二等闭合水准路线测量高差闭合差超限的原因分析

钟元华

摘 要：随着测绘技术的不断发展，电子水准仪在工程测量中的应用越来越广泛，极大地提高了测量精度和工作效率。这就要求掌握电子水准仪的原理、性能和使用方法，能完成一定的测量工作任务，成为高技能应用型人才。文章分析和研究了练习二等闭合水准路线测量高差闭合差超限的原因，提出了减小测量误差的方法和措，说明测量成果的精度不仅取决于仪器的性能，而且更主要的是取决于测量的方法和外界条件的影响。

关键词：科力达DL2007电子水准仪；二等闭合水准测量；高差闭合差；超限原因分析

中图分类号：P224.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0088-03

1 电子水准仪的原理和特点

1.1 电子水准仪的原理

电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD）、并采用条码标尺和图像处理电子系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。基本工作原理是当人工照准标尺并调焦后，条码标尺的像经分光镜，一路成像在分划板上，供目视观测；一路成像在探测器上，经光电转换，输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码按一定方式进行比较，即可获得高度读数和水平距离。

1.2 电子水准仪的特点

1.2.1 电子水准仪的共同特点

①自动读数。观测值以数字显示，不存在观测员的判读错误及人为读数误差；②精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量；③速度快。由于省去了读数以及人为出错的重测数量，测量时间与传统水准仪相比可以节省1/3左右；④效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度；⑤自动存储：数据能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。

1.2.2 DL2007电子水准仪的特点和性能

DL2007高精度电子水准仪是国产首台高精度数字水准仪，高程测量精度达到0.7 mm/km，全新设计，密封防尘、操作简便、结构紧凑、外形美观，采用国际顶尖的水准仪补偿模式，关键部件采用进口材料，并带温度补偿，在全温度范围内达到更高的补偿精度。可用于国家二等水准测量及精密沉降观测等应用。其主要性能见表1。

2 二等闭合水准路线测量实例

2.1 二等水准测量仪器设备

根据竞赛要求，二等水准测量需配备以下仪器设备：

①南方DL2007电子水准仪：含木脚架1副、2 m数码标尺1对、2个撑杆及2个尺垫（3 kg）。

②50 m测绳（根据参赛队的要求配发）。

2.2 观测与计算要求

每一条闭合水准路线由3个待求点和1个已知点组成。设A点为已知点，B、C、D为待求点。满足如下要求：

①观测使用赛会规定的仪器设备，测站视线长度、前后视距差及其累计、视线高度和数字水准仪重复测量次数规定见表2。

②按照赛会规定，使用规定的3 kg尺垫，可以不使用撑杆，也可以自带撑杆。

③观测前30 min，应将仪器置于露天阴影下，使仪器与外界温度一致，竞赛前还必须对数字水准仪进行预热测量，预热测量不少于20次。

④竞赛采用手工记录及计算。

⑤连续测站安置水准仪脚架时，应使其中两个脚与水准路线的方向平行，第三只脚轮换置于前进方向的左侧或者右侧。

⑥除路线转弯处，每一测站上仪器与前后视标尺应尽量接近一直线上。

⑦水准路线采用单程观测，每测段测站数为偶数，每测站两次高差，奇数站观测水准尺的顺序为：后-前-前-后；偶数站观测水准尺的顺序为：前-后-后-前。

⑧同一标尺两次读数不设限差，两次读数所测高差之差应满足表1.1规定。

⑨现场完成高程误差配赋计算，不允许使用编程计算器。

⑩水准路线闭合差应满足表1.1的限差要求。

{11}高程误差配赋计算，高差取位到0.00001 m，高程取位到0.001 m。

2.3 第一测段A-B第一测站的观测步骤

①安置水准仪。在后视点A上竖立带尺撑的条码水准尺，在第一测段的第一个转点上放好尺垫，然后将带尺撑的条码水准尺竖立，使两个水准尺上的气泡居中。将三脚架在这两个水准点连线的中点处打开，调整架头高度，并目估架头水平，然后打开仪器箱，从箱中取出南方DL2007电子水准仪并安置到三脚架头上，旋紧脚架上的中心连接螺旋。

②整平仪器。旋转三个角螺旋将圆水准器的气泡调整居中。先将圆水准器放在适当位置，然后双手同时向内或向外旋转角螺旋，使气泡向中间移动，气泡移动方向和左手大拇指移动方向相同；然后再旋转第三个角螺旋使气泡居中。这项工作要反复进行，直至仪器旋转到任何方向气泡都居中为止。

③照准与调焦。首先利用粗瞄器将望远镜照准后视点A处标尺，慢慢旋转目镜使十字丝影像最为清晰，再旋转调焦手轮使标尺的影像最为清晰，转动水平微动螺旋使标尺的像在十字丝竖丝的中心，同时注意消除视差。

④开机。

⑤设置。设置键用来对仪器的参数进行设置，如测量模式选择N次测量，最小读数为精密0.1 mm，数据单位为米，数据输出为内存等。

⑥测量标尺读数和距离。选择标准测量模式的标准测量，按MEAS键进行测量，当屏幕上显示标尺均值和视距均值时，把数据记录到记录表中。根据奇数站后前前后的观测顺序，依次把数据记录到表格中。

⑦计算一测站高差。根据水准测量原理，计算两次高差，若其差值≤0.6 mm，则取其平均值作为这一测站高差；此时仪器搬站，进行下一站测量；若其差值>0.6 mm，则重新安置仪器测量。

