新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐

劉雁春，王海亭，趙俊生，孟 強(qiáng)，劉 堯，吳祥華

(1. 大連圣博爾測繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐

劉雁春1,2,3，王海亭1，趙俊生2，孟 強(qiáng)1，劉 堯1，吳祥華1

(1. 大連圣博爾測繪儀器科技有限公司，遼寧 大連116023； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連116018； 3. 海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，湖北 武漢 430033)

水準(zhǔn)測量一直是獲得地面點(diǎn)精密高差的重要手段，其測量速度慢、效率低也一直是困擾全球測量界的一大難題。為了提高水準(zhǔn)測量的速度和效率，本文提出了新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的概念、結(jié)構(gòu)、原理與方法。具體采用水準(zhǔn)儀與標(biāo)尺合二為一的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量的3點(diǎn)互動配置改變?yōu)?點(diǎn)互動配置來提高測站儀器安置速度和地形適應(yīng)能力；采用對偶測量原理將傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量的單向單系統(tǒng)測量改變?yōu)閷?雙)向雙系統(tǒng)測量來提高水準(zhǔn)測量的精度及可靠性；采用正交二腳架及L型水準(zhǔn)器來提高水準(zhǔn)標(biāo)尺及水準(zhǔn)儀的安平速度。理論分析及初步實(shí)踐表明：新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相比，水準(zhǔn)測量效率可提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測量系統(tǒng)。高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明，將對全球大地及工程測量界產(chǎn)生重大及顛覆性的影響，將開啟人類社會普及電子水準(zhǔn)儀的新時代。

水準(zhǔn)測量；對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀；新發(fā)明；設(shè)計(jì)與實(shí)踐

目前衛(wèi)星定位儀已日益普及，并取代全站儀成為地面測繪水平定位的主導(dǎo)手段，然而由于衛(wèi)星定位儀用于高程系統(tǒng)高差測量的隨機(jī)誤差達(dá)6～7 cm，仍無法與毫米級的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量相匹敵，故水準(zhǔn)測量依然是精密地面高差測量的唯一手段。水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺依然是水準(zhǔn)測量的重要儀器裝置。伴隨著人類科技文明的發(fā)展，水準(zhǔn)儀也經(jīng)歷了由普通光學(xué)水準(zhǔn)儀向自動安平水準(zhǔn)儀及數(shù)字水準(zhǔn)儀(也稱為電子水準(zhǔn)儀)的發(fā)展，18世紀(jì)，人類使用了望遠(yuǎn)鏡，構(gòu)成初級光學(xué)水準(zhǔn)儀。到20世紀(jì)初，將望遠(yuǎn)鏡改進(jìn)為內(nèi)調(diào)焦結(jié)構(gòu)，形成微傾式光學(xué)水準(zhǔn)儀。20世紀(jì)50年代，人類發(fā)明了自動安平補(bǔ)償器，出現(xiàn)了自動安平光學(xué)水準(zhǔn)儀。20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了電子水準(zhǔn)儀及編碼水準(zhǔn)尺，實(shí)現(xiàn)了電子自動讀數(shù)進(jìn)入數(shù)字水準(zhǔn)儀的時代。目前著名的電子水準(zhǔn)儀品牌有：瑞士徠卡、日本拓普康、日本索佳、德國蔡司(美國天寶)、中國蘇一光、中國北京博飛、中國南方、中國歐波等。盡管電子水準(zhǔn)儀已經(jīng)面世20多年，然而目前依然是光學(xué)水準(zhǔn)儀占市場的主導(dǎo)，電子水準(zhǔn)儀的普及增長率卻一直不高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來每年中國市場水準(zhǔn)儀的銷量為幾十萬臺，電子水準(zhǔn)儀的銷量卻不足1%，這與幾乎同步發(fā)展的、電子化數(shù)字化的衛(wèi)星定位產(chǎn)品及全站儀形成了鮮明的反差。造成電子水準(zhǔn)儀普及率低的原因有價格因素和效率因素，但根本原因是效率低造成的。目前市場上的電子水準(zhǔn)儀雖然利用編碼標(biāo)尺和CCD技術(shù)，提高了觀測讀數(shù)的效率和精度，但由于仍基于傳統(tǒng)的3點(diǎn)互動配置和單儀單系統(tǒng)測量，相對于光學(xué)水準(zhǔn)儀，電子水準(zhǔn)儀提高的測量效率相對有限，換言之，用戶不是不喜歡電子水準(zhǔn)儀，而是現(xiàn)行電子水準(zhǔn)儀的測量效率還不夠理想，不能滿足用戶的性價比需求及對快速水準(zhǔn)測量的期望。

