Topcon DL-501电子水准仪在高程控制测量中的应用

马尚男，常春超，李瑶

（1.松辽委水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江 齐齐哈尔 161000；2.松辽委水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河 164300；3.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

1 测区概况

尼尔基水利枢纽位于嫩江干流，坝址位于内蒙古自治区呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗境内，是一座以防洪、城镇生活和工农业供水为主，结合发电，兼顾改善下游航运和水生态环境，并为松辽流域水资源的优化配置创造条件的大型控制性工程。水库集水面积为6.64 万km2，占嫩江流域面积的22.4%，总库容为86.10 亿m3，总装机为25 万kW，多年平均发电量为6.387 亿kW·h。

尼尔基水利枢纽库区周边为丘陵地貌，坝址以上河道变窄，两岸多为灌木丛和滩地，河宽在80.0～350.0 m，河流平均比降在3.0%以上；自坝址以下，河流进入平原地带，河道平缓、宽阔，高水漫滩达10.000 km 以上，库区内有2 条主要支流汇入。

测区平均气温自上游向下游、自山区向平原递增，年内及年际气温变化较大。尼尔基站多年平均气温为1.5 ℃，极端最高气温为39.5 ℃，极端最低气温为-40.4 ℃；嫩江站多年平均气温为-0.5 ℃，极端最高气温为38.1 ℃，极端最低气温为-47.3 ℃。

测区环境相对恶劣，周边地势起伏明显、坡地多，消耗单站测量时间长，测量工作难度大；水准路线需要沿省道、县道布设，车辆（尤其是采砂、采石大货车）穿梭来往多，对测量人员人身安全构成很大威胁。

因尼尔基水利枢纽库区新建水位站水准点高程尚未测定，导致库尾水位无法观测，不能及时准确掌握库区内水位变化规律，这对尼尔基水库库容及对应各类指标产生很大影响，因此，测定库区水位站水准点高程工作非常重要。此次采用Topcon DL-501电子水准仪进行二等水准测量，水准路线长度约为11.000 km，采用基面为1985国家高程基准。

2 电子水准仪简介

电子水准仪即数字水准仪，它在传统光学水准仪基础上，把电子信息技术、计算机技术、图像处理技术融入到一起，是可进行几何水准测量的现代化测量仪器[1]。主要特点：1）读数准确，避免了人为误读、误记对测量成果造成的影响；2）测量精度高，标尺和视距读数均采用条码分划影像计算平均值得出，电子水准仪可设置多次读数取平均值；3）测量速度快、效率高，只需瞄准调焦和按键就可以自动读取计算，减少了人力、物力投入，实现了自动化测量，测量效率较传统光学水准仪得到很大提高；4）测量数据将自动存储至仪器内存或外置内存中，不需要纸质记录或其他媒介。

DL-501 电子水准仪的技术参数：高程测量精度为0.20 mm（电子读数）、1.00 mm（光学读数）；距离的测量精度（电子读数），距离在10.00 m 以内的取小于10.00 mm，距离为10.0～50.0 m 的取小于0.1%D（D为测量距离），距离为50.0～100.0 m 的取小于0.2%D；测量高程范围为0.037 5～1.930 5 m（使用BIS20 标尺），距离测量范围为1.6～100.0 m（电子读数）；望远镜的放大倍率为32 倍，分辨率为3″，视场角为1°20′（2.3 m/100.0 m），视距加常数为0；自动补偿器采用磁阻尼摆式补偿器，补偿范围为12′，补偿精度为0.3″；数据内存可存储1 000点测量数据，外部可接存储SD 卡或USB 盘；圆水准器灵敏度为8′/2.00 mm；工作温度为-20.0～50.0 ℃；水平度盘最小刻度值为1；水准标尺为铟钢尺，测量范围为37.50～2 972.50 mm。

3 水准测量操作规程

3.1 准备工作

在开始水准测量之前，要全面做好测量工具的准备和外业测量人员的配置。外业测量工具主要包括Topcon DL-501 电子水准仪1 台、备用电池1 个、三脚架1 支、电子水准仪专用尺垫2 个、RAB 条码尺1 对、皮尺1 卷、反光警示背心若干。人员配置方案是4 人1 组，2 人扶尺，1 人观测，1 人量距。

3.2 仪器测量参数的设置

测量前，需对DL-501电子水准仪进行设置：起始点高程设置为220.0 m（以实际高程为准），起始点名称设为NF2（以国家点实际名称为准或自命名），测量等级为二等，设置往返测次，每个读数的次数设置为精测3 次，观测顺序设置为aBFFB 代码，表示后前前后，高程及距离显示位数分别设置为0.01 mm，0.1 m，视距长和视线高上限值分别设置为50.0和2.5 m，前后视距差和视距累计差限值均设置为1.0 m。

