专题一：数字水准仪及其在铁路变形监测中的应用

工程测量新技术与高速铁路的运营管理专题讲座主讲人：测量工程系刘成龙教授电话：[phone]西南交通大学测绘工程检测中心主任西南交通大学测量工程系副系主任工程测量新技术与高速铁路的运营管理专题一数字水准仪及其在铁路变形监测中的应用数字水准仪的概念数字水准仪(digitallevel)是用于自动化水准测量的仪器，它采用CCD阵列传感器获取编码水准尺的图像，依据图像处理技术来获取水准标尺的读数，标尺图像处理及其处理结果的显示均由仪器内置计算机完成。数字水准仪的发展1990年Wild厂推出了第一款数字水准仪NA2000，测量精度为±1.5mm/km，用于普通水准测量，1991年升级为NA2002；1991年底推出NA3000，测量精度提高到了±0.4mm/km，达到了精密水准仪的要求，1994年升级为NA3003。2002年推出的DNA03和DNA10，面向精密水准测量，精度分别为±0.3mm/km和±0.9mm/km。2004年下半年推出了面向中低端市场的Sprinter100/100M/200/200M，精度分别为±2.0mm/km和±1.5mm/km。数字水准仪的发展1994年德国Zeiss厂生产出了两种型号的数字水准仪Dini10和Dini20，测量精度分别到了±0.3mm/km和±0.7mm/km，不久又推出了带角度测量功能的Dini10T。？？年Dini12(T)和Dini22，精度分别为±0.3mm/km和±0.7mm/km。1994年底Topcon也推出了两种型号的数字水准仪DL-101和DL-102，测量精度分别达到了±0.4mm/km和±1.0mm/km。1997年升级为能安置PCMCIA卡的DL-101C和DL-102C。？？年SOKKIA推出SDL30M和SDL50M。TrimbleZeissDiniLeicaDNASOKKIASDLTopconDL比较评价指标测量精度测量速度仪器重量电池容量屏幕信息价格测量原理编码标尺望远镜分光镜分划板目镜CCD阵列A/D转换键盘CPU显示器存储器/串口标尺编码规则目前4种数字水准仪都采用的是条码标尺，即用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位置，但是其设计方法却不尽相同。Note：尽管各厂家的编码尺具有不同的编码规则和读数方法，但编码标尺全是由同一厂家，即德国的Zeiss公司生产的，这也是目前世界上惟一能够生产数字编码水准标尺的厂家。标尺编码规则与光学水准仪的比较相同点：数字水准仪具有与传统水准仪相同的光学、机械和补偿器结构；光学系统也是沿用光学水准仪；水准标尺一面具有用于电子读数的条码，另一面具有传统水准标尺的E型分划，既可用于数字水准测量，也可用于传统水准测量。不同点：传统水准仪用人眼观测，数字水准仪用光电传感罪(CCD线阵)代替人眼；数字水准仪与其相应条码水准标尺配用。仪器内装有图像识别器，采用数字图像处理技术。另外对于精密水准仪而言，传统的利用测微器读数，而数字水准仪没有测微器。数字水准仪优点1．速度快：水准仪自动探测读数、记录和检核，不用观测员人工观测，作业速度快慢取决于仪器整置速度和跑尺人员的速度。2．精度高：图像处理技术自动判别读数，免除了观测员人工夹准分划和读数误差的影响。对图形影像多个分划取平均值，有利于消除标尺分划误差。另外速度的提高，可消除与时间有关的外界条件的影响，如温度变化引起的视准轴的变化，大气垂直折光的变化，仪器水准尺升降等的影响。3．仪器重量轻，操作简便，减轻作业员的劳动强度。4．易于实现测量内外业一体化。数字水准仪将数据直接记录在卡或内存中，及时检核，按规定格式输出，便于在计算机上处理，形成自动流程，不仅大大提高了工作效率，而且避免了由于人工记录、计算出现的差错。数据处理数字水准仪能自动采集并将观测数据以一定的记录格式存储下来，为内外业一体化提供原始数据。虽然数字水准仪生产厂家也提供了一部分后处理软件，但要么功能过于简单，不能满足实际生产的需要，要么软件功能强大，价格也较高，一般单位难以承受。而实际上原始数据皆为可读的文本文件，若能熟悉其数据组成格式，就可以编写适合本单位生产需要的程序来完成后续数据处理工作。