新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐

劉雁春，王海亭，趙俊生，孟 強(qiáng)，劉 堯，吳祥華

(1. 大連圣博爾測(cè)繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院海洋測(cè)繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐

劉雁春1,2,3，王海亭1，趙俊生2，孟 強(qiáng)1，劉 堯1，吳祥華1

(1. 大連圣博爾測(cè)繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院海洋測(cè)繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

水準(zhǔn)測(cè)量一直是獲得地面點(diǎn)精密高差的重要手段，其測(cè)量速度慢、效率低也一直是困擾全球測(cè)量界的一大難題。為了提高水準(zhǔn)測(cè)量的速度和效率，本文提出了新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的概念、結(jié)構(gòu)、原理與方法。具體采用水準(zhǔn)儀與標(biāo)尺合二為一的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量的3點(diǎn)互動(dòng)配置改變?yōu)?點(diǎn)互動(dòng)配置來提高測(cè)站儀器安置速度和地形適應(yīng)能力；采用對(duì)偶測(cè)量原理將傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量的單向單系統(tǒng)測(cè)量改變?yōu)閷?duì)(雙)向雙系統(tǒng)測(cè)量來提高水準(zhǔn)測(cè)量的精度及可靠性；采用正交二腳架及L型水準(zhǔn)器來提高水準(zhǔn)標(biāo)尺及水準(zhǔn)儀的安平速度。理論分析及初步實(shí)踐表明：新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相比，水準(zhǔn)測(cè)量效率可提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明，將對(duì)全球大地及工程測(cè)量界產(chǎn)生重大及顛覆性的影響，將開啟人類社會(huì)普及電子水準(zhǔn)儀的新時(shí)代。

水準(zhǔn)測(cè)量；對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀；新發(fā)明；設(shè)計(jì)與實(shí)踐

目前衛(wèi)星定位儀已日益普及，并取代全站儀成為地面測(cè)繪水平定位的主導(dǎo)手段，然而由于衛(wèi)星定位儀用于高程系統(tǒng)高差測(cè)量的隨機(jī)誤差達(dá)6～7 cm，仍無法與毫米級(jí)的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量相匹敵，故水準(zhǔn)測(cè)量依然是精密地面高差測(cè)量的唯一手段。水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺依然是水準(zhǔn)測(cè)量的重要儀器裝置。伴隨著人類科技文明的發(fā)展，水準(zhǔn)儀也經(jīng)歷了由普通光學(xué)水準(zhǔn)儀向自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀及數(shù)字水準(zhǔn)儀(也稱為電子水準(zhǔn)儀)的發(fā)展，18世紀(jì)，人類使用了望遠(yuǎn)鏡，構(gòu)成初級(jí)光學(xué)水準(zhǔn)儀。到20世紀(jì)初，將望遠(yuǎn)鏡改進(jìn)為內(nèi)調(diào)焦結(jié)構(gòu)，形成微傾式光學(xué)水準(zhǔn)儀。20世紀(jì)50年代，人類發(fā)明了自動(dòng)安平補(bǔ)償器，出現(xiàn)了自動(dòng)安平光學(xué)水準(zhǔn)儀。20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了電子水準(zhǔn)儀及編碼水準(zhǔn)尺，實(shí)現(xiàn)了電子自動(dòng)讀數(shù)進(jìn)入數(shù)字水準(zhǔn)儀的時(shí)代。目前著名的電子水準(zhǔn)儀品牌有：瑞士徠卡、日本拓普康、日本索佳、德國(guó)蔡司(美國(guó)天寶)、中國(guó)蘇一光、中國(guó)北京博飛、中國(guó)南方、中國(guó)歐波等。盡管電子水準(zhǔn)儀已經(jīng)面世20多年，然而目前依然是光學(xué)水準(zhǔn)儀占市場(chǎng)的主導(dǎo)，電子水準(zhǔn)儀的普及增長(zhǎng)率卻一直不高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來每年中國(guó)市場(chǎng)水準(zhǔn)儀的銷量為幾十萬臺(tái)，電子水準(zhǔn)儀的銷量卻不足1%，這與幾乎同步發(fā)展的、電子化數(shù)字化的衛(wèi)星定位產(chǎn)品及全站儀形成了鮮明的反差。造成電子水準(zhǔn)儀普及率低的原因有價(jià)格因素和效率因素，但根本原因是效率低造成的。目前市場(chǎng)上的電子水準(zhǔn)儀雖然利用編碼標(biāo)尺和CCD技術(shù)，提高了觀測(cè)讀數(shù)的效率和精度，但由于仍基于傳統(tǒng)的3點(diǎn)互動(dòng)配置和單儀單系統(tǒng)測(cè)量，相對(duì)于光學(xué)水準(zhǔn)儀，電子水準(zhǔn)儀提高的測(cè)量效率相對(duì)有限，換言之，用戶不是不喜歡電子水準(zhǔn)儀，而是現(xiàn)行電子水準(zhǔn)儀的測(cè)量效率還不夠理想，不能滿足用戶的性價(jià)比需求及對(duì)快速水準(zhǔn)測(cè)量的期望。

