浅谈两种数字水准仪的使用

摘要：本文结合两种数字水准仪的基本原理，对数字水准仪的优缺点简单说明，并对提高数字水准仪的观测精度简单总结。

关键词：数字水准仪原理测量算法 干扰因素

Abstract: combining with two kinds of digital levels, the basic principles of digital levels of the advantages and disadvantages of that simple, and to improve the accuracy of digital levels observed simple summary.

Keywords: digital levels principle measuring algorithm interference factors

中图分类号： O572.21+3文献标识码：A文章编号：

概述

辽宁省地理信息院自2008年分别引进徕卡DNA03，TOPCON DL-502两种数字水准仪进行工程测量，经过3年多的应用，我们对数字水准仪有了初步的认识。

1963 年Fennel厂研制出了编码经纬仪，加上四十年代已经出现的电磁波测距技术，随着光电技术、计算机技术和精密机械的发展，到八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术，然而到八十年代末水准测量还在使用传统仪器。这是由于水准仪和水准标尺不仅在空间上是分离的，而且两者的距离可以以1米多变化到100米，因此在技术上引起数字化读数的困难。

为实现水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试，如蔡司厂的RENI 002A已使测微器读数能自动完成，但粗度数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的电子水准仪，又如利用激光扫平仪和带探测的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录，由于这种试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。

1990年威特厂首先研制出数字水准仪NA2000。可以说，从1990年起，大地测量仪器已经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高技术产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。

数字水准仪的基本组成

数字水准仪又称电子水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。目前世界上生产数字水准仪的厂家有瑞士徕卡（Leica DNA03、NA3003、NA2002等）、德国蔡司（Zeiss DiNi 11、DiNi 12、DiNi 22等）、日本拓普康（Topcon DL-502/503等）和日本索佳（Sokkia SDL1/SDL2），各厂家的数字水准仪采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（线阵CCD器件）、读取电子元件、单片微处理机、CSI接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等，标尺采用条形码供电子测量使用。

电子水准仪采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，编码规则各不相同，不能互换使用。各厂家在数字水准仪研制过程中采用了不同的测量算法，条形码编码方式和测量算法不同仅仅是由于专利权的原因而完全不同。

数字水准仪的基本工作原理

从1990年徕卡测量系统的前身―瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，到1994年德国蔡司厂研制出了数字水准仪DiNi 10/20，同年日本拓普康公司也研制出了数字水准仪DL101/102，各厂家最初研制的数字水准仪大都定位在中精度水准测量范围，标准差一般为1.0~1.5mm/Km，随着微电子技术和传感器工艺的发展以及人们认识水平的提高，各厂家随后又相继研制出高精度的数字水准仪，测量标准差定位在0.3~0.4mm/Km，如Leica NA3003、Zeiss DiNi 11/12、Topcon DL-101C，2002年5月徕卡公司又向中国市场投放了DNA03中文数字水准仪（测量标准差为0.3mm/Km）。

数字水准仪是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物,它依据图像识别原理,将编码尺的图像信息与已存贮的参考信息进行比较获得高程信息，从而实现了水准测量数据采集、处理和记录的自动化。虽然各厂家的仪器结构和条形码的编码方式不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置。目前照准标尺和调焦仍需目视进行，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器CCD）上，供电子读数。随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（参考信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。

徕卡DNA03采用相关法，拓普康DL-502采用相位法，这是两种原理上相差较大的自动电子读数方法。下面简单介绍两种测量算法。

徕卡水准仪

徕卡系列数字水准仪的标尺采用的是伪随机条形码，并将其事先存储在数字水准仪内作为参考信号，与CCD上的成像所构成的信号（测量信号）按相关方法进行比较，当两信号处于最佳相关位置时，即获得标尺读数和视距读数。相关法需要优化两个参数，也就是“高”和“比例”，即“仪器―标尺”的高差和条码成像的宽窄比例。

由于仪器到标尺的距离不同，条码在探测器上成像的宽窄也将不同，随之电信号的“宽窄”也将改变。于是引起相关的困难。徕卡系列仪器采用二维相关法来解决这个问题，也就是根据精度要求以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”，与探测器采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号，则再改变，再进行一维相关，直到两信号相同为止，可以确定读数。参考信号的“宽窄”与视距相对应，“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，因此二维相关中，一维是视距，另一维是视线高。测量信号与参考信号最大相关的地方相关函数的值最大，由最大值确定距离d和标尺读数h。