事實(shí)上，水準(zhǔn)測量速度慢、效率低，幾百年來一直是困擾全球測量界的一大難題。為了攻克這一難題，以筆者領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)自2012年首次申請專利起歷時4年，對水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺的結(jié)構(gòu)功能、作業(yè)模式、數(shù)據(jù)檢核等進(jìn)行了一系列的改進(jìn)發(fā)明實(shí)踐，已圍繞新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研發(fā)申請獲得專利40多項(xiàng)，并于2016年成功研制出世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測量系統(tǒng)。本文在總結(jié)發(fā)明實(shí)踐及專利文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的概念、結(jié)構(gòu)與方法。新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研制，試圖開啟人類社會普及電子水準(zhǔn)儀的新時代，使水準(zhǔn)測量也能像衛(wèi)星定位那樣方便、快速和普及，實(shí)現(xiàn)中國人的測繪儀器智造夢。

1 概念與結(jié)構(gòu)

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的主要創(chuàng)新特色為：尺儀合一、2點(diǎn)配置、對偶測量、雙向檢核、智能控制。其典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成配置如圖1所示，它直接體現(xiàn)出“尺儀合一”的一體化設(shè)計(jì)理念。圖1中各部件的功能是：①電子水準(zhǔn)儀用來照準(zhǔn)、讀取對方標(biāo)尺的高度數(shù)據(jù)；②編碼標(biāo)尺提供高度信息，并作為其他構(gòu)件的機(jī)架；③電子手簿用來控制、記錄、交換、處理電子水準(zhǔn)儀獲取的高度數(shù)據(jù)并即時顯示雙方的觀測結(jié)果及兩點(diǎn)的高差，電子手簿設(shè)有標(biāo)尺圖像顯示器(電子目鏡)，以方便瞄準(zhǔn)調(diào)焦；④標(biāo)尺腳架用來安置并調(diào)直標(biāo)尺；⑤L型水準(zhǔn)器用來配合標(biāo)尺腳架快速調(diào)直標(biāo)尺；⑥智能尺墊用來將標(biāo)尺安置于地面轉(zhuǎn)點(diǎn)并帶有移動監(jiān)測功能；⑦遙控器(圖中未給出)用來控制觀測的實(shí)施，以避免在電子手簿上直接按鍵影響標(biāo)尺的調(diào)直狀態(tài)。

圖1 高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀組成結(jié)構(gòu)

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的上述結(jié)構(gòu)及組成，經(jīng)反復(fù)實(shí)踐論證，符合有關(guān)物理學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、測量學(xué)及人體工程學(xué)的基本原理，能夠滿足快速水準(zhǔn)測量的需要。

本文采用“水準(zhǔn)尺儀”這一名詞概念是為了突出表明“尺儀合一”的特點(diǎn)，亦尺亦儀，儀離不開尺，尺離不開儀，這是與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量裝置的本質(zhì)差別之一，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀也可簡稱為復(fù)合水準(zhǔn)儀。類似于“高鐵”的概念，本發(fā)明采用“高速”一詞也意味著兩個含義：①直接表明高速的特點(diǎn)；②體現(xiàn)了一系列區(qū)別于傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

2 對偶測量原理

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的測量原理如圖2所示。從數(shù)學(xué)角度來看，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的測量原理屬于對偶測量。圖中水準(zhǔn)尺儀A、B分別安置在地面點(diǎn)1、2，水準(zhǔn)尺儀A、B同時調(diào)平并瞄準(zhǔn)對方進(jìn)行對向觀測讀數(shù)。

