數字水準儀在衡水湖水準引測中的應用

吳志福

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

0 引言

衡水湖位于河北省衡水市，屬于海河流域子牙河水系。衡水湖東湖分為兩個湖區，其中，南部小湖稱為冀州湖。2022 年，冀州湖新設立了水位站，為了與衡水湖大湖區采用相同高程基面，需要進行高程引測。采用CORS 系統引測高程時，由于湖面的多路徑效應等因素影響，測得衡水湖北岸邊與南岸邊湖水位相差0.22 m，這與實際相差太大。水準測量是高程測量中精度最高和最常用的一種方法，廣泛應用于水文測驗，因此決定采用三等水準測量方法引測。隨著測繪科學技術的發展，數字水準儀以其高精度、方便、快速等優點，逐漸代替光學水準儀在水文測量中得到了應用［1］。陳卓［2］使用數字水準儀引測了8 個水文站的水準點高程，閉合差小于3 mm，但距離較近，均小于420 m。衡水湖三等水準引測距離為15.42 km，本研究通過應用數字水準儀，實踐驗證其在水文測量中的可行性。

1 數字水準儀的原理及性能

數字水準儀也稱電子水準儀，由望遠鏡、水準器、基座及數據處理系統組成。數字水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），通過對條形碼標尺進行掃描及圖像處理，實現觀測、記錄、計算、顯示和存儲的自動化。該儀器操作簡單，與傳統的光學水準儀相比具有以下特點。

1.1 測量精度高

由于視距讀數和視線高讀數都是標尺的大量條碼分劃圖像經處理后取平均獲得的數值，減小了標尺分劃誤差的影響；又具有多次讀數取平均值的功能，削弱了外界條件影響，提高了測量精度。以索佳數字水準儀和光學水準儀進行技術參數比較，具體見表1。

表1 兩類水準儀技術參數比較

1.2 測量速度快

由于省去了上下絲及中絲目測讀數、逐項紙質記錄、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與使用光學水準儀相比可以節省40%。

1.3 測量效率高

具有智能化自動調焦功能可快速照準標尺，只需按鍵就可以自動客觀讀數，減輕了勞動強度，還沒有人為讀數誤差。能自動記錄和檢核視距，測量數據易傳輸，可在計算機中進行后期處理，實現了內外業一體化，提高了作業效率。

1.4 測量模式多

機載軟件自帶多種水準線路和不同等級的測量方式，支持的測量模式有：BF、BFFB、BBFF、BFBF、aBF、aBFFB、aFBBF。

2 數字水準儀施測操作步驟

以索佳SDL 1X 數字水準儀為例說明水準測量施測操作步驟。

2.1 建立作業文件

選取記錄測量數據的文件。儀器內存中共有20個文件供記錄數據時選用，默認文件名為JOB1～JOB20，文件名可根據需要進行更改，一個文件可保存100 條水準路線的數據。操作步驟：主菜單—內存管理—文件管理—文件選取—按［列表］鍵，將光標移至所需文件名上后按［確定］鍵選取。

2.2 設置路線

選取或新建一條水準路線。需要設置測量水準路線的等級，或對水準路線的觀測程序、限差等值進行自定義設置。操作步驟：主菜單—測量菜單—路線測量—路線設置—屏幕顯示當前選取的路線—按［列表］鍵選路線名后按［確定］鍵或［新建］鍵—按［ok］鍵。

新建路線名時需要設定路線名、起點名及高程、終點名及高程、往返測設定、測量等級設定、標尺讀數次數、觀測順序、高程及距離顯示位數、高差之差限值、視距長上下限值、視距高上下限值、前后視距差限值、視距差累積限值。

2.3 設置氣象條件

操作步驟：主菜單—測量菜單—高差測量—氣象條件（包括溫度、天氣、風速、風向、測量員、備注）—按［ok］鍵。

2.4 測站觀測

以后、前、前、后（BFFB）測量模式為例說明。同自動安平水準儀一樣，在測站上架設整平儀器。可用預測量功能進行前后視距觀測，在判斷前后視距大致相等后，按［ok］鍵。

用調焦旋鈕調清標尺映像后，操作步驟：①照準后視標尺，按右側的藍色［測量］鍵進行后視第1次讀數；②照準前視標尺，按［測量］鍵進行前視第1次讀數；③按［測量］鍵進行前視第2 次讀數；④照準后視標尺，按［測量］鍵進行后視第2 次讀數；每次讀數后應檢查測量結果并按［ok］鍵確認。測量結果顯示在屏幕上為：高差、后視距、前視距、視距差累積，此時屏幕下方按鍵為［固定點］［結束］［ok］。按［固定點］鍵可設立固定點名稱，輸入溫度和備注后按［ok］鍵。按［結束］鍵結束高差測量返回高差測量菜單界面。按［ok］鍵進入下一測站測量界面。

