数字水准仪及其在工程测量中的应用

工程测量新技术选修课专题四数字水准仪及其在工程测量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。电子水准仪(electroniclevel)是用于标明目标点水平位置的仪器。(在某些资料中把激光扫平仪视为电子水准仪。)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。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；光学系统也沿用光学水准仪的；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器(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。ZeissDini系列数据格式ZeissDini数字水准仪原始数据有Rec500和RecE两种格式。Rec500格式简单，易于理解，但不包含类型标识符、观测值单位、观测时间等数据，因此信息量相对较少。RecE格式信息量丰富，因此一般选择RecE作为缺省数据格式。RecE数据格式以行为单位，每一行宽度固定为121个字节，记录一条信息。每条信息由格式识别符、地址块、信息块和数值数据块构成：地址块从1到99999，表示本条记录在整个文件中的位置；信息块以27个字符定义点识别和文本信息；数据块有3个，包含水准尺中丝读数、距离读数及前视点的概略高程。测线开始以Start-Line标识，并表明观测方式，结束以End-Line结尾，结束前统计累积后视视线长度和累积前视视线长度。观测过程中只要读取了中丝读数和视线长度就记录一条信息，若该条信息作废则在信息块中以“#####”标识。ZeissDiniRec500数据格式ZeissDiniRecE数据格式LeicaGSI系列数据格式Leica数据格式为GSI(GeoSerialInterface)，根据其数据位是8或16位分为GSI8和GSI16，其他格式完全相同。数据以行为单位，每行包含若干个16位或24位的字段，每个字段以开头两位数字表示数据意义，称为WI(WordIndex)，如41表示测量模式，11表示点号，32表示视距读数，331表示后视第一次中丝读数，332表示前视第一次中丝读数，336表示前视第二次中丝读数，335表示后视第二次中丝读数，WI意义详见Leica公司说明书GSIONLINEforLeicaTPSandDNA。LeicaGSI系列数据格式使用注意事项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．调焦对测量的影响数字水准仪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，及时烘烤干燥剂，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。