國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀在高海拔地區(qū)測量性能分析

徐許雄 黃 逢 何亞東 邢超琦

(自然資源部第三大地測量隊, 四川 成都 610100)

0 引言

高精度的數(shù)字水準儀(DSZ05、DSZ1級別)是光機電一體化的高科技產(chǎn)品,國產(chǎn)儀器一直存在精度不高,可靠性、穩(wěn)定性不好等問題,國家高等級高程控制網(wǎng)建設(shè)、精密工程測量長期依賴Leica DNA03、Trimble Dini03、TOPCON DL-101C等進口品牌的產(chǎn)品[1]。隨著“中國制造”戰(zhàn)略的實施和我國光學(xué)技術(shù)、機械技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展,國產(chǎn)儀器性能不斷精進,但各項儀器檢驗指標是否滿足國家高精度水準測量的規(guī)范要求,在高海拔地區(qū),能否順利開展長距離高等級水準觀測工作,觀測的成果數(shù)據(jù)質(zhì)量如何是值得關(guān)注和研究的問題。本文以國產(chǎn)DL-2003A數(shù)字水準儀為研究對象,DNA03為對照組,同步進行二等水準觀測,并對兩組儀器的觀測數(shù)據(jù)進行對比分析,為驗證國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀在高海拔地區(qū)的觀測精度、儀器性能提供了依據(jù)。

1 數(shù)字水準儀的原理及性能指標

1.1 數(shù)字水準儀的測量原理

當(dāng)前各廠家生產(chǎn)的數(shù)字水準儀的儀器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理原理等方面不完全相同[2],但基本結(jié)構(gòu)和測量原理相似,數(shù)字水準儀主要由主機身、條碼尺、數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成,測量時標尺上的條碼圖案經(jīng)過光反射,一部分光束直接成像在望遠鏡分劃板上,供目視觀測,另一部分光束通過分光鏡轉(zhuǎn)射到線陣電荷耦合組件(charge coupled device,CCD)傳感器上,隨后轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)整形后進入模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,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(參考信號)按一定的方式進行比較,即可獲得編碼標尺的讀數(shù)[3-4]。在使用數(shù)字水準儀進行水準測量時,為提高測量精度,應(yīng)當(dāng)使用與數(shù)字水準儀相配套的水準標尺,而且標尺面應(yīng)該沒有破損、污染等情況,確保在進行水準觀測時能正常識別讀數(shù)。

1.2 數(shù)字水準儀的性能指標

DNA03是當(dāng)前世界上測量精度最高的數(shù)字水準儀之一,長期作為國家一、二等水準觀測的主流儀器,具有操作簡便、測量精度高、儀器性能穩(wěn)定和能適應(yīng)各種地形、氣候等優(yōu)點,其儀器性能在長期生產(chǎn)時間中得到了充分檢驗。因此,選取DNA03作為對照組具有較好的可靠性、可信性。DL-2003A是目前國產(chǎn)精度最高的數(shù)字水準儀之一,其各項儀器性能指標均達到了與DNA03相當(dāng)?shù)乃?。從標稱精度來看,兩款儀器均滿足DSZ05級,優(yōu)于二等水準觀測所需的DSZ1級要求,主要標稱性能指標見表1。

表1 DNA2003、DL-2003A的主要標稱性能指標

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗場地選擇

為驗證國產(chǎn)儀器在高原地區(qū)的生產(chǎn)性能,此次試驗選取位于青海省海南藏區(qū)自治州共和縣境內(nèi)的Ⅱ大塘線作為觀測路線。Ⅱ大塘線全長約150 km,起點為4 509(夏艾里溝),終點為4 553(三塔拉),共由26個各類測量標志組成,路線整體走向為西北向東南,平均海拔約3 100 m。試驗區(qū)域內(nèi)分布有G109國道、G225國道、X308縣道等主要交通干道,便于開展二等水準觀測工作。

2.2 試驗方案設(shè)計

試驗作業(yè)流程嚴格按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[5]相關(guān)要求執(zhí)行,開展資料收集與分析、測前儀器和標尺檢查、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、測后儀器和標尺檢查、數(shù)據(jù)對比分析等工作。

