数字水准仪与光学水准仪对比分析

文/朱艳丽

数字水准仪与光学水准仪对比分析

文/朱艳丽

信阳市质量技术监督检验测试中心

在当前水准仪已经在我国的各个领域当中得到了广泛的应用。但无论在哪个领域中进行应用，都要求水准仪具有良好的准确性，保证测量不出现偏差。笔者对目前各个行业常用的数字水准仪与光学水准仪的工作原理，主要特点以及两者在实际工作中具体运用进行了对比分析。

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1 数字水准仪与光学水准仪的工作原理

1.1数字水准仪的工作原理，数字水准仪的工作原理数字水准仪也称为数字水准仪．它采用条形编码标尺和数字影像处理原理．用CCD行阵代替人的肉眼。将望远镜像面上的标尺成像进行编码求值转换成数字信息，自动进行读数记录、各项限差计算，实现自动化和数字化。

1.2光学水准仪的工作原理。光学水准仪主要由基座与照准部两部分组成。基座上的三个脚螺旋用来整平水准仪。由望远镜、水准器和控制螺旋等组成的照准部是水准仪的主要部件，能绕水准仪的竖轴在水平面内作360度旋转。光学水准仪主要由人眼通过望眼镜对准标尺调焦清晰后，来直接读取标尺上的示数，最后进行高程传递的。在高低不平的爬坡地带，光学水准仪常常能带来较大的方便，甚至受天气等自然因素的影响也小得多。然而这也是光学水准仪的缺陷所在，除了仪器本身的系统误差以外，它基本上取决于人眼，人为主观因素成为主导光学水准仪精度的关键。实践证明，炎热天气下，空气中水蒸气活动剧烈，水准仪望远镜中可视画面晃动厉害．往往使得读数模糊、结果容易出错等。

2 数字水准仪与光学水准仪的主要特点对比分析

数字水准仪采用光电技术自动获取标尺读数，自动存储，可以消除人为读数误差与人为输入数字的错误；而光学水准仪则由观测员通过光学设备（如目镜、光学测微器、十字丝分划板等）人工读出，记簿员通过微型电脑人工输入存储数据。数字水准仪由CCD传感器获取几个条码确定仪器数字视准轴的位置；而光学水准仪借助十字丝分划线来确定视准轴的位置。在光学水准仪测量系统中仅有一个尺度因子，即光学水准仪的观测视线与水准尺分划间有一一对应关系；而数字水准仪则有两个尺度因子一数字水准仪本身的尺度因子即（DM）传感器的像素和条码尺的尺度因子。数字水准仪本身仅能够给出CCD像素的个数，但对于水准测量，则需要将数字水准仪的尺度因子归算至条码尺的尺度因子中，因此，数字水准仪必须要先确定这两个尺度因子间的转换关系，即垂直放大率或称为物像比。数字水准仪具有完善的数据管理系统和开放的操作系统，可以在仪器和电脑之间方便地进行数据传输，自动进行观测数据处理，以及自动对地球曲率、气象误差进行改正。数字水准仪设置集成手持提把，外业携带方便，重量轻，（约2Kg），大大减轻了作业人员的劳动强度；而光学水准仪重量约为7Kg，使用过程中工作强度大，给观测员的身体健康带来了一定的压力。

3 数字水准仪与光学水准仪两者在实际工作中的对比。

国家级一、二等水准网范围广、跨度大，水准测线的布设有着各种各样复杂的地理环境与地形条件，比如要通过汽车流量较大的公路桥梁、隧道；攀爬坡度较大的山坡；穿越强磁场源；有的地方还需跨越江、河、湖、海等。“中国综合地球物理场观测”项目的水准测线，很多会形成闭合环线，以提高测量精度，因此常常会遇到无桥通过的江、河、沟壑等测段，此时只能使用光学仪器进行跨河测量。规范中规定的光学测微法及倾斜螺旋法，都适用于光学水准仪，只要按照《国家一、二等水准测量规范》要求布设场地，采用适当的观测方法均可以取得良好的效果。数字水准仪的跨河测量，到目前为止，规范中还是一片空白，因此无法进行该项操作。但是，光学仪器的缺点非常明显，对于观测员来说，长时间的负重行走、过度用眼疲劳，会给身心健康带来一定的损伤，好多人因此患上肩周炎、腰肌劳损、沙眼、视力下降等。因此轻松愉悦的工作过程对测量人员来说显得尤其重要。数字仪器体积小、重量轻，自动读数，大大减轻了观测员的劳动强度，深受作业人员的青睐。

然而，颤抖的公路大桥、黑暗的长距离隧道、强大的磁场区域，数字仪器是无法进行测量的，不管是三原县径河大桥的专门实验观测，还是近年来的实际作业，比如西部测区的长距离隧道、东部测区的跨江大桥观测，都得到了客观的证明。规范规定，使用数字水准仪进行一、二等水准测量时，视距不得小于4m。在山地观测中，会遇到此种情况，因视距太短，数字仪器读数误差会很大或者读不出数据。此时光学仪器就派上了用场，因为它的读数视距可以达到2.2m。这种光、电混合的作业模式在“中国综合地球物理场观测”项目中常常会被用到，而且取得了良好的效果。工程测量中，尤其是我国许多城市的大地水准面精化测量，数字水准仪的优势尤为明显，完善的数据管理系统，可以直接进行人机交换，自动进行符合水准路线的平差计算，同时加入误差改正。而光学仪器得到的只是一组庞大的原始数据，给后续计算工作带来很大的麻烦。然而，在飞机、造船、汽车、钢铁等工业生产中，以及大型汽轮发电机组、数字加速器和大型抛物面天线等设备安装中，需要进行相对位置极高的精密水准测量工作，那么高精度光学精密水准仪将是一款非常适合的选择。

结论。通过以上对比分析，不管是数字水准仪还是光学水准仪，两者各有优劣，在实际运用中有着很强的实用性，二者缺一不可，只是针对不同的方面选择合适的仪器，提高作业效率，产生最大的经济效益才是关键。另外，就经济价值和发展趋势而言，光学仪器造价昂贵，维护困难，正在逐渐被市场所淘汰。而数字仪器因其经济、实惠、智能化，必将得到长足的发展，会以更加方便快捷的方式服务于国家基础建设、国防建设的各个方面。

[1]杨俊志等著.数字水准仪的测量原理及其检定[M].北京：测绘出版社，2005

[2]王明善等著.数字水准仪的原理及误差分析[J].四川测绘。2000

[3]李以赫．数字水准但的性能评违[J].测绘通报．1993

[4]赵瑞，樊钢.数字水准仪与精密光学水准仪测量精度比较[J].测绘科学技术学报，2011，（01）：60-63.

朱艳丽（1982—）女，河南信阳人，信阳市质量技术监督检验测试中，心助理工程师。