用安置在1點(diǎn)的水準(zhǔn)尺儀A測得1、2點(diǎn)的高差為

用安置在2點(diǎn)的水準(zhǔn)尺儀B測得1、2點(diǎn)的高差為

圖2 高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀對偶測量原理

二者的高差互差δ為

二者的高差均值為

式中，Δ12為水準(zhǔn)尺儀A、B聯(lián)合測定的1、2點(diǎn)之間的高差。

顯然，二者的互差δ可用來進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核及控制誤差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的對偶測量原理屬于兩點(diǎn)、雙儀、對向、同步觀測系統(tǒng)，而傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量裝置的測量原理屬于三點(diǎn)、單儀、反向、異步觀測系統(tǒng)，這也是構(gòu)成二者本質(zhì)的差別之一。

3 作業(yè)模式

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀在實(shí)際應(yīng)用中可采用多種作業(yè)模式：

(1) 交替式作業(yè)模式。如圖3(a)所示，A、B尺儀交替推進(jìn)安置，這也是傳統(tǒng)的作業(yè)模式，對高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀而言，該模式本質(zhì)上可理解為2個水準(zhǔn)儀按傳統(tǒng)作業(yè)模式的疊加。

(2) 交換式作業(yè)模式。如圖3(b)所示，每一站A、B尺儀均交換位置測量。這是高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀特有的作業(yè)模式，該模式可徹底消除i角的影響，故也稱為精密作業(yè)模式。

(3) 三角形作業(yè)模式。如圖3(c)所示，同時將3個尺儀安置在3點(diǎn)進(jìn)行條帶式推進(jìn)測量，該模式增加了區(qū)域三角空間閉合檢核，可進(jìn)一步提高水準(zhǔn)測量的精度和可靠性。

圖3 高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀對偶測量原理作業(yè)模式

本文前述給出了高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的基本測量原理及作業(yè)模式，有關(guān)具體的儀高、i角測定方法及測站數(shù)據(jù)處理等方法擬另文詳細(xì)介紹。

4 技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用雙儀對向同步觀測原理，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量裝置對比，具有以下進(jìn)步點(diǎn)：

(1) 優(yōu)化了水準(zhǔn)測量結(jié)構(gòu)、改進(jìn)了高差測量原理，真正實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)的2點(diǎn)配置測量，僅需2人即可作業(yè)。

(2) 采用雙系統(tǒng)對偶同步測量原理，提高了測量的可靠性和精度。

(3) 擴(kuò)展、優(yōu)化了作業(yè)模式，提高了環(huán)境應(yīng)用能力，可以方便地在梯形斷面、陡坡、山區(qū)及跨河等復(fù)雜地形環(huán)境下實(shí)施水準(zhǔn)測量。

(4) 將標(biāo)尺、水準(zhǔn)儀、腳架、尺墊集成為一體化結(jié)構(gòu)，提高了測點(diǎn)配置、儀器安置及觀測速度，大幅提高了測站作業(yè)效率。

(5) 高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀已將現(xiàn)行國家水準(zhǔn)測量規(guī)范的限差按等級內(nèi)置于電子手簿，實(shí)現(xiàn)了高差數(shù)據(jù)的自動實(shí)時檢核及連續(xù)水準(zhǔn)測量過程的智能化控制，并采用配套的后處理軟件實(shí)現(xiàn)了測量成果的一體化數(shù)據(jù)處理和測量成果的輸出打印。

4.2 應(yīng)用優(yōu)勢

基于上述進(jìn)步點(diǎn)，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量裝置相比，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的應(yīng)用優(yōu)勢表現(xiàn)為：使水準(zhǔn)測量的速度和效率(或測量可靠性及精度)提高1倍以上，并可節(jié)省人力30%。高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的應(yīng)用優(yōu)勢具體體現(xiàn)為“七不”的特點(diǎn)：①不用往返測量；②不用等距配點(diǎn)；③不用嚴(yán)控i角；④不用3人作業(yè)；⑤不用異步觀測；⑥不用人工記錄；⑦不用人工檢核。