事實(shí)上，水準(zhǔn)測(cè)量速度慢、效率低，幾百年來一直是困擾全球測(cè)量界的一大難題。為了攻克這一難題，以筆者領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)自2012年首次申請(qǐng)專利起歷時(shí)4年，對(duì)水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺的結(jié)構(gòu)功能、作業(yè)模式、數(shù)據(jù)檢核等進(jìn)行了一系列的改進(jìn)發(fā)明實(shí)踐，已圍繞新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研發(fā)申請(qǐng)獲得專利40多項(xiàng)，并于2016年成功研制出世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。本文在總結(jié)發(fā)明實(shí)踐及專利文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的概念、結(jié)構(gòu)與方法。新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研制，試圖開啟人類社會(huì)普及電子水準(zhǔn)儀的新時(shí)代，使水準(zhǔn)測(cè)量也能像衛(wèi)星定位那樣方便、快速和普及，實(shí)現(xiàn)中國(guó)人的測(cè)繪儀器智造夢(mèng)。

1 概念與結(jié)構(gòu)

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的主要?jiǎng)?chuàng)新特色為：尺儀合一、2點(diǎn)配置、對(duì)偶測(cè)量、雙向檢核、智能控制。其典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成配置如圖1所示，它直接體現(xiàn)出“尺儀合一”的一體化設(shè)計(jì)理念。圖1中各部件的功能是：①電子水準(zhǔn)儀用來照準(zhǔn)、讀取對(duì)方標(biāo)尺的高度數(shù)據(jù)；②編碼標(biāo)尺提供高度信息，并作為其他構(gòu)件的機(jī)架；③電子手簿用來控制、記錄、交換、處理電子水準(zhǔn)儀獲取的高度數(shù)據(jù)并即時(shí)顯示雙方的觀測(cè)結(jié)果及兩點(diǎn)的高差，電子手簿設(shè)有標(biāo)尺圖像顯示器(電子目鏡)，以方便瞄準(zhǔn)調(diào)焦；④標(biāo)尺腳架用來安置并調(diào)直標(biāo)尺；⑤L型水準(zhǔn)器用來配合標(biāo)尺腳架快速調(diào)直標(biāo)尺；⑥智能尺墊用來將標(biāo)尺安置于地面轉(zhuǎn)點(diǎn)并帶有移動(dòng)監(jiān)測(cè)功能；⑦遙控器(圖中未給出)用來控制觀測(cè)的實(shí)施，以避免在電子手簿上直接按鍵影響標(biāo)尺的調(diào)直狀態(tài)。

圖1 高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀組成結(jié)構(gòu)

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的上述結(jié)構(gòu)及組成，經(jīng)反復(fù)實(shí)踐論證，符合有關(guān)物理學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、測(cè)量學(xué)及人體工程學(xué)的基本原理，能夠滿足快速水準(zhǔn)測(cè)量的需要。

本文采用“水準(zhǔn)尺儀”這一名詞概念是為了突出表明“尺儀合一”的特點(diǎn)，亦尺亦儀，儀離不開尺，尺離不開儀，這是與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量裝置的本質(zhì)差別之一，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀也可簡(jiǎn)稱為復(fù)合水準(zhǔn)儀。類似于“高鐵”的概念，本發(fā)明采用“高速”一詞也意味著兩個(gè)含義：①直接表明高速的特點(diǎn)；②體現(xiàn)了一系列區(qū)別于傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

2 對(duì)偶測(cè)量原理

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的測(cè)量原理如圖2所示。從數(shù)學(xué)角度來看，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的測(cè)量原理屬于對(duì)偶測(cè)量。圖中水準(zhǔn)尺儀A、B分別安置在地面點(diǎn)1、2，水準(zhǔn)尺儀A、B同時(shí)調(diào)平并瞄準(zhǔn)對(duì)方進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)讀數(shù)。

