1、淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 26 页1 绪 论随着科学技术特别是电子技术的迅速发展，数字水准仪在水准测量中被广泛应用。它融电子技术、图像处理技术、计算机于一体，以条码间隔影像信息与参考信号进行图像数学处理的测量原理，自动采集测量数据、信息处理和获取自动记录每一个观测值，从而实现水准测量仪器的发展方向。虽然数字水准仪具有将测定的 i 角存入机内，并对所测数据按该 i 角进行自动修正功能，但仪器 i 角受外界温度、湿度、振动的影响而瞬时变化仍然存在。因此，研究讨论数字水准仪 i 角问题非常有必要。天宝 DiNi03 系列数字水准仪 世界上精度最高的数字水准仪之一，其各项
2、指标都明显优于其他数字水准仪。其性能卓越、操作方便，使水准测量进入了数字时代，大大提高了生产效率。已广泛应用于地震、测绘、电力、水利等系统，在各项重大工程中发挥着强大的作用。由此天宝 DiNi03 系列数字水准仪 i 角问题研究显得尤为重要。目前，水准仪的 i 角研究主要反映在三个方面，即：方法、速度和精度。关于 i 角的检校方法，我们比较成熟，许多测量学类教材中，就提供了一种广泛采用的方法。近年电子水准仪 i 角自动检校中，又出现了其他三种新方法。在提高检验水准仪 i 角的速度上，也出现了一些研究成果，电子水准仪的自动化检校更是大大提高了检校水准仪 i 角的速度。在评定水准仪 i 角的精度上
3、，也出现了一些成果，既有定性的也有定量的。国内外对水准仪的 i 角全部采用平行光管进行检验和校正，仪器设备价格昂贵，一般都是送专门的测绘仪器鉴定部门进行检验和校正，而仪器使用单位如果自己对水准仪的 i 角进行检验和校正，大都是在室外安置仪器、立尺进行检验和校正，需要人员多、误差较大、作业条件差，利用误差传播定律的定量研究不深入。尽管这方面工作之前有人进行过研究，诸如 DS3、徕卡系列、蔡司系列水准仪 i 角的研究，但对于天宝DiNi03 系列数字水准仪 i 角误差检校方法与误差分析这方面，前人尚未做出过系统地分析，仍可以在这方面做一些有益的初步探究工作。2 数 字 水 准 仪 简 介 2.1
4、数字水准仪工作原理数字水准仪是目前最先进的水准仪，配合专门的条码水准尺，通过仪器中内置的数字成像系统，自动获取水准尺的条码读数，不再需要人工读数。这种仪器可大大降低测绘作业劳动强度，避免人为的主观读数误差，提高测量精度和效率。它利用数字图像处理技术，把由标尺进入望远镜的条码分划影像，用行阵探测器传感器替代观测员的肉眼，从而实现观测夹准和读数自动化。测量作业时只要将水准仪概略整平，补偿器自动使视线水平，照准标尺并调焦，按淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 26 页测量键等4秒钟后，在显示器上即显示h和d。每站观测数据在内存模块或PCMCIA卡上自动记录并进行各项检校，仪器可设
5、置自动进行地球弯曲差和大气垂直折光差改正。2.2 数字水准仪特点数字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象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。采用普通标尺时，又可象一般自动安平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下共同特点：（1）读数客观。没有人为读数误差，不存在误记问题。（2）精度十分高。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。对于不专业的的测绘人员也能进行高精度测量。（3）测量进程快。由于省去了报数、听记
6、、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省 1/3 左右。（4）工作效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化 1。2.3 国内数字水准仪研究和应用现状关于数字水准仪的研究，武汉测绘科技大学的孙坚曾在数字水准仪的现状与发展一文中系统的阐述了数字水准仪的基本原理、存在问题、解决办法及发展趋势，而岁有中、郝永青、张新霞在数字水准仪的原理及应用一文中系统的阐述了数字水准仪的特点、组成部分、读数原理和误差来源等，前人在这些方面做出的研究已经比较详细。落实到具体的仪器上，前人在这方面也做了
