数字水准仪在沉降观测中的应用

2019-12-19徐自平

山西建筑 2019年22期

徐自平

(太原富力城房地产开发有限公司，山西太原 030009)

1 概述

自1990年徕卡公司第一台数字水准仪问世，徕卡和蔡司等公司相继成功地将数字水准仪推向市场，实现了水准标尺的精密照准、标尺分化读数和视距的读取、数据储存和处理等数据采集的自动化，从而减轻了水准测量的劳动强度和减少了人为因素的误差，提高了测量速度和成果质量。在北京地铁10号线施工涉及市政桥梁的变形监测工程中使用DINI12型数字水准仪进行了沉降观测，经过实践使用，发现该仪器和传统光学仪器在操作上存在着一定的差别，并结合相关测量规范总结出了一些应用经验。

2 DINI12数字水准仪简介

蔡司的DINI12光学系统采用了光学自动安平水准仪的基本形式，具有典型的交叉吊带补偿器，也可以像光学水准仪一样使用。标尺采用条码分划，代替人们眼睛的是光电二级管阵列。在水准测量中，条码的像通过一个分光器，将光线分为两束：一束转射到CCD传感器光电二级管阵列上，另一束转射到观测镜上。信号的分析采用了相关的方法：将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较，并经过数字图象处理可获得条码中丝读数。

蔡司公司的DINI12，采用了2 m或3 m铟钢条码尺，厂方的标称精度往返测量标准偏差为0.3 mm/km，与传统光学水准仪相比，该仪器具有以下特点：

1)读数客观。不存在误读、误记问题，无人为读数误差。

2)读数精度高。中丝读数和视距读数都是采用大量条码分划图象处理后取平均值，因此减小了标尺分划误差和外界条件的影响。

3)测量速度快。由于省去了报数、听、记、现场计算以及人为出错引起的重测等，测量时间缩短。

4)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。

5)操作简单。仪器实现了读数和记录的自动化，并预存了大量测量和检核程序，在操作中还有适时的提示，使得测量人员可以很快掌握使用方法。

6)自动改正测量误差。仪器可以对条码尺的分划误差、CCD传感器的畸变、数字i角、大气折光等系统误差进行修正。

3 仪器检验与校正

精密水准仪的检验内容有很多项，根据仪器性能和对水准测量的影响程度大小，外业使用过程中应重点对补偿器剩余误差、数字i角等进行检验和校正。

3.1 补偿器剩余误差Δa的检验

补偿器剩余误差是指在补偿器正常工作后仍然不能完全补偿产生的差量。由于该仪器产品说明书中Δa≪0.2″，而规范中明确规定用于一等水准测量的仪器必须满足Δa≪0.1″，所以应对仪器的补偿器剩余误差进行检验。

1)在平坦的场地上量取距离D(一般取40 m～50 m)，在其两端A,B打下带有圆帽钉的木桩作竖立条码尺之用，在A,B两点中间设置仪器，仪器的两个脚螺旋的连线应尽量与AB垂直。

2)精细的整平仪器，测定A,B两点的高差h作为比较的依据。

3)使用螺旋旋转使仪器向前、后、左、右四个方向倾斜分别测定A,B两点的高差h′。

4)Δh=h-h′,补偿误差Δa=Δh×p/D×a(a为倾斜角)。

5)经计算，前、后、左、右四个方向的Δa均≪0.1″，满足规范要求。

3.2 i角误差检验与校正

绝对水平视准线是水准测量的基准。仪器的水准管轴与视准轴在竖直面上的投影不平行而相交成i角，i角误差直接影响着水准测量的精度。DINI12数字水准仪具有与光学水准仪相同的光学机械结构，而读数是根据CCD传感器获得的标尺条码图象与仪器计算机存储的标准码(信号)按一定的方法进行处理获得的电子读数。根据数字水准仪的结构原理，仪器具有光学i角和数字i角，其中数字i角易受环境温度变化的影响，特别是在仪器经过长途运输和温度变化较大的情况下，应经常检查校正仪器的数字i角。光学i角的检定和校正方法与传统的自动安平水准仪完全一样，在此不再赘述。DIN112数字水准仪配置了4种不同的数字i角检验校正程序，其中Fostner法如图1所示。