用安置在1點(diǎn)的水準(zhǔn)尺儀A測(cè)得1、2點(diǎn)的高差為

用安置在2點(diǎn)的水準(zhǔn)尺儀B測(cè)得1、2點(diǎn)的高差為

圖2 高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀對(duì)偶測(cè)量原理

二者的高差互差δ為

二者的高差均值為

式中，Δ12為水準(zhǔn)尺儀A、B聯(lián)合測(cè)定的1、2點(diǎn)之間的高差。

顯然，二者的互差δ可用來進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核及控制誤差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的對(duì)偶測(cè)量原理屬于兩點(diǎn)、雙儀、對(duì)向、同步觀測(cè)系統(tǒng)，而傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量裝置的測(cè)量原理屬于三點(diǎn)、單儀、反向、異步觀測(cè)系統(tǒng)，這也是構(gòu)成二者本質(zhì)的差別之一。

3 作業(yè)模式

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀在實(shí)際應(yīng)用中可采用多種作業(yè)模式：

(1) 交替式作業(yè)模式。如圖3(a)所示，A、B尺儀交替推進(jìn)安置，這也是傳統(tǒng)的作業(yè)模式，對(duì)高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀而言，該模式本質(zhì)上可理解為2個(gè)水準(zhǔn)儀按傳統(tǒng)作業(yè)模式的疊加。

(2) 交換式作業(yè)模式。如圖3(b)所示，每一站A、B尺儀均交換位置測(cè)量。這是高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀特有的作業(yè)模式，該模式可徹底消除i角的影響，故也稱為精密作業(yè)模式。

(3) 三角形作業(yè)模式。如圖3(c)所示，同時(shí)將3個(gè)尺儀安置在3點(diǎn)進(jìn)行條帶式推進(jìn)測(cè)量，該模式增加了區(qū)域三角空間閉合檢核，可進(jìn)一步提高水準(zhǔn)測(cè)量的精度和可靠性。

圖3 高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀對(duì)偶測(cè)量原理作業(yè)模式

本文前述給出了高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的基本測(cè)量原理及作業(yè)模式，有關(guān)具體的儀高、i角測(cè)定方法及測(cè)站數(shù)據(jù)處理等方法擬另文詳細(xì)介紹。

4 技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用雙儀對(duì)向同步觀測(cè)原理，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量裝置對(duì)比，具有以下進(jìn)步點(diǎn)：

(1) 優(yōu)化了水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)構(gòu)、改進(jìn)了高差測(cè)量原理，真正實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的2點(diǎn)配置測(cè)量，僅需2人即可作業(yè)。

(2) 采用雙系統(tǒng)對(duì)偶同步測(cè)量原理，提高了測(cè)量的可靠性和精度。

(3) 擴(kuò)展、優(yōu)化了作業(yè)模式，提高了環(huán)境應(yīng)用能力，可以方便地在梯形斷面、陡坡、山區(qū)及跨河等復(fù)雜地形環(huán)境下實(shí)施水準(zhǔn)測(cè)量。

(4) 將標(biāo)尺、水準(zhǔn)儀、腳架、尺墊集成為一體化結(jié)構(gòu)，提高了測(cè)點(diǎn)配置、儀器安置及觀測(cè)速度，大幅提高了測(cè)站作業(yè)效率。

(5) 高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀已將現(xiàn)行國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的限差按等級(jí)內(nèi)置于電子手簿，實(shí)現(xiàn)了高差數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢核及連續(xù)水準(zhǔn)測(cè)量過程的智能化控制，并采用配套的后處理軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)量成果的一體化數(shù)據(jù)處理和測(cè)量成果的輸出打印。

4.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基于上述進(jìn)步點(diǎn)，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量裝置相比，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：使水準(zhǔn)測(cè)量的速度和效率(或測(cè)量可靠性及精度)提高1倍以上，并可節(jié)省人力30%。高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)為“七不”的特點(diǎn)：①不用往返測(cè)量；②不用等距配點(diǎn)；③不用嚴(yán)控i角；④不用3人作業(yè)；⑤不用異步觀測(cè)；⑥不用人工記錄；⑦不用人工檢核。

5 樣機(jī)與試驗(yàn)