2.5 路線測量

將儀器遷至下一測站并架設于前視、后視標尺中間，重復①～④步驟進行測站觀測。按［測量］鍵觀測，若數據超過水準等級限差時，儀器會自動顯示出錯信息，提示需重測本站。完成最后一個測站觀測并檢查測量結果后按［結束］鍵。輸入溫度和備注后，按［ok］鍵結束該測段測量，返回高差測量菜單界面。

2.6 路線計算與平差

往返測路線平差操作步驟：主菜單—計算處理—往返測不符值—按［列表］鍵顯示路線名表并選取往測和返測路線名—按［計算］鍵計算并顯示往返測不符值結果。按［平差］鍵進入平差方法選取界面—選擇平差方法“距離法”或“點數法”—按［ok］鍵后輸入起點高程—按［ok］鍵后開始平差計算—按［記錄］鍵后按［yes］鍵確認，平差計算結果將作為已知點保存在名為“原路線名”+“序號”的路線下。

2.7 成果導出

輸出文件數據有3 種方式：①用通信電纜DOC129 向計算機輸出文件數據。②向SD 卡輸出文件數據。③向USB盤輸出文件數據。操作步驟：主菜單—內存管理—文件管理—通訊輸出—選取輸出格式“CSV1”或“CSV2”—輸出方式設為“Com”或“SD”或“USB”—按［ok］鍵。其中，CSV1 為輸出各測站全部原始觀測值結果；CSV2 為輸出整理后的各測站前后視觀測值、高差值和前視點高程值。使用數字水準儀數據處理軟件打開文件夾下的作業名導出為正式的成果表。

3 數字水準儀應用實例分析

3.1 確定水準路線

從衡水湖水文站的基本水準點引測到冀州湖水位站的水準點，路線長度為15.42 km，采用支線水準路線三等水準測量。根據《國家三、四等水準測量規范》（GB/T 12898—2009）規定，在人口稠密、經濟發達地區三等水準路線每隔2～4 km 應埋設普通水準標石一個［3］。因此，沿環湖公路布設水準路線，劃分為7 個水準測段，在測段端點的道路肩部設置道路水準標志6 個，均選在路面堅實、觀測方便的地點。衡水湖三等水準測量路線圖，見圖1。

圖1 衡水湖三等水準測量路線圖

3.2 測量準備

水準測量需要的儀器設備包括：數字水準儀（含三腳架）1 臺、條形碼標尺1 對、尺墊2 個、對講機3 個。

需要測量人員4名，警示背心4件，電動三輪車1 輛。1 人騎電動三輪車接送測量人員，來減少人員勞動強度和縮短測量時間。

3.3 三等水準測量技術要求

根據《國家三、四等水準測量規范》（GB/T 12898—2009）和《水文測量規范》（SL 58—2014）規定，選取了支水準路線三等水準往返測量技術要求，見表2。

表2 三等水準測量技術要求

在使用前，應將數字水準儀置于露天陰影下30 min，確保儀器與外界氣溫趨于一致，并進行預熱不小于20 次單次測量。每一測段的往測與返測站數宜為偶數，可以消除對水準尺零點差的影響。測量的高程單位和記錄到內存的單位顯示位設置為0.000 1 m。

3.4 測量結果及平差計算

支水準路線測量為從已知水準點測至待測點，再返回到已知點，理論上往測與返測高差的絕對值應相等，否則有高差不符值。每完成一條水準路線的測量，應進行往返測高差不符值及每千米水準測量偶然中誤差的計算［3］。支線水準路線往返測高差不符值Δh計算式為式（1）。

式中：Σht、Σhc為測段上各測站的往測、返測的高差總和，mm。

每千米水準測量偶然中誤差MΔ計算為式（2）。

式中：n為測段數；K為測段長度，km。

當高差不符值Δh小于等于限差時，采用平差計算消除不符值。支線水準路線測段高差取各段往返測高差絕對值的平均值，測段高差的正、負號以往測為準，再計算各點高程。

衡水湖三等水準測量結果見表3。從表3 看出，往返測高差不符值的絕對值最大值為2.8 mm，遠小于不符值限差。由式（2）計算每千米水準測量偶然中誤差為1.9 mm，小于偶然中誤差限差3.0 mm。測量結果表明，數字水準儀在水文測量中，精度符合規范要求，達到使用標準。