测段/测线：水准测量中两个水准点之间或水准点与临时点之间的水准路线。测量方式或程序：水准测量过程中，为减弱或消除多项误差的影响而采取的观测顺序，如后前、后前前后、后后前前等，常用B(Back)表示后视，F(Fore)表示前视，a(altering)表示奇偶数站交替。数据读取流程图打开文件作废数据？按行读取数据否否测线结束？原始文件尾部保存高差文件退出程序测线开始？提取测量模式，测线号是是否含Rb？提取后视视距、读数，根据测量模式区分两次读数是否含Rf？提取前视视距、读数，根据测量模式区分两次读数是否否模式最后一个读数？否是计算并显示测站高差、距离等信息否For开头？否RecE文件或Rec500文件是是打开文件显示数据格式假设每个数据文件的多条Line采用同一种格式开头41还是*41增加一条新Line按行读取数据读取数据格式是再读一行数据否按测量模式读取视距与标尺读数测量模式的最后一个读数计算并显示高差、距离等信息是否原始文件尾部是保存高差文件退出程序否DiniGSI使用注意事项1．补偿误差数字水准仪是在光学自动安平水准仪的基础上发展起来的，补偿器基本上都属于吊带重力补偿器，经过运输、温度变化等，其内应力发生变化，补偿性能差异较大，必须定期检测，超过限差时应及时调校。另外应注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不要立即测量，要有1～2秒的时间延迟。2．视准线误差(i角)视准线误差的大小直接影响着水准测量的成果，测量过程中尽量保证前后视距离差在规定的范围内。数字水准仪一般都有独立的测距功能，水准尺读数前可以根据距离测量值调整水准尺或水准仪的位置。使用注意事项3．光亮度对测量的影响数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为用于测量的有效电信号，这些有效的信号强度是由时间积分决定的，象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围大约为几毫秒到2秒之间。①采样条码群体中亮度不均匀时（如遇阴影），就会使曝光时间失控，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。②在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，既使传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量信号的估算产生困难，往往造成测量失败。③另外在测量中光强发生强烈变化时，此时应停止测量。④在测量中，若仪器处的亮度大于标尺处的亮度时，光线通过仪器的物镜和目镜的漫反射，使CCD的本底噪声增大，造成标尺条码曝光不足，使测量失败或影响测量。这时可将目镜遮住，物镜罩上遮光罩，情况就会得到改善。使用注意事项4．调焦对测量的影响但是数字水准仪是依据用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值，因此调焦对测量的影响远比光学水准仪小得多。若仅是通常调焦波动，则对测量结果只产生微不足道的影响，测量时间相对延长而已。若读数时焦距未调整清晰，则易造成测量失败。5．标尺安置状态对测量的影响仪器在自动测量过程中对标尺安置状态的监视反映很迟钝，偏离垂直状态很大范围，仪器仍然测量。因此显得标尺安置更为重要。精密因瓦条码标尺上都安置了圆水准器，这对提高标尺的安置速度有一定益处。6．磁致误差虽然目前数字水准仪的补偿器都是用铝或非磁性材料制造的，在均匀磁场下检测无显著影响，但在交变磁场中，都能检测到补偿器的偏转量，因此测区通过大功率的发电厂、变电枢纽或测线沿高压输电线、电气化铁路时，要谨慎选用仪器，必须检测其磁致误差影响幅度。使用注意事项7．仪器的晾置和预热由于仪器参数(如i角)受环境温度影响易发生变化，作业前仪器充分晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致或处于稳定的热交换平衡状态，避免仪器在初始阶段(温度不稳定阶段)进行测量而影响精度。