電子水準(zhǔn)儀在控制網(wǎng)觀測(cè)中的應(yīng)用

況態(tài)均 劉瑞斌

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434020)

電子水準(zhǔn)儀基于多種工作原理而開發(fā)，包括相關(guān)法、幾何法、相位法和比列調(diào)制載碼相碼等，并以標(biāo)尺的條形碼作為參照信號(hào)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)，測(cè)量時(shí)線譯碼器捕獲儀器視場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)尺影像為測(cè)量信號(hào)，與儀器的參考信號(hào)進(jìn)行比較，以此獲得視線高和水平距離。電子水準(zhǔn)儀的最大優(yōu)點(diǎn)是精度高、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、人為視覺誤差小等。本文通過兩個(gè)水準(zhǔn)線路測(cè)量實(shí)例，探討了電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用，并分析了其優(yōu)勢(shì)及操作注意事項(xiàng)。

1 應(yīng)用實(shí)例

1.1 荊州長(zhǎng)江公路大橋變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)

長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文荊江局于2008年7月承擔(dān)了荊州長(zhǎng)江公路大橋變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)任務(wù)。任務(wù)要求在大橋的上下游長(zhǎng)江南北兩岸重新布設(shè)C級(jí)平面控制與三等高程控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成大橋變形監(jiān)測(cè)的永久性平面和高程監(jiān)測(cè)網(wǎng)。此次水準(zhǔn)控制網(wǎng)由新設(shè)的8個(gè)GPS控制點(diǎn)和4個(gè)水準(zhǔn)監(jiān)控點(diǎn)組成，共構(gòu)成2個(gè)閉合水準(zhǔn)路線和一個(gè)符合水準(zhǔn)路線。其中，BK01、BM540為原大橋高程控制網(wǎng)的高程已知點(diǎn)，I+慈25為檢校點(diǎn)。SZJK01、SZJK02、SZJK03、SZJK04為橋上主塔附近高程監(jiān)控點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 控制網(wǎng)示意

按照技術(shù)要求，此次作業(yè)采用DINI03電子水準(zhǔn)儀，DNI03電子水準(zhǔn)儀每公里往返測(cè)量中誤差的標(biāo)稱精度為±0.3 mm，能滿足所有等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量要求。水準(zhǔn)測(cè)量采用單線路往返觀測(cè)，沿設(shè)計(jì)水準(zhǔn)網(wǎng)環(huán)線逐環(huán)進(jìn)行觀測(cè)，并采用aBFFB的測(cè)量模式。為保證測(cè)量精度并提高工作效率，按《GB/T12898—2009國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》［1］(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求對(duì)電子水準(zhǔn)儀設(shè)置了必要觀測(cè)限差:視線長(zhǎng)度≤75 m，2.8 m≥視線高度≥0.3 cm，前后視距差≤2.0m，前后視距累積差≤5.0m，同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)差設(shè)為≤0.5 mm，兩次讀數(shù)所測(cè)高差的差設(shè)為≤1.0mm。實(shí)際作業(yè)中還進(jìn)行了i角誤差檢校，i角值分別為3.2″和2.8″。

外業(yè)施測(cè)結(jié)束并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理后，采用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院科傻系統(tǒng)系列軟件COSA－CODAPS V6.0進(jìn)行平差計(jì)算。軟件可對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量及二、三維控制測(cè)量原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量檢核、預(yù)處理到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果輸出的一體化和自動(dòng)化作業(yè)流程。該系統(tǒng)靈活方便，適合外業(yè)環(huán)境。

1.2 洞庭湖區(qū)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)

為滿足洞庭湖區(qū)高程控制的一致性，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文荊江局于2012年2月承擔(dān)了洞庭湖區(qū)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)中部分測(cè)量。此次測(cè)量共布設(shè)15個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，形成一個(gè)閉合環(huán)。采用的電子水準(zhǔn)儀及任務(wù)精度要求與上個(gè)項(xiàng)目相同。

外業(yè)施測(cè)結(jié)束并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理后，采用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院科傻系統(tǒng)系列軟件COSA－CODAPS V6.0進(jìn)行平差計(jì)算。