從已引測的冀州湖水位站水準點（BM8）引測衡水湖南岸的水邊高程為20.319 m，從衡水湖水文站基本水準點（BM1）引測衡水湖北岸水邊高程為20.302 m，南北岸水邊直線距離為11.82 km，測量水位相差0.017 m。引測水邊高程時，因天氣為東北風3 級，致使南岸水位有所偏高。冀州湖與衡水湖大湖區有一條防護堤相隔，引測冀州湖水位比衡水湖水位低0.70 m。

4 數字水準儀在施測中的誤差分析

從表3 可以看出，在用數字水準儀進行實際測量時，由于受到多種因素的影響，測量結果的往返測高差不符值達2.8 mm，說明也存在一定程度的誤差。為了最大限度地降低誤差，保證測量結果的準確性，需要采取針對性的有效控制措施來減小誤差。

表3 三等水準測量結果

4.1 儀器本身存在的誤差

數字水準儀的誤差主要為線陣探測器（CCD）的物理特性引起的誤差、信號分析和處理的誤差、電視準軸的i角誤差［5］。測量信號生成和處理的前提是獲得清晰、完整的條碼影像。測量過程中光線過強或過弱、條碼標尺表面光照不均勻、觀測瞬間強光閃爍、外界熱閃爍，都會降低標尺條碼影像在探測器（CCD）上的對比度，造成局部失真，產生測量誤差或者無法讀數。因此，觀測時應避免強光、逆光、陰影，并選擇光線相對均勻的環境條件。信號分析和處理的誤差取決于數字水準儀內置軟件的算法和技術先進性。電視準軸的i角誤差對水準測量的影響理論上與光學水準儀i角誤差相同［5］，可采用前后視距相等來減小，或由機內設置的程序自動改正。

水準標尺零點差，即水準標尺多次使用后磨損和加工制作時造成的尺子零點和尺底不一致的誤差?？刹捎妹總€測段都為偶數站觀測，并且返測時前后尺要互換位置來減小此誤差。

4.2 外界環境帶來的誤差

4.2.1 振動對水準測量的影響。水準路線常布設在交通公路上，數字水準儀對重型車輛通過時造成的空氣流動和地面震動非常敏感，標尺條碼成像在儀器視場中上下跳動，從而導致測量誤差。因此，應選擇穩定的地方設站和立尺，并選擇有利的觀測時間，來減弱補償器振動和地面震動對測量結果的影響，提高測量精度。

4.2.2 大氣折光對水準測量的影響。視線在大氣中穿過會受到大氣折光的影響，視線越長離地面越近，大氣折光的影響就越大［6］。在平坦區，采用同站前后視距相等的方法，降低與抵消折光差；在山丘區，上下坡途中前后的視線與地面的距離不相同，存在大多數的非系統性折光差，采用減小視距和提升視線高度的方法，達到降低大氣折光的影響。

4.3 測量人員的操作誤差

4.3.1 調焦質量對水準測量的影響。調焦質量不高致使標尺成像不清晰，或者從后視轉向前視不進行調焦而不清晰時，都會造成不能準確反映測量值?？刹捎镁珳收{焦和前后視的距離大致相等來減小此誤差。儀器觀測員的視力相差過大會造成調焦焦距不相同，在探測器（CCD）上的成像就會和標準值有偏差，相應的測量結果也就不準確?？刹捎迷谕粭l水準路線上不更換觀測員，由視力較好的觀測員進行觀測，以此來消除由于調焦帶來的測量誤差。

4.3.2 儀器整平和立尺不規范對水準測量的影響。儀器整平時氣泡居中后，應再將儀器旋轉90°，仍要確保氣泡居中。測量讀數時標尺豎立不直，在視線方向前后傾斜，會造成讀數偏大，而且視線越靠近尺頂位置，誤差就越大。在照準標尺測讀時，扶尺員應確保標尺上、下兩個圓水準氣泡居中，觀測員讀數后及時用對講機通知扶尺員休息，在提高扶尺質量、保證測量精度的情況下，減輕扶尺員工作強度。

總之，在水準測量的過程中，測量人員需要綜合考慮引起誤差的各種因素對測量結果的影響，在觀測過程中采取有效措施，保證測量精度。

5 結語

實踐證明，熟練地應用數字水準儀比傳統光學水準儀在操作時更加智能化，省時間，省力，工作效率高，測量精度滿足規范要求。測量中應注意以下事項。

①水準尺的條形碼面要保護好，保持清潔，否則損壞或太臟可能得不到正確的結果。

②視線在被樹葉等遮擋時，不應超過標尺在望遠鏡中截長的20%；若有振動時，應待振動源造成的振動消失后，才能啟動測量鍵。

③合理安排測量時間，不能因為追趕測量工作進度，而不顧天氣變化或天色已黑。應停止測量并做好2個以上間歇點。