在结束晾置时间前3分钟打开电源进行预热，晾置时间与仪器和环境的温差成正比，对精密测量，晾置时间一般是温差度数的2~3倍。如温差l0℃，则晾置时间约20~30min。在潮湿情况下，应擦去水珠，晾干或吹干仪器，及时烘烤于燥剂，使仪器存放在干燥的箱体内。8．振动对测量的影响由于交通、机械、风等产生的振动，影响补偿器致使视准线不稳。在周围环境恶劣时，如明显的机械振动，载重运输车通过，风力过大等，应暂停测量。铁路路基和桥梁墩台沉降监测的方法与应用高速铁路路基和桥梁墩台沉降控制标准分别为：法国高速铁路路基沉降的控制标准为：工后沉降不超过20mm，剩余沉降每年不超过10mm，25年总沉降不超过100mm。欧洲高速铁路桥梁墩台沉降的控制标准为：浅基桥墩台顶工后允许沉降小于30mm，桩基桥墩台顶工后允许沉降小于20mm，两相邻墩台顶工后允许沉降差小于30mm。铁路路基和桥梁墩台沉降监测的方法与应用我国既有桥梁提速200km/小时的技术要求为：梁体的竖向挠度不应大于下表的允许值梁体的竖向挠度允许值跨度L（m）L≤2424＜L≤4040＜L≤96挠度允许值单跨L/100024mm(L=24m)L/90044mm(L=40m)L/900106mm(L=96m)多跨L/140017mm(L=24m)L/120033mm(L=40m)L/900106mm(L=96m)路基和桥梁墩台沉降监测的方法1、沉降监测的方法、仪器和工具根据目前的技术和手段，通常采用精密几何水准测量的方法，即用精密数字水仪（DiNi12）及其配套的精密铟钢条码水准尺和标准尺垫、扶尺架等，按照某一精度等级水准测量的施测要求，以往返附合水准路线或闭合水准路线的形式，定期地从基准点对布设在路基基础和桥梁墩台基础上的监测点进行观测，则不同周期观测的监测点的高程变化量，就是由于路基基础和桥梁墩台基础在时间作用下和动静荷载作用下所引起的监测点的沉降量。路基和桥梁墩台沉降监测的方法2、基准点和监测点的位置设计与埋设基准点----对铁路路基和桥梁墩台基础沉降监测基准点的位置和数量要求是：①稳定--作为变形监测的基准点，一定要远离建筑物荷载的影响区域，并有一定的埋设深度和不易遭受破坏；②联测方便；③在数量上至少有三个，以便通过基准点的联测，监测和检验基准点的稳定性。路基和桥梁墩台沉降监测的方法监测点----对铁路路基和桥梁墩台基础沉降监测监测点的位置和数量要求是：①监测点布设在被观测路基和桥梁墩台最能反映变形特牲的位置上，为此在路基和桥梁墩台基础地质不良地段两侧应布设监测点，在路基的纵横方向应布设监测点；②点位应布设在便于观测、点位稳定和施工干扰小的地方；③点的数量应能反映整个路基和桥梁墩台基础的变形情况，并满足变形分析的需要。路基和桥梁墩台沉降监测的方法沉降监测点在钢筋混凝土墩台中的埋设要求，见下图。路基和桥梁墩台沉降监测的方法3、沉降监测观测路线设计基准点之间的水准联测，应采用闭合水准路线的形式；监测点之间的水准观测，既可采用附合水准路线的形式，也可采用闭合水准路线的形式；而基准点与监测点之间的水准联测，应采用往返附合水准路线的形式，之所以设计这样的水准观测路线，是因为闭合环或附合水准路线，都具有多余观测，有利于检测外业观测中的粗差和错误，提高外业观测数据采集的质量和可靠性，同时还有利于数据的严密平差和提高精度。路基和桥梁墩台沉降监测的方法路基和桥梁墩台沉降监测的方法路基和桥梁墩台沉降监测的方法4、沉降监测的观测周期监测点沉降监测的观测频率即观测周期，应根据运营的时间、监测的目的和沉降量的大小决定。对于新运营的铁路，监测的频率应大一些，如第一年，可每个月观测一次，第二年可每季度观测一次，第三年可每半年观测一次，以后则每年观测一次。若监测到的沉降量大，则应加密观测次数，反之则应减少观测次数。若监测的目的是为了研究路基和桥梁基础沉降变形的详细过程，也应加密监测的次数。路基和桥梁墩台沉降监测的方法5、相对沉降量和累计沉降量的计算相对沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的上一次观测高程累计沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的第一次观