7、一些工作，例如冷明全在Topcom数字水准仪在水准测量中的应用一文中概括的阐述了Topcom 水准仪的简介、使用、水准测量数据通信传输与处理、使用注意的问题等，而张志勇曾在Leica DNA03 数字水准仪及其精度测试一文中全面地介绍了DNA03数字水准仪的技术指标及特点、主要功能、精度分析等，此外，包宝华、陈星辰、付兵等在Trimble DiNi12数字水准仪原理与应用一文中详细的介绍了Trimble DiNi12数字水准仪的特点、工作原理、量算核心等，并结合具体的工程实例进行了应用。前人在具体仪器方面做了一些研究，但关于天宝DiNi03数字水准仪的研究仍是一片空白。目前，由于各项工程作业精
8、度要求不同，又考虑到仪器的成本，国内使用的数字水准仪分为国产和进口两类仪器，其中国产的仪器以南方测绘公司生产的DL系列数字水准仪、苏州一光仪器公司生产的DS、EL系列数字水准仪、中淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 26 页纬测量系统(武汉) 有限公司生产的中纬ZDL700 系列数字水准仪、科力达公司生产的DL 系列数字水准仪为代表，而进口的国外仪器以瑞士徕卡公司生产的DNA、NA系列数字水准仪、德国蔡司公司生产的 DiNi系列数字水准仪、日本拓普康公司生产的DL系列数字水准仪、索佳公司生产的SDL 系列数字水准仪和美国天宝公司生产的DiNi系列数字水准仪为代表，下面举例说
9、明这些仪器基本参数。 （见表1、表2，其中天宝DiNi系列数字水准仪详细内容见下文叙述）表 1 国内数字水准仪基本参数南方测绘公司 苏州一光仪器公司 中纬测量系统有限公司 科力达 公司型号DL3003 DL-2007 DS03 EL-201 中纬ZDL700 DL-2011km往返精度 0.3mm 0.7mm 0.3mm 0.7mm 0.7mm 1.0mm测量范围 1.5-100m 1.5-110m 1.2-100m 1-100m 2m-105m 1.5-100m补偿精度 12 12 15 12 10 12安平精度 0.2 0.2 0.2 0.3 0.35 0.3望远镜倍率 32 32 42
10、32 24 32表 2 国外数字水准仪基本参数徕卡公司 蔡司公司 拓普康公司 索佳公司型号DNA03 NA2 DiNi12 DL-502 SDL30M1km往返精度 0.3mm 0.3mm 0.3mm 0.4mm 0.4mm测量范围 1.8-110m 1.6-110m 1.5-100m 1.6-100m 1.6-100m补偿精度 10 30 15 15 15安平精度 0.3 0.3 0.2 0.3 0.3望远镜倍率 24 32 32 32 322.4 数字水准仪和光学水准仪的比较（1）相同点：数字水准仪具有与光学水准仪相同的光学、机械和补偿器结构；光学系统也是沿用光学水准仪的；水准标尺一面具有
11、用于电子读数的条码，另一面具有光学水准标尺的E型分划；既可用于数字水准测量，也可用于传统水准测量，摩托化测量，变形监测和适当的工业测量。（2）不同点：光学水准仪用人眼观测，数字水准仪用光电传感器(CCD线阵)代替人眼；数字水准仪与其相应条码水准标尺配用。仪器内装有图像识别器；采用数字图像处理技术，这些都是光学水准仪所没有的；同一根编码标尺上的条码宽度不同，各型数字水准仪的条码尺有自己的编码规律，但均含有黑白两种条块，这与光学水准标尺不同。另外，对精密水准仪而言，光学的利用测微淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 26 页器读数，而数字水准仪没有测微器 2。2.5 数字水准仪展
