淺談數字水準儀在水文測量中的應用

陳 卓

（陜西省安康水文水資源勘測局,陜西 安康 725000）

水準儀是水文勘測工作中常用的儀器，在水準點引測、互校、水尺零點高程和大斷面的測量三、四等水準測量中都會應用。傳統的微傾式水準儀和自動安平水準儀都屬于光學水準儀。數字水準儀是20 世紀90 年代出現的新型水準測量儀器，解決了水準儀數字化讀數的難題，標注著水準測量由精密光學儀器到光學數字化測量儀器一體化的過度。近年來，數字水準儀也在水文測量中得到了應用，數字水準儀相比光學水準儀，有自己獨特的優勢和特點，在操作時更加智能化，省時間，省力，工作效率更高等特點。

1 數字水準儀基本原理

數字水準儀以自動安平為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD)，采用條形編碼標尺和電子影像處理原理，用CCD 行陣代替人的肉眼，將望遠鏡像面上的標尺成像進行編碼求值轉換成數字信息，自動進行讀數記錄、各項限差計算，實現水準測量的自動化、數字化、一體化。

2 功能及特點

1）測量精度高。國產的瑞德DL-201/2007 數字水準儀采用相位法讀取高程信息，標尺的條碼象經望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD 線陣上，用于進行光電轉換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測。以DL-201/2007 和普通光學水準儀進行比較，見表1。

表1 數字水準儀和光學水準儀技術參數比較

2）測量速度快。由于省去了報數、聽記、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與傳統儀器相比可以節省1/3 左右。

3）測量效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實現內外業一體化。

4）測量模式多。儀器內部軟件自帶多種線路水準測量方式，支持的測量模式有：BF、BFFB、BBFF、BFBF、aBF、aBFFB、aFBBF，支持高程放樣、高差放樣、視距放樣等多種功能，并保存測量結果，無需擔心數據丟失。

3 數字水準儀在水文測量中的應用

在應用實習時選擇地形具有代表性的某水文站采用數字水準儀三等測量，選擇水文站已有的兩個已知水準點，基3 和BM3，采用附合往返測水準路線。目的在于檢驗儀器在使用過程中操作是否方便，精度是否達標。由于儀器是DS3 級標準，可設置儀器顯示單位值為標準值1 mm 和精密值0.1 mm，使用鋁合金條碼標尺，按照水文測量規范（SL58-2014）標準，設置平均測量次數為3 次。

圖1 某水文站水準三等測量路線圖

3.1 準備工作

設備：瑞德數字水準儀1 臺、條形碼標尺2 根、尺墊2 個。

人員：3 人，1 人操作水準儀，2 人扶尺。

基面：國家85 基準。

3.2 操作步驟

3.2.1 測量過程

①新建文件夾

一個文件夾代表著這次測量任務所有作業保存的地方，在每次開始測量前必須新建文件夾。一般以日期和地名簡稱命名，如：0920AK，代表著9 月20 日安康站。

②新建作業

一個作業代表著一個測量項目或是一個測段，命名時要區分清楚，一次往返測閉合是由一個往測和一個返測作業組成的。

返回主菜單進入線路測量模式，在新建的文件夾內，選擇三等（BFFB）或四等（BBFF）水準作業，輸入作業名：31（代表三等往測）、32（代表三等返測）、4P1（代表基本水尺往測）、4P2（代表基本水尺返測），作業名不能重復使用。

輸入后視點名、后視高程后開始測量。

③注意事項

測量前，按界面SET 鍵，首先設置N 數，N 為每測一次儀器發射到標尺返回的讀數信號，國家水準測量規范要求，三等N 為3 次，四等N 為2 次；其次設置前后視距限差，累計視距限差，標尺高度限差，在測量過程中，如果超出該范圍，儀器會自動提示；最后設置最小讀數，《水文測量規范》規定采用數字水準儀，平均高差均值計算取至0.1 mm。設置好一次后，儀器默認保存。

三等測量過程中，對準標尺后，應先按DIST 鍵快速的測出前后視距，調整標尺位置。

三等測量的順序為：BK1→FR1→FR2→BK2（后前前后）

四等測量的順序為：BK1→BK2→FR1→FR2（后后前前）

四等測量水尺時，在BK2 之后點IN/SO 鍵，插入間視，輸入水尺編號。測量完畢后，注意點擊REC 鍵保存。每次測完后顯示單次結果：標尺均值、視距均值、N、δ（為3 次測量的標準偏差，不宜超過1 mm。）

三等、四等單程（偶數站）結束后，點MENU 鍵，選擇水準點閉合或是過渡點閉合，輸點名后顯示測量結果，結束點號、結束點高程（需記錄）、總視距、高差中數之和，往測結束。返回主菜單，重新進入線路測量模式，新建作業32 或4P2（代表返測），調整儀器高，輸入往測結束點名、高程后開始返測，閉合后同樣操作。（中途關機，重新打開儀器，繼續線路測量，只要后視點未動，可從當站的BK1 重新開始。）如測量錯誤，點REP 鍵，返回上一步測量。

④二等測量

電子水準儀在水準點引測作業時可以使用往返測（ABFFB）模式，該模式為二等測量，符合規范要求引測水準點的標準。視距，標尺限差設置，觀測順序為奇數站后前前后，偶數站前后后前，測量成果精度達到規范要求。

表2 二等水準測量技術要求

在觀測過程中，首先調整目鏡旋鈕，使視線內十字絲最清晰，然后調整調焦螺旋使標尺條碼為最清晰并使十字絲的豎絲對準條碼的中間，精密的調焦可縮短測量時間和提高測量精度，當進行高精度測量時要求精確的調焦，同時多次測量。

3.2.2 成果導出

測量結束后，通過讀卡器將SD 卡內的原始數據導入到計算機。文件夾下的各項作業都是以“.L”為后綴名儲存的。使用瑞德公司開發的數字水準儀下載處理軟件打開文件夾下的作業名導出為正式的成果表。

表3 三等水準測量往返測記載表

表4 水準點互校成果表

表5 2017 年各站水準點校核成果表

上述成果表明，數字水準儀在水文測量中，精度滿足規范要求，可以達到使用標準。

4 數字水準儀誤差

1）儀器內部機械誤差

數字水準儀儀器結構上和光學水準儀基本一致，而光學水準儀儀器內部零部件的誤差來源也是數字水準儀的誤差來源。如調焦透鏡，圓水準器的誤差。

2）自動補償裝置誤差

數字水準儀與自動安平水準儀補償原理一樣，由重力擺和阻尼器構成，因此補償誤差包括補償器安平誤差、剩余補償誤差等。

3）電子設備誤差

由于儀器內部電子元件在溫度、濕度的影響下會影響其精度，條碼尺表面受到污損后不平整，也會引起讀數誤差。

5 結論

（1）數字水準儀在使用過程中應避免正對太陽光，有樹葉等其他障礙物遮擋時，遮擋范圍不宜超過20%，若作業地面震動，應暫停觀測，以免帶來誤差。

（2）數字水準儀專用條形碼尺應保護完好，尺面整潔無污漬遮擋尺碼。

（3）現有的數字水準儀成果導出軟件還沒有達到水文資料整編的要求，仍需人工整理成果，后續還需開發出對應的軟件方便原始數據更快捷的轉化為水文測量成果。