电子水准仪在工程建设中的应用

林金标

（福建省地质测绘院，福建 福州 350011）

0 引言

在大地测量、工程测量、水文测量中，水准测量因测量精度高而被广泛应用，水准仪测量是高程测量中普遍采用的一种测量方法。为满足工程建设需要，水准仪测量需采用统一的高程基准面（1985国家高程基准），采用电子水准仪以三等水准精度与国家高等级水准点进行联测，具有测量精度高、使用简便、效率高等优点，在工程建设中发挥着举足轻重的作用，并逐步替代普通光学水准仪在工程建设中的应用。在本研究的工程建设案例中，三等水准联测路线长度为6.85 km，往返测高差不符值的最大值为+9.1 mm，每千米水准测量偶然中误差为±2.6 mm，测量精度均满足规范的要求，从而验证了电子水准仪在工程建设中的实用性、可行性。

1 电子水准仪工作原理

电子水准仪（也称数字水准仪）是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，一般是由水准器、基座、望远镜、数据处理系统组成，人工照准标尺后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码被成像在光电传感器上，供电子水准仪自动读数，真正实现数据测量、数据记录、数据计算、数据显示和存储的自动化，具有使用简便、效率高等优点［1］。电子水准仪是利用近代电子工程学原理，使用光电传感器识别条形码分划，将光图像信息转换成电影像信号，信息处理后就可得到测量观测值，并以电子形式在仪器显示窗口上显示或直接存储在处理器内，电子水准仪带有自动安平补偿器，与其配套的水准标尺为条纹编码尺（玻璃纤维塑料标尺）。水准标尺为双面分划，其分划形式为条纹码和厘米分划。在电子水准仪观测时，电子扫描会用到条纹码，标尺另一面的厘米分划可供光学水准仪观测时使用。采用电子水准仪测量可实现自动化水准测量，改变普通光学水准仪在外业测量依靠人工进行读数和记录的测量模式，将信息和外业测量数据自动存储在模块中，内业通过阅读器来读取信息和外业测量数据，能与计算机进行数据传输。

1.1 数据结构

REC模块存储信息单元分为两类，一类是测量模块类型的信息单元，另一类是信息模块类型的信息单元。测量模块的信息单元用来存储外业测量的观测数据和测量点数，信息模块的信息单元存储其他数据和观测手段信息。电子水准仪的数据式为GSI数据格式，野外作业观测数据按观测顺序以一行的形式进行记录，通常2～6个数据段组成一行，16个字符为一个数据段的长度，数据段最后一个字符为空格。

1.2 存储格式

电子水准仪测量模块中一般由2～6个数据段组成一个数据行，第一个数据行的每一个数据段开始保存观测数据和测量点数，第二个数据行的每一个数据段开始保存其他数据和观测手段信息，但数据行是由不同的测量程序、测量方法、测量内容设置不一致的数据段组合形式，没有统一的数据段格式。

1.3 数据传输

数据传输是将电子水准仪中的观测数据与计算机设备间的传输过程，以美国标准信息转换码（ASCII码）作为数据传输码进行数据传输，传输方式有串行和并行两种，REC模块数据是采用串行传输方式，利用GIF10阅读器和计算机设备进行各种数据传输。在模块数据开始传输前，先将GIF10阅读器与计算机串行口用传输线进行连接，同时还应设置各种通信参数。当GIF10阅读器和计算机都设置好传输参数，且传输参数一致时，才能进行数据传输。计算机及GIF10阅读器的传输参数的设置方法不同，计算机的传输参数可通过传输程序进行设置，而GIF10阅读器是通过COM功能来设置，其设置的传输参数主要有连接口、波特率、奇偶性检查、协议、结束符、停止位。

2 电子水准仪测量的优点

2.1 测量速度快

电子水准仪测量不用上下丝及中丝目测读数、不需要纸质记录，可以实时计算，其测量时间与传统仪器测量相比，能节省1/3以上，不仅测量速度快，还省去了报数、听记、计算等环节。

2.2 测量精度高

直接采用大量条码分划图像经处理后，取多次平均值，得到视线高和视距读数，不用人工目测读数，从而减少人为读数误差，能有效削弱标尺分划误差。电子水准仪采用多次读数取其平均值作为测站观测结果，这样就能减弱由多种不良的外界因素引起的误差，从而获得高精度的水准测量成果［2］。

2.3 测量效率高

电子水准仪对随机码标尺能快速照准标尺及自动调焦，具备自动读数的功能，消除了对标尺调焦的影响，且能自动记录观测数据，并对视距进行检核，方便数据内业的计算机处理，真正实现了外业数据观测保存、内业数据传输处理的一体化，降低劳动强度，从而提高测量效率。

3 案例分析

为了满足某安置区工程建设要求，采用统一的国家高程基准面，要与国家高等级水准点进行水准联测。该项目工程位于莆田市秀屿区，拟建6座安置房，地面17层，地下2层。

3.1 选定水准联测路线

从国家二等水准点141联测到某安置区水准点E1，水准联测路线约为6.8 km，采用三等水准支线进行往返测量。全段水准测量路线分为3个测段，在沿线公路旁设立普通水准测量标志2座（BM1、BM2），选在土质坚实、安全僻静、设站观测方便的地方。某安置区三等水准联测路线图见图1。