2.2.1 資料收集與分析

收集Ⅱ大塘線點之記、檢測點點之記、起止點高程成果等資料,作為開展二等水準觀測測區(qū)分析、數(shù)據(jù)采集、附合路線平差計算、質(zhì)量檢查等工作的依據(jù)。

2.2.2 測前儀器和標尺檢查

按照《規(guī)范》和《數(shù)字水準儀》[6]中有關(guān)要求,開始數(shù)據(jù)采集之前,對水準儀、水準標尺進行檢校。為避免水準儀、水準標尺自身存在系統(tǒng)性誤差,導(dǎo)致實驗結(jié)果的不準確[7],水準儀、水準標尺必須各項檢校合格后,才能用于試驗。

2.2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用單路線往返觀測,數(shù)據(jù)記錄手簿統(tǒng)一采用歐珩杰A380,記錄軟件采用自然資源部第三大地測量隊編制的“水準測量外業(yè)記錄軟件包”,該軟件包對觀測過程中的視線長度、前后視距差、累計視距差、視線高度、兩次讀數(shù)所測高差之差等指標能嚴格按照《規(guī)范》要求進行控制。

數(shù)字水準儀作為精密儀器,外界溫度、濕度、光照等條件變化,均可能引起儀器性能的變化[8-9],導(dǎo)致DL-2003A和DNA03觀測數(shù)據(jù)進行對比不能反映真實情況。為真實、客觀反映兩者之間的觀測性能,應(yīng)該使兩款儀器最大限度在相近條件下進行比較,為此,本次實驗設(shè)計為安排兩個觀測組進行同步觀測,除執(zhí)行《規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定外,還提出如下要求：

(1)兩個觀測組分別使用DL-2003A、DNA03沿同一路線進行二等水準觀測,每一個測段的開始、結(jié)束時間不大于1 d,保證在觀測期間各項環(huán)境因素基本一致。

(2)為對兩款水準儀每一測站的觀測數(shù)據(jù)進行研究,選取部分測段,沿測量路線布設(shè)測釘,每一測站水準標尺都放置在布設(shè)好的測釘上,使兩個觀測組在同一時間內(nèi)沿測釘依次觀測,兩個觀測組開始、結(jié)束時間間隔不超過20 min,嚴格消除環(huán)境、溫度、尺承等因素的影響。

(3)兩個觀測組每天開始進行二等水準觀測之前,都需要測定儀器i角,確保在試驗期間儀器性能穩(wěn)定、良好,減小i角對觀測成果的影響[10]。

(4)觀測過程中,如遇到觀測溫度、道路土質(zhì)、天氣、風(fēng)力情況、太陽方向、觀測環(huán)境發(fā)生異?；蛘邇x器、標尺出現(xiàn)故障的情況時,要準確、詳細記錄相關(guān)情況,對于有問題的觀測測段,兩個款儀器要一并重新測量。

2.2.4 測后儀器和標尺檢查

在完成全部二等水準觀測后,需要對水準儀進行測后i角檢驗、對水準標尺進行分劃面彎曲差測定,以確認DL-2003A、DNA03在試驗過程中的穩(wěn)定性。同時,還需要對水準標尺進行一對標尺米間隔長度平均值測定,以消除標尺尺長差異帶來的誤差[11]。

2.2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

按照《規(guī)范》要求,對測段、區(qū)段、路線的往返測高差和附合路線閉合差按照二等水準觀測要求進行檢查,計算兩款儀器的每千米偶然中誤差,由于未構(gòu)成20個以上的水準環(huán),不計算全中誤差。本文在進行測段、區(qū)段、路線的往返測高差中數(shù)、不符值、高差偏離等指標分析時,均是采用經(jīng)正常水準面不平行改正、水準標尺長度改正的數(shù)據(jù),后續(xù)章節(jié)不再做特殊說明。

2.2.6 數(shù)據(jù)比較分析

數(shù)據(jù)對比分析過程中,以測段、區(qū)段、路線的往返測高差中數(shù)、點位高程作為數(shù)據(jù)分析單元,以DNA03觀測成果為基準,分析DL-2003A的高差偏離Δh,將二等往返測高差不符值限差作為Δh的限差,Δh在限差內(nèi)時,表明DL-2003A觀測成果與DNA03觀測成果一致性較好,其觀測成果具有較好的可靠性。