5.1 樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的原理樣機(jī)及工程樣機(jī)分別于2015年12月及2016年12月在大連研制成功。高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的工程樣機(jī)具體由編碼標(biāo)尺、電子水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺腳架、標(biāo)尺L型水準(zhǔn)器、尺墊、腳輪、控制電子手簿及遙控器組成。其有關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：編碼標(biāo)尺為塔尺；電子水準(zhǔn)儀測(cè)程3～110 m；高程最小顯示讀數(shù)單位0.1 mm；距離最小顯示讀數(shù)單位1 cm；讀數(shù)時(shí)間3 s；望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)32倍，孔徑40 mm；自動(dòng)補(bǔ)償器補(bǔ)償范圍±12′；安平精度±0.3″；水準(zhǔn)儀圓水準(zhǔn)器8′/2 mm；標(biāo)尺L水準(zhǔn)器4′/2 mm；電子手簿的標(biāo)尺圖像顯示屏為55 mm×73 mm，水準(zhǔn)尺儀總重量為5 kg和7 kg(帶移動(dòng)腳輪)。

5.2 有關(guān)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的有效性及先進(jìn)性，本文進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)和外業(yè)試驗(yàn)，限于篇幅，此處給出兩個(gè)代表性的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)一為四等水準(zhǔn)測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果參見表1、表2。試驗(yàn)二為三等水準(zhǔn)測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果參見表3、表4。其中表2及表4中的A(B)高差及互差是分別根據(jù)A(B)儀器高與對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù)直接計(jì)算、未進(jìn)行i角改正的數(shù)據(jù)。而表中改正后互差及累計(jì)均高程是指經(jīng)過i角改正后的計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 四等水準(zhǔn)測(cè)量參數(shù)信息

表2 四等水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)站高差成果表

續(xù)表2

表3 三等水準(zhǔn)測(cè)量參數(shù)信息

表4 三等水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)站高差成果表

表1、表2是按國(guó)家四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范中測(cè)站高差互差≤5 mm要求測(cè)定的，共設(shè)36站37個(gè)測(cè)點(diǎn)，為了形成閉合差檢驗(yàn)，特使測(cè)站36的終止測(cè)點(diǎn)37與測(cè)站1的起始測(cè)點(diǎn)1重合，水準(zhǔn)測(cè)量路線總長(zhǎng)度為1.3 km。由表2可知：高差閉合差為-2.2 mm。由表1、表2可知：A儀的i角為-1.2″，而B儀的i角達(dá)到了3′(這對(duì)使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量是不可想象的)，特別是第4站i角改正前兩儀高差互差達(dá)68.2 mm，但經(jīng)過i角改正后兩儀高差互差降至1.4 mm，這充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文還進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)計(jì)算了終止測(cè)點(diǎn)37處兩儀累計(jì)高程的互差為3.3 mm，符合規(guī)范中左右路線的互差限差要求，這意味著使用高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量只需單程往測(cè)即可，而無需返測(cè)。

表3、表4是按國(guó)家三等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范中測(cè)站高差互差≤3 mm要求測(cè)定的，共設(shè)28站29個(gè)測(cè)點(diǎn)，為了形成閉合差檢驗(yàn)，特使測(cè)站28的終止測(cè)點(diǎn)29與測(cè)站1的起始測(cè)點(diǎn)1重合，水準(zhǔn)測(cè)量路線總長(zhǎng)度為1 km。由表4可知：高差閉合差為0.4 mm。由表3可知：A儀的i角為9.3″，B儀的i角為61.4″，雖然B儀的i角同樣超出了使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀測(cè)量的限差，但使用高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀經(jīng)過i角改正后仍然可得到可靠的測(cè)量結(jié)果。本文同樣還統(tǒng)計(jì)計(jì)算了終止測(cè)點(diǎn)29處兩儀累計(jì)高程的互差為0.8 mm，符合規(guī)范中左右路線的互差限差要求。

另外，試驗(yàn)還表明：正交標(biāo)尺腳架、L型水準(zhǔn)器及電子目鏡的使用確實(shí)能加快水準(zhǔn)尺儀的安置、照準(zhǔn)調(diào)焦速度，智能尺墊確實(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尺墊的位移，重要的是：高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用2點(diǎn)互動(dòng)配置而非傳統(tǒng)的3點(diǎn)互動(dòng)配置，不再苛求前后距大致相等，這也極大地加快了測(cè)站水準(zhǔn)測(cè)量的速度，因此，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀擁有比傳統(tǒng)水準(zhǔn)尺儀更高的測(cè)站測(cè)量速度。更進(jìn)一步，由于高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用了對(duì)向雙觀測(cè)系統(tǒng)，可不再進(jìn)行傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)的返測(cè)工作，故高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀可使水準(zhǔn)測(cè)量整體效率直接提高1倍以上。

