索佳數字水準儀在沉降觀測中的應用

苑慶中 李 莉

(聊城市水利局，山東 聊城252000)

1 數字水準儀工作原理

1.1 基本結構

數字水準儀基本構造由光學機械部分、自動安平補償裝置和電子設備組成，電子設備主要包括：調焦編碼器、光電傳感器（線陣CCD器件）、讀取電子元件、單片微處理機、CSI接口（外部電源和外部存儲記錄）、顯示器件、鍵盤和測量鍵以及影像、數據處理軟件等，標尺采用條形碼供電子測量使用。

1.2 工作原理

雖各廠家的儀器結構和條形碼的編碼方式不完全相同，但其基本測量原理相似：即采用編碼標尺，儀器內裝置圖像識別器和圖像數據處理系統，標尺用不同寬度的條碼組合來表征尺面的不同位置，人工完成照準和調焦之后，標尺條碼一方面被成像在望遠鏡的分劃板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成像在光電傳感器（CCD）上，隨后轉換成電信號，經整形后進入模數轉化系統（A/D），從而輸出數字信號送入微處理器進行處理和存儲，并將其與內存的標準碼（參考信號）按一定的方式進行比較，即可獲得編碼標尺的讀數。

2 工程實例

某高層住宅樓地上22層，地下2層，建筑面積16695m2，全現澆剪力墻，工程類別為一類。為全面掌握施工過程及竣工后一定時期內的垂直變形，對其進行沉降觀測。

2.1 監測基準建立

根據施工平面布置圖和編制好的監測方案，在避免施工干擾及地基沉降變形區外（距建筑物45米）埋設4個水準基點，待沉降穩定后，與附近的一等水準點聯測。每期施測前對基準點的穩定性進行分析評價，確認各點無異常變化方進行沉降觀測。

2.2 沉降觀測點的設置

沉降觀測點布設在能全面反映建筑物地基變形特征的點位：A、建筑物的四角、大轉角及沿外墻每10～15m處或每隔2～3根柱基上；B、建筑裂縫、后澆帶、沉降縫和伸縮縫的兩側，人工地基與天然地基接壤處及填挖方分界處；C、寬度大于或等于15米承重內隔墻設內墻點；D、框架結構建筑的每個或部分柱基上或沿縱橫墻軸線上，以及可能產生較大不均勻沉降的相鄰柱基處；E、高層建筑橫向和縱向兩個方向對應盡端處；F、鄰近堆置重物處、受振動有顯著影響的部位及基礎下的暗溝處。本項目共布設了16個沉降觀測點，形成5個閉合環。各沉降點都埋設與樓體聯接的圓鋼作為標志，伸出樓體外3-5cm，圓鋼伸出端上面加工成半圓頭，以便于立水準尺。

2.3 儀器選擇

經專業部門檢定合格并在有效使用期內的索佳SDL30數字水準儀，標稱精度：±0.4mm（使用索佳BIS20銦鋼尺，正面 RAB條碼），最小讀數0.00001m/0.001（可選），圓水準器靈敏度10′/2mm，放大倍率32X，分辨率3″，視距乘常數100；標尺：2米銦鋼尺，線膨脹系數小于1.5*10-6/℃。自動補償器：磁阻尼擺式補償器（±15″）。高差、高程自動計算和放樣，在測定天花板、橋梁等物體高度時，只需將水準標尺倒置便可進行，無須改變測量模式。儀器可與電腦連接，進行數據后處理，實行內外業一體化。

2.4 觀測實施

觀測精度：按照GB50026-2007《工程測量規范》和JGJ8-2007《建筑變形測量規范》二等水準測量技術要求施測。每次觀測前、后都進行i角等必要項目的檢驗，結果均在限差內。