2.4 第一测段A-B数据记录表

二等水准外业观测手簿见表3。

2.5 闭合水准路线A-B-C-D-A测量数据分析

二等水准测量路线计算表见表4。

3 二等闭合水准路线高差闭合差超限原因分析

从表4可以看出，即使每测站观测成果有效，但整条闭合路线测量结果显示高差闭合差还是超限了。在平时的大量练习中，也经常出现这样的情况。究其原因，影响数字精密水准测量的因素很多，主要误差有：仪器误差、操作者误差；客观环境误差。另外，还有正确使用、保养和检查数字水准仪对水准测量的影响。

3.1 仪器误差

3.1.1 水准仪的精度对精密水准测量成果的影响

水准仪仪器的观测精度，主要是由仪器的误差而引起的每公里水准测量往返测中数的中误差，表示仪器在测量中所能达到的精度。现有的数字水准仪的性能已非常优良，能满足精密水准测量的精度要求。

因此，在观测前，只要对数字水准仪进行严格的检校，如仪器的补偿性能、仪器分辨率、电子i角等，掌握仪器的工作状态；在观测过程中，测量作业、操作仪器严格按照《规范》要求，比如对视距的选择、在照准同一测站前、后视尺时尽量避免调焦、每一测站的后、前视距离之差和每一测段的后、前视距离之累计差规定一个限值、在阳光下观测必须用伞遮住仪器等，就可以减弱或消除水准仪的精度对精密水准测量成果的影响。

3.1.2 铟瓦水准标尺对精密水准测量成果的影响

为消除铟瓦水准标尺对水准测量成果的系统误差，作业前，必须对水准标尺进行严格的检定。

国外研究结果表明，不恰当的检定方法可能获得错误的改正数，会带来巨大的系差，因此国内目前需建立适合国情的铟瓦水准标尺检定装置。而对于两水准标尺零点差的影响可在实际水准测量作业过程中予以抵消，如将测段测站数安排成偶数站，且在相邻测站上使两水准标尺轮流作为前视尺和后视尺等。

3.2 观测误差

操作者对精密水准测量成果的影响主要表现在观测者的置平质量、调焦质量及立尺者标尺安置质量对测量的影响。

3.2.1 整平仪器误差

在整平过程中，要遵循左手拇指规则：“左手拇指旋转脚螺旋的运动方向，就是气泡移动的方向”，不可盲目转动脚螺旋。另外要注意仪器转到任何方向，气泡都要居中，这样才能提高测量结果的准确性。

3.2.2 调焦误差

对于调焦质量，数字水准仪也要求十字丝影像清晰、标尺的像准确地聚集在CCD传感器上，才能准确的反映测量值，否则，调焦质量不高、成像不清晰，数字水准仪自动测量的数值也是不准确的。观测者保证每站的仪器调焦质量，才可获得最佳的测量精度。

3.2.3 水准尺倾斜误差

在水中测量读数时，若水准尺在视线方向前后倾斜，会造成水准尺读数总会偏大，所以立尺者要确保尺上的圆水准气泡居中或配套使用厂家提供的可调节升降尺撑，提高扶尺质量，保证测量结果的准确性。

当条形码标尺上位于视线上下一定范围内的尺面被遮挡后，CCD传感器将因采样数据不足而产生不够精确的结果或无法产生结果。所以在观测过程中，应尽量避免标尺被遮挡现象。

3.3 外界环境的影响

3.3.1 光照及风力对水准测量成果的影响

野外作业时，光照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系改变，对于采样范围内的亮度不均匀的条形码群体，会使曝光时间失控，单次测量时间延长，影响测量精度，严重时会使测量中断。风大时会使仪器抖动、不易整平等都会引起误差。所以要选择好的天气测量，另外，给仪器打伞遮光等都是消除和减弱其影响的好办法。

3.3.2 振动对水准测量成果的影响

数字水准仪属于自动整平水准仪，由于交通、机械、气流等产生的振动，影响补偿器致使视准轴线不稳定和标尺不稳定。数字水准仪对各种震动特别是地面震动非常敏感，当震动引起的振幅较大时仪器单次采样时间就会大大增加，单站读数误差增大从而降低测量精度。水准路线常是在交通繁忙公路上进行，受车辆通过或空气抖动等强烈振动影响较大，致使这些测段误差大。因此，在作业过程中，除要选择稳定的地方设站和立尺外，还需给出仪器、立尺稳定时间，以减弱补偿器振动和空气抖动的影响。

3.3.3 大气折光对水准测量成果的影响

精密路线测量时，大气折光对测量精度的影响也是十分明显的。一般视线离地面越近，光线的折射也就越大。观测时应根据二等水准测量技术要求对视线高度的规定，以减小大气折光的影响。

4 结 语

数字水准仪优点显著，对标尺分划的自动测量技术，防止了人为读数和传递误差，测量过程简捷迅速、测量数据准确可靠，节省人力，大大提高了工作效率。但对于精密水准测量来说。测量成果的精度不仅取决仪器的性能，而且更主要的是取决于测量的方法和外界条件的影响。只有熟悉仪器的操作方法，在操作过程中认真、仔细，严格执行二等水准测量技术要求和测量规范中的规定，并尽可能减小外界条件的影响，才会使二等闭合水准路线高差闭合差限制在要求范围内，获得有效的数据，提高测量精度。

参考文献：

[1] 潘正风.数字测图原理与方法（第二版）[M].武汉：武汉大学出版社，2013.

[2] GB/T12897—2006，国家一、二等水准测量规范[S].

[3] 林君强.数字水准仪在二等水准测量应用的探讨[J].闽西职业技术学院学报，2010，（2）.