拓普康水准仪

拓普康水准仪的水准尺上有三种不同的码条，见上图，三重连续参考码R，每隔30mm就有一组R码条重复出现。在每组R码条的左边10mm处有一道黑色的B码条。在每组参考码R的右边10mm处为一道黑色的A码条。每组R码条两边的A和B码条的宽窄不相同，，这两种码包含了水准测量时的高度信息。仪器设计时有意安排了它们的宽度按正弦规律在0到10mm之间变化。其中A码条的周期为600mm，B码条的周期为570mm。当然，R码条组两边黄码条宽度也是按正弦规律变化的，这样在标尺长度方向上就形成了亮暗强度按正弦规律周期变化的亮度波。每一个条码的中心间距是一个常数为10mm,A和B条码的正弦信号在水准尺的尺端处有一个错开的相位差为π。因此在4m的水准尺上，A和B的信号值始终有一个明确的差值。采用快速傅立叶变换（FFT）计算方法，得出R、A、B三个信号的频率和相位，再根据频率和相位进行处理。

两种数字水准仪的性能指标见下表。

数字水准仪的优点

使用徕卡DNA03，拓普康DL-502电子水准仪可自动测量记录，自动计算高程和闭合差。在测量中可自动设置测量限差，超限自动提示，停止测量。

使用传统的光学水准仪外业测量最少需要4人，而且还有大量的数据计算与处理工作，而使用徕卡DNA03只需要3人，就可以开始测量，而且测量结果自动计算，外业完成后，可以立即得到结果，大大减轻了工作量，而且降低了人为错误的概率，容易确保测量精度。较光学水准仪，电子水准仪有以下优点：

1读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。

2精度高。 视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件如振动、大气扰动等的影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。这同时也就要求标尺条码要有足够的可见范围，用于测量的条码不能遮挡。

3速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。

4效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。

5操作简单。由于仪器实现了读数和记录的自动化，并预存了大量测量和检核程序，在操作时还有实时提示，因此测量人员可以很快掌握使用方法，减少了培训时间，即使不熟练的作业人员也能进行高精度测量。

数字水准仪的缺点

但是，由于数字水准仪原理和特性所决定的仪器结构方面的问题也逐渐暴露出来。若在使用中对一些问题重视不够，就会使观测数据的精度减弱或出现较大的偏差。

使用数字水准仪必须考虑各项干扰因素的作用。通过仪器的使用和相关的资料显示，影响较大的主要有三个方面：一 是光线的影响，包括自然光线的强弱和前后两根水准尺分别处于顺光和逆光的情况；二 是大气的影响，包括空气的扰动和光线的折射；三 是物理条件的影响，包括外界震动，水准仪的架设，水准尺的放置，尺的变形。 自然光线的强弱，空气的扰动，外界震动这几项影响会产生热效应，从而照成光线折射。水准尺处于顺光或逆光的情况，光线的折射，

水准仪的架设，水准尺的放置，尺的变形，会使码元素尺寸和像素尺寸互相干扰，甚至在一定距离上产生错误结果。目前，对光线折射产生的影响，是通过采用高灵敏度感应器和图像分析补偿过程进行处理的。

在用数字水准仪进行测量作业中，我们经历过以下情况：

1数字水准仪要求有一定的视场范围，但有些情况下，只能通过一个较窄的狭缝进行照准读数，例如在仪器和水准尺之间有树木，枝叶遮挡部分条码区，待读条码区未被遮挡，仪器无法读出条码。

2两根水准尺在不同的光照条件下，对数字水准仪的影响较大。例如，水准路线与太阳照射方向平行，在前后视等距约为30m，太阳光较强情况下，仪器照准太阳方向观测时，待读条码区目视清晰，仪器往往无法读出条码；此外水准尺被地物阴影覆盖，视距约为10m-20m，仪器往往也无法读出条码。

3环境对仪器的影响颇大，在风力较大，过往车辆频繁等情况造成仪器震动情况下观测，当视距超过40m，读数困难，而且前后两次读数差不能达到精度。在某段四等水准测量中，利用拓普康DL-502观测，由于观测时风力较大，有不少站前视或后视观测数据前后两次读数差在3-5 mm,结果这段水准闭合差超限。

因此建议在使用数字水准仪观测时，水准标尺亮度均匀，并且亮度适中。另外在环境影响较大情况下，视距不要大于40m，并适当增加仪器脚架的重量以增加稳固性。

结束语

数字水准仪目前已广泛运用于水准测量，经受了各种检验和实际测量的考验，都能完成精密水准测量作业。数字水准仪的基本原理并没有改变，主要是测量精度和测量距离随着半导体技术、计算机技术、数字图像处理技术的发展在不断提高。未来的数字水准仪操作会越来越简便快捷，测量精度也会更高，但是我们不应将数字化水准仪的使用者简单定位在依照仪器使用说明进行操作，还应该了解数字水准仪的工作原理，能够避免，减少大气折光差，调焦成像质量好坏，i角等各项干扰因素对仪器的影响，提高测量的精度和效率。

参考文献：

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[2] 王明善，肖学年. 数字水准仪的原理及误差分析[J]. 四川测绘，2000，23（4）：168-169.

[3] 王明善，李明，兰启贵. 数字水准仪使用中的几个问题[J]. 四川测绘，2001，24（3）：133-134.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。