5 樣機(jī)與試驗(yàn)

5.1 樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的原理樣機(jī)及工程樣機(jī)分別于2015年12月及2016年12月在大連研制成功。高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的工程樣機(jī)具體由編碼標(biāo)尺、電子水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺腳架、標(biāo)尺L型水準(zhǔn)器、尺墊、腳輪、控制電子手簿及遙控器組成。其有關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：編碼標(biāo)尺為塔尺；電子水準(zhǔn)儀測程3～110 m；高程最小顯示讀數(shù)單位0.1 mm；距離最小顯示讀數(shù)單位1 cm；讀數(shù)時間3 s；望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)32倍，孔徑40 mm；自動補(bǔ)償器補(bǔ)償范圍±12′；安平精度±0.3″；水準(zhǔn)儀圓水準(zhǔn)器8′/2 mm；標(biāo)尺L水準(zhǔn)器4′/2 mm；電子手簿的標(biāo)尺圖像顯示屏為55 mm×73 mm，水準(zhǔn)尺儀總重量為5 kg和7 kg(帶移動腳輪)。

5.2 有關(guān)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的有效性及先進(jìn)性，本文進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)和外業(yè)試驗(yàn)，限于篇幅，此處給出兩個代表性的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)一為四等水準(zhǔn)測量，其試驗(yàn)結(jié)果參見表1、表2。試驗(yàn)二為三等水準(zhǔn)測量，其試驗(yàn)結(jié)果參見表3、表4。其中表2及表4中的A(B)高差及互差是分別根據(jù)A(B)儀器高與對應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù)直接計(jì)算、未進(jìn)行i角改正的數(shù)據(jù)。而表中改正后互差及累計(jì)均高程是指經(jīng)過i角改正后的計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 四等水準(zhǔn)測量參數(shù)信息

表2 四等水準(zhǔn)測量測站高差成果表

續(xù)表2

表3 三等水準(zhǔn)測量參數(shù)信息

表4 三等水準(zhǔn)測量測站高差成果表

表1、表2是按國家四等水準(zhǔn)測量規(guī)范中測站高差互差≤5 mm要求測定的，共設(shè)36站37個測點(diǎn)，為了形成閉合差檢驗(yàn)，特使測站36的終止測點(diǎn)37與測站1的起始測點(diǎn)1重合，水準(zhǔn)測量路線總長度為1.3 km。由表2可知：高差閉合差為-2.2 mm。由表1、表2可知：A儀的i角為-1.2″，而B儀的i角達(dá)到了3′(這對使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量是不可想象的)，特別是第4站i角改正前兩儀高差互差達(dá)68.2 mm，但經(jīng)過i角改正后兩儀高差互差降至1.4 mm，這充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文還進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)計(jì)算了終止測點(diǎn)37處兩儀累計(jì)高程的互差為3.3 mm，符合規(guī)范中左右路線的互差限差要求，這意味著使用高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量只需單程往測即可，而無需返測。

表3、表4是按國家三等水準(zhǔn)測量規(guī)范中測站高差互差≤3 mm要求測定的，共設(shè)28站29個測點(diǎn)，為了形成閉合差檢驗(yàn)，特使測站28的終止測點(diǎn)29與測站1的起始測點(diǎn)1重合，水準(zhǔn)測量路線總長度為1 km。由表4可知：高差閉合差為0.4 mm。由表3可知：A儀的i角為9.3″，B儀的i角為61.4″，雖然B儀的i角同樣超出了使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀測量的限差，但使用高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀經(jīng)過i角改正后仍然可得到可靠的測量結(jié)果。本文同樣還統(tǒng)計(jì)計(jì)算了終止測點(diǎn)29處兩儀累計(jì)高程的互差為0.8 mm，符合規(guī)范中左右路線的互差限差要求。