垂直位移監測網的主要技術要求（mm）

表1

2.5 觀測周期

根據建筑物的性質、進度、土質情況及荷載增加情況等決定，有兩種方法。①按荷載定，從開工至滿荷載為第1階段，一般為10-20天左右；從滿荷載至沉降變化速度趨于穩定為第2階段，一般在3個月內；從沉降變化速度穩定至基本無變形為第3階段，一般為半年或1年。②按沉降速度定，當沉降速度較大，應縮短觀測周期，沉降速度放緩時，可適當加長觀測周期。還應考慮地下水位、降水、地震等因素的影響，特殊情況下應及時加測一次，如果情況變化異常，應及時向有關部門匯報，采取有效措施。

2.6 觀測結果統計

對該住宅樓共進行了20余次沉降觀測，對原始數據檢核分析無誤后，進行平差計算。統計結果如下：[ww]=1.7655，m=22，n=6，每測站高差中誤差：。最弱點高程精度：

表2

由統計結果可知，大部分環線閉合差的絕對值小于0.4mm，儀器性能穩定，索佳SDL30用于沉降觀測，精度相當高。運用SDL通訊工具，將觀測文件傳輸到電腦，用NASEW平差軟件進行嚴密平差計算，采用office軟件統計各沉降監測點的本次沉降量和累計沉降量，繪制時間-荷載-沉降量曲線圖、等沉降曲線圖等，對建筑物沉降變形情況進行綜合分析評價。

3 數字水準儀的優勢

數字水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡中增加了分光鏡和探測器（CCD），并采用條碼標尺和圖像處理電子系統而構成的光機電測量一體化的高科技產品。與傳統儀器相比，有以下特點：

1）讀數客觀。不存在誤讀、誤記問題，無人為讀數誤差。

2）精度高。視線高和視距讀數都是采用大量條碼分劃經圖像處理后取平均得出來的，削弱了標尺分劃誤差影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可削弱外界條件的影響。

3）速度快。省去報數、聽記、現場計算以及人為出錯的重復測量，時間與傳統儀器相比可節省1/3左右。具有結構清楚、界面友好的操作系統，易學易用，不熟練的作業人員也能進行高精度測量。能自動判斷測量限差，并在超限時提示重測。

4）效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，數據無縫傳輸，減輕了勞動強度。

4 數字水準儀的劣勢

1）數字水準儀對標尺進行讀數不如光學水準儀靈活，數字水準儀只能對其配套標尺進行照準讀數，并要求有一定的視場范圍。

2）數字水準儀受外界條件影響大。由于數字水準儀是由CCD探測器來分辨標尺條碼的圖象，進而進行電子讀數，而CCD只能在有限的亮度范圍內將圖象轉換為用于測量的有效電信號，要求標尺亮度均勻，并且亮度適中。

5 提高精度的措施

1）觀測前，使儀器與環境溫度趨于一致，測量時打傘遮陽。

2）同一測站觀測時，不得兩次調焦，前后視距盡量相等。

3）每一測段應進行往返測，且應在不同的氣象條件下，在一測段的路線上，測站數應為偶數。

4）盡量避免強磁場的干擾，輸電線路等形成的電磁場對平行于電磁場和正交于電磁場的視線有不同影響，強磁場可能影響儀器的補償器，導致測量誤差。

5）標尺應嚴格直立，并防止地面震動對觀測的影響，遇較大風力時，應加大腳架跨度，以增加儀器穩定性，保證測繪成果精度。

6）應做好沉降觀測的工作記錄，繪制沉降的觀測示意圖，注明觀測點的具體位置與編號，并做好各次的觀測記錄。

6 結束語

與常規水準儀相比，數字水準儀進行沉降觀測，具有讀數客觀、速度快、效率高、精度高的特點，在數據采集上節省了很多的時間和人力成本，避免了錯誤、重測，便于實現沉降觀測內外業一體化。

［1］JGJ8-2007建筑變形測量規范[S].

［2］GB 50026-2007工程測量規范[S].

［3］李嶺，胡伍生，馬骉.電子水準儀及其在沉降觀測中的應用[J].江蘇測繪，1999.