表3 可以看出，在用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于受到多種因素的影響，測(cè)量結(jié)果的往返測(cè)高差不符值達(dá)2.8 mm，說(shuō)明也存在一定程度的誤差。為了最大限度地降低誤差，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采取針對(duì)性的有效控制措施來(lái)減小誤差。

表3 三等水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果

4.1 儀器本身存在的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀的誤差主要為線陣探測(cè)器（CCD）的物理特性引起的誤差、信號(hào)分析和處理的誤差、電視準(zhǔn)軸的i角誤差［5］。測(cè)量信號(hào)生成和處理的前提是獲得清晰、完整的條碼影像。測(cè)量過(guò)程中光線過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱、條碼標(biāo)尺表面光照不均勻、觀測(cè)瞬間強(qiáng)光閃爍、外界熱閃爍，都會(huì)降低標(biāo)尺條碼影像在探測(cè)器（CCD）上的對(duì)比度，造成局部失真，產(chǎn)生測(cè)量誤差或者無(wú)法讀數(shù)。因此，觀測(cè)時(shí)應(yīng)避免強(qiáng)光、逆光、陰影，并選擇光線相對(duì)均勻的環(huán)境條件。信號(hào)分析和處理的誤差取決于數(shù)字水準(zhǔn)儀內(nèi)置軟件的算法和技術(shù)先進(jìn)性。電視準(zhǔn)軸的i角誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響理論上與光學(xué)水準(zhǔn)儀i角誤差相同［5］，可采用前后視距相等來(lái)減小，或由機(jī)內(nèi)設(shè)置的程序自動(dòng)改正。

水準(zhǔn)標(biāo)尺零點(diǎn)差，即水準(zhǔn)標(biāo)尺多次使用后磨損和加工制作時(shí)造成的尺子零點(diǎn)和尺底不一致的誤差。可采用每個(gè)測(cè)段都為偶數(shù)站觀測(cè)，并且返測(cè)時(shí)前后尺要互換位置來(lái)減小此誤差。

4.2 外界環(huán)境帶來(lái)的誤差

4.2.1 振動(dòng)對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響。水準(zhǔn)路線常布設(shè)在交通公路上，數(shù)字水準(zhǔn)儀對(duì)重型車輛通過(guò)時(shí)造成的空氣流動(dòng)和地面震動(dòng)非常敏感，標(biāo)尺條碼成像在儀器視場(chǎng)中上下跳動(dòng)，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，應(yīng)選擇穩(wěn)定的地方設(shè)站和立尺，并選擇有利的觀測(cè)時(shí)間，來(lái)減弱補(bǔ)償器振動(dòng)和地面震動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量精度。

4.2.2 大氣折光對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響。視線在大氣中穿過(guò)會(huì)受到大氣折光的影響，視線越長(zhǎng)離地面越近，大氣折光的影響就越大［6］。在平坦區(qū)，采用同站前后視距相等的方法，降低與抵消折光差；在山丘區(qū)，上下坡途中前后的視線與地面的距離不相同，存在大多數(shù)的非系統(tǒng)性折光差，采用減小視距和提升視線高度的方法，達(dá)到降低大氣折光的影響。

4.3 測(cè)量人員的操作誤差

4.3.1 調(diào)焦質(zhì)量對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響。調(diào)焦質(zhì)量不高致使標(biāo)尺成像不清晰，或者從后視轉(zhuǎn)向前視不進(jìn)行調(diào)焦而不清晰時(shí)，都會(huì)造成不能準(zhǔn)確反映測(cè)量值。可采用精準(zhǔn)調(diào)焦和前后視的距離大致相等來(lái)減小此誤差。儀器觀測(cè)員的視力相差過(guò)大會(huì)造成調(diào)焦焦距不相同，在探測(cè)器（CCD）上的成像就會(huì)和標(biāo)準(zhǔn)值有偏差，相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果也就不準(zhǔn)確?？刹捎迷谕粭l水準(zhǔn)路線上不更換觀測(cè)員，由視力較好的觀測(cè)員進(jìn)行觀測(cè)，以此來(lái)消除由于調(diào)焦帶來(lái)的測(cè)量誤差。

4.3.2 儀器整平和立尺不規(guī)范對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響。儀器整平時(shí)氣泡居中后，應(yīng)再將儀器旋轉(zhuǎn)90°，仍要確保氣泡居中。測(cè)量讀數(shù)時(shí)標(biāo)尺豎立不直，在視線方向前后傾斜，會(huì)造成讀數(shù)偏大，而且視線越靠近尺頂位置，誤差就越大。在照準(zhǔn)標(biāo)尺測(cè)讀時(shí)，扶尺員應(yīng)確保標(biāo)尺上、下兩個(gè)圓水準(zhǔn)氣泡居中，觀測(cè)員讀數(shù)后及時(shí)用對(duì)講機(jī)通知扶尺員休息，在提高扶尺質(zhì)量、保證測(cè)量精度的情況下，減輕扶尺員工作強(qiáng)度。

總之，在水準(zhǔn)測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量人員需要綜合考慮引起誤差的各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在觀測(cè)過(guò)程中采取有效措施，保證測(cè)量精度。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，熟練地應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀比傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀在操作時(shí)更加智能化，省時(shí)間，省力，工作效率高，測(cè)量精度滿足規(guī)范要求。測(cè)量中應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

①水準(zhǔn)尺的條形碼面要保護(hù)好，保持清潔，否則損壞或太臟可能得不到正確的結(jié)果。

②視線在被樹葉等遮擋時(shí)，不應(yīng)超過(guò)標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中截長(zhǎng)的20%；若有振動(dòng)時(shí)，應(yīng)待振動(dòng)源造成的振動(dòng)消失后，才能啟動(dòng)測(cè)量鍵。

③合理安排測(cè)量時(shí)間，不能因?yàn)樽汾s測(cè)量工作進(jìn)度，而不顧天氣變化或天色已黑。應(yīng)停止測(cè)量并做好2個(gè)以上間歇點(diǎn)。