6 結(jié)論及展望

本文的理論分析及試驗(yàn)表明：由于采用了更加科學(xué)合理的一體化結(jié)構(gòu)、更加嚴(yán)密可靠的對(duì)偶測(cè)量原理和適應(yīng)性更強(qiáng)的作業(yè)模式，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀擁有比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀更高的水準(zhǔn)測(cè)量速度和效率。此外，高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀可方便、有效地用于國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量(關(guān)于用于國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量的相關(guān)試驗(yàn)另文介紹)。高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相比，可使水準(zhǔn)測(cè)量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)可節(jié)省人力30%以上，具有更高的性價(jià)比。

高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀成功解決了水準(zhǔn)測(cè)量速度慢、效率低這一困擾全球測(cè)量界幾百年的大難題，將對(duì)全球大地及工程測(cè)量界產(chǎn)生重大及顛覆性的影響，必將開啟人類社會(huì)普及電子水準(zhǔn)儀的新時(shí)代。

致謝：本文在高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研制過程中，得到了武漢大學(xué)寧津生院士的大力支持和指導(dǎo)，得到了天津歐波精密儀器股份有限公司、大連晶碩機(jī)械有限公司、大連九成測(cè)繪信息有限公司等大力支持與幫助，特此致謝。

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[22] 劉雁春,付建國(guó),王海亭.可旋轉(zhuǎn)觀測(cè)的復(fù)合水準(zhǔn)儀：中國(guó)，ZL201320148597.5[P].2013-08-28.

[23] 劉雁春,孟強(qiáng).高精度固定式復(fù)合水準(zhǔn)儀：中國(guó)，ZL201420262329.0[P].2014-10-22.

[24] 劉雁春,孟強(qiáng).用于水準(zhǔn)標(biāo)尺的新型水準(zhǔn)器：中國(guó)，ZL201420262289.X[P].2014-10-22.

[25] 劉雁春,劉志強(qiáng),宋騫,等.高精度水平檢測(cè)器：中國(guó)，ZL201420599706.X[P].2015-02-04.

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[27] 劉雁春,孟強(qiáng).可與標(biāo)尺一體化連接的水準(zhǔn)測(cè)量尺墊：中國(guó)，ZL201620143902.5[P].2016-08-03.

[28] 劉雁春,王海亭,孟強(qiáng).尺儀一體化快速水準(zhǔn)測(cè)量裝置：中國(guó)，ZL201620482193.3[P].2016-12-07.

[29] 劉雁春.可監(jiān)測(cè)位移的水準(zhǔn)測(cè)量尺墊：中國(guó)，ZL201620549750.9[P].2016-12-07.

[30] 劉雁春.可與標(biāo)尺組合攜帶的水準(zhǔn)測(cè)量尺墊：中國(guó)，ZL201620567356.8[P].2016-12-07.

InventionandPracticeofNewHigh-speedBilateralObservationDigitalLevel&Staff

LIU Yanchun1,2,3，WANG Haiting1，ZHAO Junsheng2，MENG Qiang1，LIU Yao1，WU Xianghua1

(1. Dalian Senbior Surveying Instrument Technology Co.Ltd.，Dalian 116023，China; 2. Department of Hydrography and Cartography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China; 3. Department of Navigation Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Leveling is always an important method to obtain precise elevation difference of ground points，but its slow measurement speed and low working efficiency are also difficult problems anound the world.In order to improve the speed and efficiency of leveling，the concept，structure，principle and method of a new high-speed bilateral observation digital level & staff are presented in this paper.Firstly，the unitized configuration design of level and staff is used so that the three-point interactive configuration in traditional leveling is changed into two-point interactive configuration to improve the station setting speed and terrain adaptability of level & staff.Secondly，the principle of dual measurement is invented in which the unidirectional and single system observation of the traditional leveling is changed into bilateral (double) and dual system observation to improve the accuracy and reliability of leveling.Furtherly，the orthogonal two-leg bracket and L type bubble level are designed and used to improve the station setting speed of the level & staff.The theoretical analysis and preliminary practice show that the speed and efficiency of leveling can be raised by more than one times by using the new high-speed bilateral observation digital level & staff which is the fastest，the most intelligent electronic leveling system in the world nowadays.The invention of the new high-speed bilateral observation digital level & staff，will have a tremendous and overturning impact on the global geodetic survey and engineering survey，and will open a new era of the popularity of electronic level in human society.

leveling；high-speed bilateral observation digital level & staff；new invention；design and practice

2017-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(41576105)

劉雁春(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪及工程測(cè)量。E-mail：liuyanchun@sohu.com

劉雁春，王海亭，趙俊生，等.新一代高速對(duì)向觀測(cè)數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：131-137.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0395.

P24

A

0494-0911(2017)12-0131-07