12、望数字水准仪是一种功能很强的涮量系统操作简单，测量速度比光学水准仪提高5060，易于实现内外业一体化，所以肯定是几何水准测量继续发展的方向。今后数字水准仪将从以下几个方面进行完善：（1）改善补偿器的结构与安平精度；（2）数字水准仪之所以能成功，主要是依赖于CCD技术和数字图象处理技术，因而今后数字水准仪将随着CCD技术和数字图象技术的发展而发展；（3）改善玻璃纤维条码标尺的材料；（4）改进测量程序与数据存储软件；（5）增强仪器适应环境的能力；（6）使机内系统逻辑增加对其它一些干扰，如亮度变化，补偿器应力释放，传感器时性改变等的改正 2；（7）仪器的价格将会降低，应用范围也会渗透到精密水准测量领
13、域。2.6 天宝DiNi03数字水准仪简介2.6.1 仪器简介天宝 DiNi03 数字水准仪（图 1 所示，表 3 是仪器对应的部件）是世界上精度最高的数字水准仪（DS1 水准），其公司开发的软件可全自动数据处理，可实现无纸化作业，自动出报表。在工程测量、结构、沉降观测、高精度的水准网观测，天宝的 DiNi 数字水准仪都能提供精确的观测结果和可靠的数据。淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 26 页图 1 天宝 DiNi03 数字水准仪表 3 仪器部件名称部件编号 部件名称1 望远镜遮阳板2 望远镜调焦旋钮3 触发键4 水平微调5 刻度盘6 脚螺旋7 底座8 电源/通讯口9
14、键盘10 显示器11 圆水准气泡12 十字丝13 可以动圆水准气泡调节器14 电池盒15 瞄准器2.6.2 精度指标天宝DiNi03数字水准仪相关的精度指标见表4。淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 26 页表 4 精度指标性能指标 性能内容1km 往返精度 0.3mm测量范围 1.5-100m补偿精度 15安平精度 0.2望远镜倍率 32100m 视野 2.8m最短视距 0.6m夜间及隧道测量 可以2.6.3 仪器工作原理天宝 DiNi03 数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。目前照准标尺和调焦
15、仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成象在千里镜分化板上，供目视观测，另一方面通过千里镜的分光镜，标尺条码又被成象在光电传感器（又称探测器）上，即线阵 CCD 器件上，供电子读数。3 i 角 检 校 方 法3.1 i 角 简 介3.1.1 i 角 含 义水准仪i角指的是水准仪望远镜的视准线和附合气泡水准管的水准轴在竖直平面上投影的夹角 3。3.1.2 i角产生原因仪器制造加工本身就存在精度误差，经过校正，仪器仍会存在一些残余误差。测量中当水准气泡居中时，视准轴仍不能完全水平，这样在水准标尺上的读数也就产生了误差。其中主要是水准管轴与视准轴的不平行所产生的误差，即i角（校正残余
16、）误差。3.1.3 i 角检校的基本原理 4在地面选定两个固定点 A、B，测出 A、B 的两次高差 和 。设仪器ABh存在 i 角误差，则按 式得 iSbaiSbah )()(tn)()(BABAih（1）淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 7 页 共 26 页)(BABASih（2）即 )()( BABABSiSih（3）)()(BABASShi（4）目前在实际应用中采用两种做法，一种是使 ，此时 就是无 i 角影响的高差 ，于是（4）式简化为ABhBAShi（5）另一种是使 ，此时)(BABASS)(2BAShi（6）3.1.4 i 角 检 校 的 意 义i角在读数和高差中都有一定
17、影响。（1）i角在读数中的影响设i角使视线向上或向下倾斜，那么它在A点尺子上的读数叫水平视线的读数增大或减小一个 值。若A点距仪器的距离为S，则tgiS（7）一般i角均甚小，上式可写成is（8）当i角的大小不变时，则 的大小与S成正比；即尺子离仪器越远， i角对读数的影响越大。（2）i角在高差中的影响用实际读数计算A、B 两点的高差为bahAB（9）式中， 为后视读数； 为前视读数。ab淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 8 页 共 26 页A、B 两点的正确高差应为)()()( BAABBAAB hbah （10）式中, 为i角在高差中的影响，用 表示，即A)(BABBAB SiSi