(1)

式中,Δh為高差偏離值;HDL-2003A、HDNA03分別為DL-2003A、DNA03的測段、區(qū)段、路線往返測高差中數(shù)。

在進行測站數(shù)據(jù)分析時,還要進行平均每站、平均每千米、平均每米高差的高差偏離值,具體為

(2)

為量化兩款儀器觀測成果的符合性,計算兩款儀器測站、測段觀測成果的相關(guān)系數(shù)r,相關(guān)系數(shù)越高,表明兩款儀器觀測數(shù)據(jù)的符合性越好,計算方法如式(3)所示[12]。

(3)

式中,r為兩種不同類型儀器的相關(guān)系數(shù);HDL-2003A、HDNA03為兩種不同類型儀器的高差觀測數(shù)據(jù);Cov(HDL-2003A,HDNA03)為HDL-2003A與HDNA03的協(xié)方差;Var[HDL-2003A]為HDL-2003A的方差;Var[HDNA03]為HDNA03的方差。

3 儀器檢驗結(jié)果

按照《規(guī)范》和《數(shù)字水準儀》中相關(guān)規(guī)定,對DL-2003A、DNA03相關(guān)指標進行檢查,檢查結(jié)果為DL-2003A、DNA03兩款儀器外觀完好、性能正常、沒有明顯的物理缺陷,能夠與A380手簿和水準測量外業(yè)記錄軟件包有效兼容,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的觀測、傳輸、存儲等功能,儀器、標尺的各項指標結(jié)果均滿足一等水準觀測要求,即滿足DSZ05級要求,優(yōu)于二等水準觀測要求,可以用于本次試驗。

4 數(shù)據(jù)比較分析

4.1 測站數(shù)據(jù)分析

選取4509(夏艾里溝)-Ⅱ大塘02(13)為試驗區(qū)進行同步觀測,同步觀測期間天氣云量、成像狀況、太陽方向、風(fēng)速風(fēng)向、道路土質(zhì)、溫度等信息均一致,每一測站儀器安放位置基本一致,從而確保兩款儀器每一測站前后視距一致,每一測站放置標尺時,扶持人員都要檢查測釘?shù)姆€(wěn)定性,確認測釘穩(wěn)定后,再放置標尺,最終兩個測段同步完成的最大時間間隔為14 min。 同步觀測的高差偏離值見圖1。

圖1 測站往返測高差偏離值圖

最大測站高差偏離、最小測站高差偏離、平均每站高差偏離、平均每千米高差偏離、平均每米高差的高差偏離見表2。

表2 測站高差偏離統(tǒng)計表

按照《規(guī)范》中對于數(shù)字水準儀兩次讀數(shù)所測高差的差執(zhí)行基輔分化所測高差之差的限差這一規(guī)定,以二等水準觀測基輔分化所測高差的差的限差Δ=0.6 mm作為測站高差偏離的限差,統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。

表3 測站高差偏離精度統(tǒng)計表

在水準觀測過程中,水準路線的不同走向會引起測量精度的輕微變化[13],往測為從北至南走向、返測為從南至北走向,分別對DL-2003A、DNA03測站數(shù)據(jù)進行線性相關(guān)性分析和協(xié)方差量化分析。為使相關(guān)性分析的結(jié)果更加顯著,需要先對測站觀測高差去大數(shù),例如某一測站DL-2003A、DNA03觀測高差分別為-1.297 70 m、-1.297 77 m,去大數(shù)后為-0.70 mm、-0.77 mm,然后再對去大數(shù)后的數(shù)值進行線性相關(guān)性分析和協(xié)方差量化分析。經(jīng)計算得到往測相關(guān)系數(shù)為r往測=0.94,返測相關(guān)系數(shù)為r返測=0.91,均大于0.85,表明觀測結(jié)果具有強相關(guān)性。由此可以看出,在測站層面上,無論水準路線走向是從北向南,還是從南向北,DL-2003A、DNA03觀測結(jié)果的一致性、吻合性都較好。

