数字水准仪在水闸垂直位移测量中的应用

袁国友 朱明星

（1安徽省淮河河道管理局测绘院 蚌埠 233000 2 安徽省淮河水利工程设计院 蚌埠 233000）

1 前言

水准测量就是利用水准仪提供的一条水平视线，借助水准尺进行读数，测定地面上两点的高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。传统的水准施测一般采用光学水准仪以人工读取数据结合人工记录手簿或手工电子记录的方法，人为因素影响较大，测量效率相对较低。数字水准仪是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物,它依据图像识别原理,将编码尺的图像信息与已存贮的参考信息进行比较获得高程信息,从而实现了数据采集、处理和记录的自动化。数字水准仪的研制成功，有效减少了人为因素的影响，极大地提高了水准测量的工作效率及成果的精确度。

2 数字水准仪的基本原理及特点

2.1 基本原理

数字水准仪的基本原理为:在人工或自动完成条码尺的照准和调焦后，条码尺的一段图像一方面成像在十字丝分划板上供目镜观测用；另一方面这一段图像又被成像在CCD传感器的焦线上，通过对CCD传感器上获取的条码尺的图像进行处理，可以精确确定数字水准仪望远镜视准轴的位置（视线高）及条码尺至水准仪竖轴的距离（视距）。

2.2 主要特点

与传统光学水准仪相比，数字水准仪有以下优点：（1）读数直观。不存在误读、误记问题，没有读数误差。（2）测量精度高。视线高和视距读数都是采用多个条码的图像经过处理后取平均值得来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。（3）测量效率高。由于省去了报数、听记、现场计算以及人为出错的重测次数，与传统仪器相比，测量时间可以节省三分之一左右。（4）测量速度快。只需调焦和按键就可以自动读数，降低了劳动强度。仪器还能自动记录、检核并处理测量数据，并能将各种数据输入计算机进行后处理，实现内外业一体化。（5）操作简单。由于仪器实现了读数和记录自动化，并预存了大量测量和检核程序，在操作时还有实时提示，测量人员可以很快掌握使用方法。（6）自动修正测量误差。由于仪器带有内部计算机，可以对条码尺条码的分划误差、CCD传感器的畸变、电子角、大气折光等系统误差自动修正。

3 数字水准仪在水闸垂直位移测量中的应用

大型水闸垂直位移观测对工程的日常管理中及时发现工程隐患，保证工程安全起着重要作用。40多年来，安徽省淮河河道局测绘院承担着安徽省境内淮河干流及涡河、颍河上的多座大型水闸的垂直位移测量任务。每座水闸布设水准基点均在水闸变形区域影响外，符合《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）的要求。每次垂直位移观测时，首先对起算基点进行连测，根据观测成果判断起算基点的可靠性。我院装配的徕卡DNA03型数字水准仪是第二代数字水准仪，具有亲切的中文操作界面、时尚的外观设计、目前市场上最大的LC显示屏及先进的电子技术、优秀的光学机械系统，搭配合理。

DNA03型数字水准仪的技术指标：每公里往返测高程精度：铟钢尺0.3mm。放大倍率24X。测量范围：铟钢尺1.8～60m。最小读数：0.01mm和0.1mm。单次测量时间：3s。测量程序：测量和记录水准仪高程/距离。数据记录：内存6000个测量数据或 1650组测站数据 （BF）/PCMCIA卡（ATA-Flash/SRAM）/RS232输出。数据格式为：GSI8/GSI16/XML/用户定义格式。

3.1 野外作业

3.1.1 仪器检校

按照《建筑变形测量规范》，野外观测开始前和结束后，应对水准仪及铟钢尺进行全面检查，每日测前进行例行检查，检验仪器的圆水准器、标尺水准器及i角误差。i角误差检核可采用数字水准仪提供的两种检校方法：“A×B×”法和“A××B”法（AB是标尺位置，×是仪器位置）。根据需要选择检测方法。

3.1.2 线路水准测量操作步骤

a操作：PROG-->2线路测量。

表1 淮干大型水闸沉陷测量误差分析表

如图1所示，依步骤进行。

b.设置线路：输入线路名Name、测量方法Meth、后视点点号 PtID、后视点高程、H0 标尺 1（Stf1）、标尺 2（Stf2）。

c.设置限差：限差有两页定义，首先将各限差开关打开（on），然后将光标放在“值”上，设置限差的值。DistBal（视距累计差）、Maxdist（最大视距）、StafLow（视线高）、StatDif（测站标准差）、B-B/F-F（两次读数差），如图2所示。在线路水准测量中，按照《建筑变形测量规范》要求设置限差，具体包括：视距长度≤50m，视线高度≥0.3m，前后视距差≤2.0m，前后视距累计差≤3.0m。作业时若出现超差情况仪器会自动报警。

3.1.3 外业水准观测

观测方法。进行单线路往返观测，沿设计水准线路进行观测，每测段奇数站观测顺序为后-前-前-后（BFFB），偶数站观测顺序为前-后-后-前（FBBF），即始终先观测某条标尺。

使用仪器标配的2kg尺台支承标尺，用自制支撑使标尺铅垂和稳定。安置水准仪三脚架时，使其中两脚架与测线方向平行，第三脚架换置于路线的左侧与右侧，人工皮尺丈量视距，使前后视距近似相等。

观测情况。水准观测分测段或区段进行，先往（返）测，再作返（往）测，同一测段的往返测，一般分上午或下午对称进行。

3.2 内业资料分析

3.2.1 高差表编制

将水准观测数据传输到计算机，根据观测成果编制各水闸的高差表，列出各测段水准线路起讫点名，测段距离、高差，计算往返测高差不符值、限差，见表1。

大型水闸的垂直位移测量的路线长度较短，作业范围较小，测段高差中误差的正常水准面不平行改正、水准标尺长度误差改正、水准标尺温度改正均很微小，忽略不计。

3.2.2 误差统计分析

式中：△——测段往返测高差不符值，单位（mm）；

R——测段长度，单位（km）；

n——测段数。

3.2.3 精度评述。由表1，无论往返测高差不符值，还是每千米水准测量的偶然中误差（二等水准测量每千米水准测量的偶然中误差为1.0mm），指标均低于《建筑变形测量规范》规定。

4 结束语

数字水准仪轻松灵便、操作简单、精度高，极大地提高了外业工作效率及内业工作自动化程度，降低了测量人员的劳动强度，观测数据的记录方式杜绝了人为因素的影响，提高了数据的安全性和可靠性。在使用数字水准仪时影响较大的因素主要有三个：光线的影响，大气的影响，物理条件的影响。其中自然光线的强弱、空气扰动和外界震动这几项会产生热效应，从而造成光线折射。因此，使用数字水准仪应避免望远镜直接对着太阳，并避免视线被遮挡，遮挡不要超过标尺在望远镜中截长的20%。震动源造成的震动消失后，才能启动测量键。当地面震动较大时，应随时增加重复测量次数