18、h（11）显然，当后视与前视的距离相等时，i角对于高差的影响 ，可得到0ABh正确的高差。而当后视与前视的距离不相等时，则所测得的高差不正确 5。3.2 i 角检校方法3.2.1 基本原理检校方法（1）求A、B 两点间的正确高差在一点S架设仪器，在较平坦的地方选定适当距离的两个点A 、B，放上尺垫。分别瞄准向距离仪器A、B两方向30m的地方竖立的水准尺，定出等距离的A、B两点 ( A、S 、B 三点位于一条直线上 )，在A、B两点上放置尺垫，然后在A、B两点立尺并读数, 设读数为 、 ，则 = - 。用变动仪器高的方法再1ab1ha1b测一次高差，设为 。当两次测得的高差不大于3mm时，取其平
19、均值作为最后2h的正确高差，用 表示，即 ，如图2所示。从图2中可看出：AB/)(1AB由于距离相等，两轴不平行所引起的在两尺的读数误差x在计算高差时自动消除，故 不受视准轴误差的影响，是A、B两点间的正确高差。h图 2 A、B 两点高差求解示意图（2）求水准仪的i角如图3所示，安置水准仪于点B附近的 处，距离B点3m 左右，瞄准B点水2S准尺，在B 尺上读数为 ，因仪器离B点很近，两轴不平行引起的读数误差可忽2b淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 9 页 共 26 页略不计。则二轴平行时在A尺上的应有读数为： ，读出A 尺上的读Bhba2数 ，如果 = ，则水准管轴平行视准轴，否则存
20、在i 角。从图3中可看出：2a2a，其中 6。BSAhi 5206图 3 水准仪的 i 角求解示意图图 4、5、6、7 分别为实际观测时具体的操作步骤。图 4 整平 图 5 瞄准水准尺观测图 6 读数 图 7 计算处理数据为确保准确度，重复上述操作三次，得出三组数据，数据如表 5 所示。表 5 观测数据测站编号 第一次 A B距离（ m） 30.032 30.0981读数（ m） 1.46098 1.45168距离（ m） 57.011 3.0132读数（ m） 1.56035 1.54841测站编号 第二次 A B距离（ m） 30.030 30.0991读数（ m） 1.46095 1.4
21、5167距离（ m） 57.012 3.0102读数（ m） 1.56038 1.54842测站编号 第三次 A B1 距离（ m） 30.031 30.097淮海工学院二一二届本科毕业设计（论文） 第 10 页 共 26 页读数（ m） 1.46097 1.45166距离（ m） 57.010 3.0122读数（ m） 1.56032 1.54843第一次数据带入得 80.1013.57 )4568.4698()48.15603.1( BSAhi第二次数据带入得 42.1001.32.57 )4567.469()48.15603.1( BSAhi第三次数据带入得 68.9012.3.57 )
22、4516.4697()48.156032.1( BSAhi3.2.2 费式(Forstner) 法在站1架设仪器，整平之后，与站1距离15m的A点放置水准尺，该点要放置尺垫，点击测量键，记录对A点的读数。调转水准仪，在与 A点相反方向距离15m的点放置水准尺，该点为转点，切记该点不要放置尺垫，并标记该点，再于站1距离30m的B点再次放置水准尺，该点要放置尺垫，记录对B点的读数，然后将仪器迁至方才标记的转点，整平之后，分别瞄准A 、B 点，记录读数。此即费式(Forstner) 法，该方法即两条水准尺A、B安置在相距 45m的距离，将其分为三等份，而水准仪分别安置在三等分点之上。根据相关原理，得出水准仪i角计算公式为：206530)1()2(2065)1()2( bYabYabdabdaYYi（12）式中， 、 分别为仪器在测站1时对A尺和B尺的读数； 、 分别为ab a2b仪器在测站2时对A尺和B尺的读数； 、 分别为仪器在测站 1时对A尺和B尺ad1b的距离； 、 分别为仪器在测站2时A尺和B尺的距离，如图 8所示 3,7-9。ad2b