4.2 測段數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線共計25個測段,測段走向豐富,包括南-北走向2個、東-西走向2個、東北-西南走向5個、西北-東南走向16個,同步觀測的最大時間間隔為2 d。通過分析DL-2003A、DNA03兩種儀器25個測段的測段不符值(圖2),可以看出DL-2003A、DNA03的測段往返測不符值均滿足限差要求。測段高差偏離值最大為-7.57 mm,最小為-0.12 mm,測段高差偏離值在0.5倍限差內(nèi)的測段有23個,占比92%。同樣,對測段高差中數(shù)進行去大數(shù)處理后,計算相關(guān)系數(shù)r測段=0.87,大于0.85,表明在測段層面上,DL-2003A、DNA03觀測的高差成果具有強相關(guān)性,而且在不同走向的測段觀測成果上,具有較好的一致性。

圖2 測段高差和高差偏離值圖

4.3 區(qū)段數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線分為4個區(qū)段,區(qū)段同步觀測最大時間間隔為2 d,以區(qū)段高差中數(shù)作為研究對象,分析4個區(qū)段的區(qū)段往返測不符值、區(qū)段高差偏離值,具體見表4。可以看出,DL-2003A、DNA03的區(qū)段不符值均滿足限差要求,而且均小于0.5倍限差;區(qū)段高差偏離值也全部滿足限差要求,最大為20.35 mm,最小為4.85 mm。由于區(qū)段數(shù)據(jù)量較少,在此不做相關(guān)性分析。

表4 區(qū)段不符值、區(qū)段高差偏離值表

4.4 路線數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線整體同步觀測最大時間間隔為2 d,以路線往返測高差中數(shù)為研究對象,可以得出,DL-2003A、DNA03的路線往返測不符值、路線高差偏離均滿足限差要求,具體見表5。在路線層面上,DL-2003A與DNA03觀測成果高度吻合,其路線高差偏離值在限差的10%以內(nèi)。

表5 路線不符值、路線高差偏離值表

對Ⅱ大塘線兩款儀器觀測結(jié)果進行重力異常改正、固體潮改正后,DL-2003A、DNA03觀測結(jié)果的附合路線閉合差分別為-5.83 mm、4.63 mm,滿足限差要求。計算DL-2003A、DNA03觀測成果的每千米偶然中誤差MΔ[14-15]為

(4)

式中,Δ為測段往返測高差不符值,單位為毫米;R為測段長度,單位為千米;n為測段數(shù)。

求得DL-2003A、DNA03每千米偶然中誤差分別為MΔDL-2003A=0.71 mm,MΔDNA03=0.58 mm,均滿足二等水準觀測每千米偶然中誤差小于1.0 mm的要求,但DNA03每千米偶然中誤差優(yōu)于DL-2003A。

5 結(jié)束語

通過開展同步試驗的方式,可以科學(xué)、準確評估國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀與進口儀器在高海拔地區(qū)同等條件下的綜合性能,實驗結(jié)果表明：

(1)DL-2003A的主要儀器檢驗指標實測結(jié)果與DNA03相當(dāng),DL-2003A儀器檢驗指標達到DSZ05級別。

(2)在高海拔地區(qū)DL-2003A、DNA03能進行同步觀測,而且沒有出現(xiàn)重大儀器故障,表明DL-2003A儀器性能良好,觀測效率與DNA03相當(dāng)。

(3)對測站、測段、區(qū)段、路線的往返測高差不符值、高差偏離值等指標進行分析,可以看出DL-2003A、DNA03觀測的高差成果具有強相關(guān)性,不同走向的測段觀測成果沒有明顯的系統(tǒng)性誤差,附合路線閉合差、每千米偶然中誤差均滿足二等水準觀測要求,表明DL-2003A可以滿足高海拔地區(qū)二等水準觀測要求。

此次研究也存在一些不足：①本文僅選用DL-2003A作為國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀的代表進行研究,其他品牌、型號的水準儀是否滿足高等級精密水準測量需要進一步研究驗證;②本文僅在高海拔環(huán)境下進行了試驗,在高溫、高寒、高濕度、大高差等環(huán)境下,國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀的性能需要進一步驗證;③本文的觀測時間較短、觀測數(shù)據(jù)量不大,國產(chǎn)高精度數(shù)字水準儀在長時間、大量觀測的情況下,其儀器性能的穩(wěn)定性有待進一步驗證。