在相距45 m处设两根标尺A,B，将距离分成三等份，在其连线上相距15 m处设两个仪器测站1,2。然后在两测站上分别对A,B标尺读数，如图1所示,则在测站1,2上得到A,B点的正确高差分别为：

h1′=a1′-b1′=(a1-Δ)-(b1-2Δ)=a1-b1+Δ。

h2′=a2′-b2′=(a2-2Δ)-(b2-Δ)=a2-b2-Δ。

如不考虑其他误差的影响，则所得高差h1′与h2′应该相等，可得：

2Δ=(a2-b2)-(a1-b1)。

其中，(a2-b2)和(a1-b1)分别是仪器存在i角时测的A,B两点间高差，以h1,h2表示，则上式简化为：

Δ=(h2-h1)/2。

由图1可知：

Δ=S×(i″/ρ″),则:

i″=ρ×[(a2-b2)-(a1-b1)]/2s。

校正程序结束后仪器会存储该种方法测得的i角值，并通过内置程序对电子读数进行修正，校正结束后仍按该种方法采用人工记录测量仪器的数字i角，并采用相应的计算公式求得数字i角剩余值。如果i角剩余值超过了规范要求的限差，则需重新启动仪器的i角校正程序进行数字i角的测量并存储，然后再测量其剩余值，重复该过程直到数字i角剩余值满足规范要求为止。

4 观测限差设置

根据《建筑变形测量规范》，若沉降观测的技术精度等级为一等，水准路线均布设成闭合环线,由于数字水准仪使用有别于传统光学精密水准仪，水准观测各项限差可参照如下设置。

4.1 基辅分划读数之差不大于0.3 mm

由于该项技术要求是针对传统光学仪器和所配套的铟瓦尺，而数字水准仪的条码尺并无基辅之分，但仪器具有设置多次读数重复测量的中误差限差的功能。

设两次读数分别为a1,a2,则根据拜塞公式计算观测值中误差m：

当a1,a2两次读数之差不大于0.3 mm则:

-0.21 mm≤m≤0.21 mm。

可设置仪器读数中误差绝对值限差为0.21 mm。

4.2 基辅分划(红黑面)所测高差之差不大于0.5 mm

仪器具有后前、后前前后等8种水准测量模式，可选择奇数站为后前前后，偶数站为前后后前的交替观测顺序的模式，可直接设置每一测站所测高差较差限值为±0.5 mm。

4.3 视线长度不大于30 m

可设置仪器视线长度限差为30 m。

4.4 前后视距差不大于0.7 mm

前后视距差Δd，按下式关系确定：

Δd≤δdρ/i。

δd=mo/λ(取λ=3)。

Δd≤moρ/iλ。

其中，i为视准轴与水准管轴间的夹角,(″)；mo为观测点测站高差中误差；δd为要求对测站高差中误差m的影响小到在P=0.950下可忽略不计的那个由于d而产生的高差误差，mm。

将一等沉降观测规定的mo与i值(mo≤0.15 mm，i=15″)代入式中，得：

Δd≤0.7 mm。

4.5 前后视距累积差不大于1.0 m

从水准测段或环线一般只有几百米的长度考虑，取前后视距累积差为前后视距差的1.5倍：

1.5×0.7=1.05 m，取不大于1.0 m。

4.6 视线高度不小于0.5 m

由于大气垂直折光的影响，规范要求仪器视线必须离地面有一定的高度，根据DINI12数字水准仪的测量原理，当仪器视准轴位于标尺的顶部或底部附近时，CCD传感器仅能够接收到条码尺的部分图象，可能会导致测量结果出现系统误差。使用应避免视线位于标尺顶部或底部的情况，仪器具有设置该向限差功能，可将中丝读数范围设置在0.3 m～1.8 m之间(相对于2 m条码尺而言)。