2 精度分析

由于測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，上述1.1實(shí)例的測(cè)區(qū)范圍很小，只對(duì)1.2實(shí)例進(jìn)行了高差改正數(shù)分析。測(cè)段高差中數(shù)需加入的正常水準(zhǔn)面不平行改正最大值僅為－0.964 mm，水準(zhǔn)標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正最大值僅為－0.055 mm，重力異常改正及日月引力改正更是微乎其微，可忽略不計(jì)。

通過進(jìn)行閉合差計(jì)算，環(huán)閉合差分別為－5.2 mm和15.4 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的 ±12√L。PVV(加權(quán)改正數(shù)二乘)分別為1.015 mm和2.087 mm，最弱點(diǎn)高程中誤差分別為2.02 mm和6.86 mm，單 位 權(quán) 中 誤 差 分 別 為 0.712 mm 和1.445mm，成果資料滿足《規(guī)范》要求。

水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)結(jié)束后，每條水準(zhǔn)路線以測(cè)段往返測(cè)高差不符值(真誤差)計(jì)算每公里水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差:

式中，M△表示往返測(cè)高差不符值，mm;R表示測(cè)段長(zhǎng)度，km;n表示測(cè)段數(shù)。

按上式計(jì)算整網(wǎng)的每公里水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差分別為 ±0.348 mm和 ±0.395 mm，小于《規(guī)范》中的限差要求，由于水準(zhǔn)網(wǎng)只有2個(gè)環(huán)和1個(gè)符合條件，不計(jì)算每公里水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差。

分析得出，無論從閉合差、單位權(quán)中誤差，還是每公里水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差看，這兩次觀測(cè)作業(yè)均具有較高的觀測(cè)精度，各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于《規(guī)范》規(guī)定的三等精度指標(biāo)。

3 與常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的對(duì)比分析

由于電子水準(zhǔn)儀采用條碼成像技術(shù)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)，測(cè)量穩(wěn)定性得到技術(shù)保障。因測(cè)量原理及方式與常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量存在差異，故與針對(duì)常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量的現(xiàn)行規(guī)范間存在一些不符之處，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1)兩次調(diào)焦。現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:在同一測(cè)站上觀測(cè)時(shí)，一般不得兩次調(diào)焦，其主要目的是消除人為視差造成的影響;而電子水準(zhǔn)儀是將編碼水準(zhǔn)尺進(jìn)行一維圖像處理，用傳感器代替了人眼，水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)和儀器至水準(zhǔn)尺之間的水平距離由微處理機(jī)自動(dòng)計(jì)算，并以數(shù)字形式存儲(chǔ)和顯示。因此，在滿足規(guī)范前后視距差范圍內(nèi)進(jìn)行電子水準(zhǔn)儀測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行調(diào)焦，使之成像清晰，確保測(cè)量精度，若不進(jìn)行調(diào)焦，數(shù)據(jù)則可能無法判讀。

(2)視距差要求不同。現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:等級(jí)線路水準(zhǔn)測(cè)量前后視距差最大的允許范圍為三等(≤2.0m)，其目的是消除視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸之間存在i角誤差和水準(zhǔn)面曲率對(duì)高差測(cè)定的影響，而i角誤差只能通過檢校十字絲使其減小或消除。電子水準(zhǔn)儀可通過輸入儀器的i角誤差值自動(dòng)對(duì)每個(gè)標(biāo)尺讀數(shù)進(jìn)行改正，同時(shí)采用地球曲率對(duì)每個(gè)標(biāo)尺讀數(shù)進(jìn)行改正。因此，在滿足前后視距累積差限定下，適當(dāng)放寬三、四等水準(zhǔn)測(cè)量前后視距差的限定，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的水準(zhǔn)測(cè)量既能滿足精度要求，又能提高工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

電子水準(zhǔn)儀是集多種高新技術(shù)為一體的新型水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，具有快速、準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有多種測(cè)量模式，觀測(cè)成果的精度指標(biāo)比相應(yīng)的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求有明顯提高。將其與辦公自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合起來應(yīng)用于等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量，前景會(huì)非常廣闊。

需要注意的是，采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，需將編碼水準(zhǔn)尺進(jìn)行一維圖像處理，因此光線不能太弱，望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)尺影像不能有遮擋物。

［1］GB/T 12898－1991國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范［S］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.