Leica DNA03 数字水准仪在国家高等级水准网施测中的应用探讨

朱小韦，刘永义

(郑州测绘学校，河南 郑州 450015)

1 引言

国家测绘基准体系是国民经济建设和社会发展的重要基础。但是，长期以来测绘基础设施遭受了严重损毁，无法满足国家信息化建设对测绘基准的要求。因此需要尽快实施现代测绘基准体系建设来解决目前日益明显的矛盾。

国家测绘地理信息局根据当前测绘基准现状提出了“测绘基准一期工程”项目，旨在通过全面测绘基准基础设施建设满足国家经济建设、社会发展和国防建设的紧迫需要。在以往国家高等级水准网布设过程中，精密光学水准仪发挥了重要作用。而今，数字水准仪以其精度优，工作效率高、可操作性强等诸多优点逐渐走进了人们的视野。本文试图结合工程实际，验证了Leica DNA03 数字水准仪在长距离、高等级水准测量中的稳定性、优越性，旨在为同类工程实际提供参考。

2 Leica DNA03 数字水准仪的工作原理

Leica DNA03 数字水准仪由瑞士徕卡公司生产，测量采用相关法原理。它的标尺一面是伪随机条形码，供电子测量用，另一面为区格式分划，供光学测量用。望远镜照准标尺并调焦后可以将条码清晰地成像在分划板上供目视观测，同时条码像也被分光镜成像在探测器上，供电子读数。如图1 所示，左边是与徕卡数字水准仪配套的水准标尺的伪随机条码，该条码图像已被存储在数字水准仪中作为参考信号。

图1 徕卡标尺条码图

左边伪随机码的下面是望远镜照准伪随机码后截取的伪随机码片段。伪随机码片段成像在探测器上后被探测器转换成电讯号，即为测量信号。该信号在数字水准仪中与事先已存储好的代表水准标尺伪随机码的参考信号进行比较，这就是相关过程，称为相关。将望远镜截取的伪随机码的片段与条码标尺上的伪随机码自下而上进行比较，直到两码相同为止，或说两信号相同为止，即图1 中左边虚线位置时，也就是最佳相关位置时，读数就可以确定［1］。

3 Leica DNA03 数字水准仪的精度检验

利用测绘工程院精密检校场确测定的水准点有3 个(BM1，BM2，BM3)，且3 个点坐标已知(CGCS2000 坐标系)，如图2 所示，各点间高程值为经过球气差等改正后的精确高差值，高程数值已知，为国家85 高程基准。

利用本次任务使用的Leica DNA03 数字水准仪1 台，经过严格检校后，在同一天对3 段水准路线(BM1－ BM2，BM2－ BM3，BM3－ BM1)严格按照《国家一二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)的要求进行了一等水准往返观测及计算，结果如下表1 所示:

图2 已知高程点

表1 一等水准观测计算数据

按照《国家一二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)，可计算每公里偶然中误差M⊿==±0.25 mm，符合一等水准限差要求。

4 Leica DNA03 数字水准仪在福建国家一等水准网施测中的应用

根据国家测绘地理信息局《关于下达国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程设备投资生产计划的通知》要求，由福建省测绘地理信息局承担国家高程控制网611.3 km 一等水准观测任务。

4.1 已有资料利用情况

测区内有2011年、2013年普查补埋的一等水准路线，其水准路线图和水准点之记供水准观测使用。以上成果资料由国家基础地理信息中心提供。

测区交通图、行政区划图以及本项目的选埋网图作为水准观测作业调度使用资料。

4.2 测绘基准

(1)坐标系统:2000 国家大地坐标系。

(2)高程基准:1985 国家高程基准，高程系统为正常高系统。

(3)时间基准:水准测量采用北京时间。

2013年09月—2013年12月福建省测绘院组织4 个作业组，投入4 台Leica DNA03 数字水准仪进行一等水准外业观测，其中因三都验潮站支线和厦门验潮站支线涉及跨海水准Ⅰ梅花支线由于验潮站已破坏，经请示项目部，决定取消这3 条支线的观测任务，实际完成了一等水准路线572.3 km 外业观测工作，测量成果精度如表2、表3 所示:

表2 一等水准测量成果

表3 三沙支线段一等水准闭合差成果

测量结果满足国家一等水准精度要求。

4.3 作业中应注意的问题

4.3.1 光线强弱问题

数字水准仪望远镜需将条码清晰地成像在分划板上供目视观测，同时条码像也被分光镜成像在探测器上，供电子读数。野外作业时，受太阳光、空气状况及瞄准方向等外界因素的影响，条形码尺的尺面反射光和仪器单位时间内接收的光通量是不断变化的。如果采样范围内的亮度不均匀，会使曝光时间失控，测量时间延长，影响测量精度，甚至仪器会提示测量错误。

4.3.2 山区或起伏较大地区观测方法的研究

按照《国家一二等水准测量规范》需考虑大气折光改正，避免观测结果出现明显的系统误差，使测量精度达不到规定的要求。近百年来，学术界对水准测量折光改正问题一直相当重视，研究出很多优秀的改正模型，如库卡梅基、沃伦模型等作的研究［2］。我国学者李延兴也导出了严密的公式。但以上模型应用时都要求前视与后视方向地面坡度基本一致。而蒋利龙推倒出的一种不论前、后视坡度是否一致都能适用的、基于水准视线折光角改正模型［3］。

4.3.3 操作者对精密水准测量成果的影响

国家一等水准限差严格，对观测者调焦、仪器整平水平及立尺者标尺安置质量对测量结果的影响很大。每一站观测时，按《国家一二等水准测量规范》在仪器内进行设置，认真整置仪器，使标尺的像准确地聚集在分划板(光学水准仪)或CCD 传感器上，否则，仪器就停止测量。

5 结语

几何水准是建立国家高程控制网的主要方法。数字水准仪以数据自动存储、测量效率高省时省力等优点，有效地减少了外业测量的投入，提高了观测精度。但是也应该看到，数字水准仪在大规模高等级的水准测量中的实践还比较少。本文通过Leica DNA03 数字水准仪在福建国家一等水准网施测中的应用实践，验证了数字水准仪在大规模高等级水准测量中的实用价值，证明了其精度，具有良好的推广意义。需要注意以下几个问题。

(1)现行《国家一二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)对数字水准仪应用到国家一二等水准测量的规定不够详细，如数字水准仪的标尺鉴定等。

(2)本项目为一等水准复测，重力资料利用原有资料，但对新路线的一等水准观测，重力测量不可少，且高程小的水准点及水准点高差较小的地区，重力点可适当减少，而对高差大的路线、激烈变化处的水准点上一定要测重力［4］。

［1］白鋆，熊指南.条码遮挡对DiNi12 数字水准仪测量结果影响的研究［J］.现代测绘，2015(1):41－43.

［2］梁振英.水准测量的误差传播和精度估计［J］.测绘通报，1982(4):3－9.

［3］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):116－120.

［4］孔祥元，郭际明.控制测量学［M］.武汉:武汉大学出版社，2006.