3.3 水准测量基本技术要求

不同测量等级的水准测量高差的基本精度指标一般以每千米高差中数偶然中误差M△与每千米高差中数全中误差MW进行衡量。二等水准测量的基本技术要求[2]：M△为±1.00 mm，MW为±2.00 mm；测段、区段、路线往返测高差不符值为4k（k为测段、区段或路线长度，km）；附合路线闭合差为4L（L为附合路线长度，km）；环闭合差为4F（F为环线长度，km）；检测已测测段高差之差为6R（R为检测测段长度，km）。

3.4 外业测量

电子水准仪二等水准测量的操作步骤：先在测站架设好仪器，保持三脚架及仪器稳固，然后整平仪器，转动目镜并绕垂直轴旋转，圆水准气泡必须始终处于指标环中央位置，不可偏离；瞄准后视标尺，用竖丝对准标尺条码中央，精准调焦后使条码影像显示清晰，按下测量键开始测量和读数；转动目镜，对准前视标尺调焦，直至条码影像清晰可见，按测量键开始测量和读数；再次对准前视标尺进行调焦，直至条码影像清晰可见，按下测量键开始测量和读数；旋转望远镜再次对准后视标尺条码中央，精准调焦后至条码影像清晰可见，按测量键进行测量和读数，测站成果检验通过后再迁站。

4 控制网测量成果及精度评定

高程控制网测量成果见表1。平差后M△为0 m，限差为1.00 mm，合格；平差后MW为0 m，限差为2.00 mm，合格；平差后最大中误差为0 m，点位为1；平差后最大相邻点中误差为0 m；相邻点起点为NF2，相邻点终点为1。

表1 高程控制网测量成果表

5 注意事项

1）电子水准仪带有自动安平的圆水准器，须将其严格置平。在各测站架设三脚架时，应使其中两脚与水准路线平行，第三脚在水准路线方向左侧与右侧交替变换。

2）在同一测站上观测时，不允许二次调焦。

3）各测站仪器与前、后视标尺应保持在一条直线上，路线转弯处除外。严禁把尺垫放置在坑内。

4）二等水准测量应依次进行所有测段的往返测量，且每段测量必须沿着同一水准路线进行，每测段往返测站数均为偶数。往返测量转换时，应将标尺位置对调，并重新架设整平仪器。

5）应在最后一站选择两个稳固可靠、方便立尺的固定点作为测量间歇点，且对间歇点进行检查，看是否符合限差要求，如果超出限差，应重新调整仪器再检查，若仍超出限差，则必须从前一固定水准点起测。

6）若标尺反光过强，可左右旋转标尺来减少反射光照强度。

7）在弱光环境下测量时，可用手电筒或带有手电筒功能的手机对标尺进行辅助照明，照明设备应距标尺适当距离以使光照均匀。

6 测量误差分析

1）视准轴与水准轴不平行

电子水准仪在测量中存在着i角误差（i角为水准仪的视准轴在垂直方向与水准轴的夹角），为了消除i角误差影响，应保持前、后视距大致相等。

2）大气折光对测量的影响

因前、后视线高度不同，前、后视读数相减所得到的高差就会受到大气折光的影响，因此，应保持前、后视距尽量相等，并且使视线离地面有足够的高度，可以有效减弱大气折光对观测高差的影响。

3）光线变化对测量的影响

受自然条件因素的影响，条码尺的尺面反射光和仪器单位时间内接收的光通量是随时变化的，因此，应选择光线相对柔和、均匀的时段进行测量，尽量避免强光、逆光、傍晚弱光。

4）震动对测量的影响

电子水准仪内部元件对测点周围环境震动非常敏感，当周围环境发生震动时，视准线会变得极不稳定，造成目镜内影像跳动，因此，当测区附近有车辆穿梭或风力超过3 级时，不建议开展或暂停外业水准测量工作。

5）标尺安置质量对测量的影响

立尺不正也会对测量精度产生影响。水准测量中，标尺安置必须与水平面垂直，即水准气泡位于水准环范围内，以减少对测量精度的影响。

6）磁场对测量的影响

电子水准仪在工作中，内部的精密电子元件会受到周围磁场干扰，导致水准测量过程中产生误差，因此，在进行外业水准测量时，应避开强磁场区域。

7）仪器的维护对测量的影响

电子水准仪属于精密仪器，为了减小测量误差，要定期对仪器进行保养和检查，包括i角检验、圆气泡检验、十字丝检验、条码标尺的保养检查等。

7 结语

相对于传统光学水准仪来讲，电子水准仪具有测量速度快、测量精度高、测量数据自动计算存储等优点，在一定程度上节省了人力、物力，提高了工作效率，为推动新阶段水利高质量发展提供重要技术支撑；Topcon DL-501 电子水准仪在尼尔基水利枢纽高程控制测量中的成功应用，也充分验证了电子水准仪在较长水准路线中应用的可行性，为以后同类仪器在不同领域的使用积累了一定的实践经验。