浅谈数字水准仪在水文测量中的应用

陈 卓

（陕西省安康水文水资源勘测局,陕西 安康 725000）

水准仪是水文勘测工作中常用的仪器，在水准点引测、互校、水尺零点高程和大断面的测量三、四等水准测量中都会应用。传统的微倾式水准仪和自动安平水准仪都属于光学水准仪。数字水准仪是20 世纪90 年代出现的新型水准测量仪器，解决了水准仪数字化读数的难题，标注着水准测量由精密光学仪器到光学数字化测量仪器一体化的过度。近年来，数字水准仪也在水文测量中得到了应用，数字水准仪相比光学水准仪，有自己独特的优势和特点，在操作时更加智能化，省时间，省力，工作效率更高等特点。

1 数字水准仪基本原理

数字水准仪以自动安平为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD)，采用条形编码标尺和电子影像处理原理，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，实现水准测量的自动化、数字化、一体化。

2 功能及特点

1）测量精度高。国产的瑞德DL-201/2007 数字水准仪采用相位法读取高程信息，标尺的条码象经望远镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后，分成两路，一路成象在CCD 线阵上，用于进行光电转换，另一路成象在分划板上，供目视观测。以DL-201/2007 和普通光学水准仪进行比较，见表1。

表1 数字水准仪和光学水准仪技术参数比较

2）测量速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3 左右。

3）测量效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化。

4）测量模式多。仪器内部软件自带多种线路水准测量方式，支持的测量模式有：BF、BFFB、BBFF、BFBF、aBF、aBFFB、aFBBF，支持高程放样、高差放样、视距放样等多种功能，并保存测量结果，无需担心数据丢失。

3 数字水准仪在水文测量中的应用

在应用实习时选择地形具有代表性的某水文站采用数字水准仪三等测量，选择水文站已有的两个已知水准点，基3 和BM3，采用附合往返测水准路线。目的在于检验仪器在使用过程中操作是否方便，精度是否达标。由于仪器是DS3 级标准，可设置仪器显示单位值为标准值1 mm 和精密值0.1 mm，使用铝合金条码标尺，按照水文测量规范（SL58-2014）标准，设置平均测量次数为3 次。

图1 某水文站水准三等测量路线图

3.1 准备工作

设备：瑞德数字水准仪1 台、条形码标尺2 根、尺垫2 个。

人员：3 人，1 人操作水准仪，2 人扶尺。

基面：国家85 基准。

3.2 操作步骤

3.2.1 测量过程

①新建文件夹

一个文件夹代表着这次测量任务所有作业保存的地方，在每次开始测量前必须新建文件夹。一般以日期和地名简称命名，如：0920AK，代表着9 月20 日安康站。

②新建作业

一个作业代表着一个测量项目或是一个测段，命名时要区分清楚，一次往返测闭合是由一个往测和一个返测作业组成的。

返回主菜单进入线路测量模式，在新建的文件夹内，选择三等（BFFB）或四等（BBFF）水准作业，输入作业名：31（代表三等往测）、32（代表三等返测）、4P1（代表基本水尺往测）、4P2（代表基本水尺返测），作业名不能重复使用。

输入后视点名、后视高程后开始测量。

③注意事项

测量前，按界面SET 键，首先设置N 数，N 为每测一次仪器发射到标尺返回的读数信号，国家水准测量规范要求，三等N 为3 次，四等N 为2 次；其次设置前后视距限差，累计视距限差，标尺高度限差，在测量过程中，如果超出该范围，仪器会自动提示；最后设置最小读数，《水文测量规范》规定采用数字水准仪，平均高差均值计算取至0.1 mm。设置好一次后，仪器默认保存。

三等测量过程中，对准标尺后，应先按DIST 键快速的测出前后视距，调整标尺位置。

三等测量的顺序为：BK1→FR1→FR2→BK2（后前前后）

四等测量的顺序为：BK1→BK2→FR1→FR2（后后前前）

四等测量水尺时，在BK2 之后点IN/SO 键，插入间视，输入水尺编号。测量完毕后，注意点击REC 键保存。每次测完后显示单次结果：标尺均值、视距均值、N、δ（为3 次测量的标准偏差，不宜超过1 mm。）

三等、四等单程（偶数站）结束后，点MENU 键，选择水准点闭合或是过渡点闭合，输点名后显示测量结果，结束点号、结束点高程（需记录）、总视距、高差中数之和，往测结束。返回主菜单，重新进入线路测量模式，新建作业32 或4P2（代表返测），调整仪器高，输入往测结束点名、高程后开始返测，闭合后同样操作。（中途关机，重新打开仪器，继续线路测量，只要后视点未动，可从当站的BK1 重新开始。）如测量错误，点REP 键，返回上一步测量。

④二等测量

电子水准仪在水准点引测作业时可以使用往返测（ABFFB）模式，该模式为二等测量，符合规范要求引测水准点的标准。视距，标尺限差设置，观测顺序为奇数站后前前后，偶数站前后后前，测量成果精度达到规范要求。

表2 二等水准测量技术要求

在观测过程中，首先调整目镜旋钮，使视线内十字丝最清晰，然后调整调焦螺旋使标尺条码为最清晰并使十字丝的竖丝对准条码的中间，精密的调焦可缩短测量时间和提高测量精度，当进行高精度测量时要求精确的调焦，同时多次测量。

3.2.2 成果导出

测量结束后，通过读卡器将SD 卡内的原始数据导入到计算机。文件夹下的各项作业都是以“.L”为后缀名储存的。使用瑞德公司开发的数字水准仪下载处理软件打开文件夹下的作业名导出为正式的成果表。

表3 三等水准测量往返测记载表

表4 水准点互校成果表

表5 2017 年各站水准点校核成果表

上述成果表明，数字水准仪在水文测量中，精度满足规范要求，可以达到使用标准。

4 数字水准仪误差

1）仪器内部机械误差

数字水准仪仪器结构上和光学水准仪基本一致，而光学水准仪仪器内部零部件的误差来源也是数字水准仪的误差来源。如调焦透镜，圆水准器的误差。

2）自动补偿装置误差

数字水准仪与自动安平水准仪补偿原理一样，由重力摆和阻尼器构成，因此补偿误差包括补偿器安平误差、剩余补偿误差等。

3）电子设备误差

由于仪器内部电子元件在温度、湿度的影响下会影响其精度，条码尺表面受到污损后不平整，也会引起读数误差。

5 结论

（1）数字水准仪在使用过程中应避免正对太阳光，有树叶等其他障碍物遮挡时，遮挡范围不宜超过20%，若作业地面震动，应暂停观测，以免带来误差。

（2）数字水准仪专用条形码尺应保护完好，尺面整洁无污渍遮挡尺码。

（3）现有的数字水准仪成果导出软件还没有达到水文资料整编的要求，仍需人工整理成果，后续还需开发出对应的软件方便原始数据更快捷的转化为水文测量成果。