图1 某安置区三等水准联测路线图

3.2 仪器设备概况

三等水准测量使用的仪器设备有DS1级自动安平电子水准仪（1台）、三脚架（1副）、条码式因瓦标尺（1对）、重量3 kg尺垫（2个）、对讲机（3个）。所使用的仪器设备均为仪器检定部门检定合格的产品，且在有效期内。外业测量小组要配备技术人员5名、警示背心5件、车辆1部，其中1名司机驾车往返接送技术人员，这样能有效缩短测量时间，提高测量效率。

3.3 技术规范要求

3.3.1 高程基准。采用1985国家高程基准。

3.3.2 由于仪器i角受环境温度影响易发生变化，每天在开始测量前，要对电子水准仪进行i角值测定，i角值均应小于20” 。使用前30 min，电子水准仪应充分晾置，使电子水准仪自身温度与外界气温基本一致，且对电子水准仪预热应不少于25次单次测量，要避免电子水准仪在初始阶段进行观测，从而影响水准测量精度。根据《国家三、四等水准测量规范》（GB/T 12898—2009）中的规定，采用三等水准支线往返测量，能消除水准尺零点差所造成的影响，每一测段往测与返测应为偶数站，观测顺序为后-前-前-后（奇数站）、前-后-后-前（偶数站）。高程和观测记录到内存的数据取位至0.000 1 m。

3.4 主要技术指标

根据《国家三、四等水准测量规范》（GB/T 12898—2009）和《工程测量规范》（GB 50026—2007）中的要求，采用三等水准支线进行往返测量作业。三等水准测量的主要技术指标见表1。

表1 三等水准测量主要技术指标

3.5 测量结果

在三等水准支线往返测量过程中，理论上往测与返测所测得的高差的绝对值应相等，但在实际测量过程中往往会出现误差，产生高差不符值。为了统计测量精度，按测量规范中的规定，应对水准联测路线的精度进行往返测高差不符值及每千米水准测量偶然中误差的计算［3］。三等水准测量结果见表2。

表2 三等水准测量结果

其中，Δh限差为往返测高差不符值的限差，mm；h为经改正后的测段高差，m；H为经改正后的水准高程，m。

3.5.1 测段往返测高差不符值Δh（最大）的计算公式见式（1）。

式中：∑ha、∑hb为各测段的往测高差之和、返测高差之和，mm。

测段往返测高差不符值（最大）限差Δh限差的计算公式见式（2）。

由表2可知，该水准路线往返测高差不符值Δh的绝对值的最大值为+9.1 mm，满足往返测高差不符值限差Δh限差=±16.6 mm的精度要求。

3.5.2 每千米水准测量偶然中误差ΔM的计算公式见式（3）。

式中：n为测段数；Δh为测段往测、返测高差不符值，mm；ΔM为每千米水准测量偶然中误差，mm。

由表2中的数据计算可得，偶然中误差ΔM为±2.6 mm，满足每千米水准测量偶然中误差限差ΔM限差=±3.0 mm的精度要求。

实践结果表明，电子水准仪在工程建设中，水准测量各项精度均小于限差允许值，满足相关规范规定的要求，具有实用性、可行性。

4 误差影响因素分析

由表2可知，在使用电子水准仪测量时，由于受到外界环境等不利因素的影响，测量成果不可避免地存在一定的误差。为了确保测量成果能满足规范规定的精度要求，要对产生误差的来源进行分析，才能采取有效手段，尽可能地消除或减小测量误差。

4.1 大气折光引起的误差

由于大气具有折光作用，视线并非水平的，而是一条曲线，其折光量的大小会对水准标尺读数产生直接影响，大气折光主要是由空气密度不均所造成的。太阳出来后，地面温度比空气低，空气密度下大上小，视线往上弯曲。太阳下山后，地面温度比空气高，空气密度上大下小，视线往下弯曲，视线离地面越近，折射也越大，一般规定视线应高于地面0.3 m以上，这是为了减小大气折光产生的影响。观测时应尽可能使前后视距相等，这样能消除或大大减弱气折光所引起的误差。在地面坡度较大时进行水准测量，当前视或后视一端视线离地面不足0.3 m时，视线容易出现向上弯曲情况，使标尺读数增大，要减小地面坡度较大所引起的误差，只能采取缩短视线长度、增加视线高度、选择有利观测时间等手段来解决［4］。

4.2 外界振动引起的误差

水准路线一般沿公路上布设，但在交通、机械、风力等的作用下，会加剧空气流动，增强地面震动强度，造成标尺条码成像在水准仪视场中上下跳动，导致视准线不稳定，从而产生误差。因此，在周围环境恶劣时，如明显的机械振动、载重运输车通过、风力过大等情况，应暂停测量。设站立尺应选在土质坚硬、稳定的地方，观测应选择最有利的观测时间，晴天测量应在日出后1 h起至上午10：30前止、下午2：00起至日落前0.5 h，阴天只要成像清晰、稳定即可进行观测，通过选择有利的观测时间来削弱空气流动和地面震动对测量结果的影响，从而提高测量精度。

5 结语

综上所述，使用传统光学水准仪进行水准测量时要频繁对仪器进行操作，而电子水准仪操作更加智能化，能提高工作效率，精度也能满足规范要求。水准测量成果的精确与否，将直接影响到工程建设的质量。因此，熟练掌握测量先进技术，才能全面掌握引起误差的来源，以便在测量过程中采取有效措施，降低测量误差，做到精益求精，保证测量精度，更好地服务工程建设。