另外，試驗(yàn)還表明：正交標(biāo)尺腳架、L型水準(zhǔn)器及電子目鏡的使用確實(shí)能加快水準(zhǔn)尺儀的安置、照準(zhǔn)調(diào)焦速度，智能尺墊確實(shí)能實(shí)時監(jiān)測尺墊的位移，重要的是：高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用2點(diǎn)互動配置而非傳統(tǒng)的3點(diǎn)互動配置，不再苛求前后距大致相等，這也極大地加快了測站水準(zhǔn)測量的速度，因此，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀擁有比傳統(tǒng)水準(zhǔn)尺儀更高的測站測量速度。更進(jìn)一步，由于高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀采用了對向雙觀測系統(tǒng)，可不再進(jìn)行傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量時的返測工作，故高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀可使水準(zhǔn)測量整體效率直接提高1倍以上。

6 結(jié)論及展望

本文的理論分析及試驗(yàn)表明：由于采用了更加科學(xué)合理的一體化結(jié)構(gòu)、更加嚴(yán)密可靠的對偶測量原理和適應(yīng)性更強(qiáng)的作業(yè)模式，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀擁有比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀更高的水準(zhǔn)測量速度和效率。此外，高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀可方便、有效地用于國家三、四等水準(zhǔn)測量(關(guān)于用于國家一、二等水準(zhǔn)測量的相關(guān)試驗(yàn)另文介紹)。高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相比，可使水準(zhǔn)測量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的電子水準(zhǔn)測量系統(tǒng)，同時可節(jié)省人力30%以上，具有更高的性價比。

高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀成功解決了水準(zhǔn)測量速度慢、效率低這一困擾全球測量界幾百年的大難題，將對全球大地及工程測量界產(chǎn)生重大及顛覆性的影響，必將開啟人類社會普及電子水準(zhǔn)儀的新時代。

致謝：本文在高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的研制過程中，得到了武漢大學(xué)寧津生院士的大力支持和指導(dǎo)，得到了天津歐波精密儀器股份有限公司、大連晶碩機(jī)械有限公司、大連九成測繪信息有限公司等大力支持與幫助，特此致謝。

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[15] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).水準(zhǔn)儀：GB/T 10156—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[16] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范：GB/T 12898—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[17] 劉雁春,付建國,王海亭.抱夾式測量腳架：中國，ZL201310022381.9[P].2014-12-31.

[18] 劉雁春,王海亭,孟強(qiáng).便攜組合式高精度水準(zhǔn)測量標(biāo)尺：中國，ZL201310720908.5[P].2016-12-07.

[19] 劉雁春,孟強(qiáng),王海亭.可顛倒使用的水準(zhǔn)測量尺墊：中國，ZL201410070126.6[P].2016-08-24.

[20] 劉雁春,付建國,王海亭.套夾式測量腳架：中國，ZL201220373858.9[P].2013-03-13.

[21] 劉雁春,付建國,王海亭.對偶式觀測用尺儀合一復(fù)合水準(zhǔn)儀：中國，ZL201220611636.6[P].2013-06-12.

[22] 劉雁春,付建國,王海亭.可旋轉(zhuǎn)觀測的復(fù)合水準(zhǔn)儀：中國，ZL201320148597.5[P].2013-08-28.

[23] 劉雁春,孟強(qiáng).高精度固定式復(fù)合水準(zhǔn)儀：中國，ZL201420262329.0[P].2014-10-22.

[24] 劉雁春,孟強(qiáng).用于水準(zhǔn)標(biāo)尺的新型水準(zhǔn)器：中國，ZL201420262289.X[P].2014-10-22.

[25] 劉雁春,劉志強(qiáng),宋騫,等.高精度水平檢測器：中國，ZL201420599706.X[P].2015-02-04.

[26] 劉雁春,孟強(qiáng),劉雪.腳踏式測量腳架：中國，ZL201420599759.1[P].2015-03-18.

[27] 劉雁春,孟強(qiáng).可與標(biāo)尺一體化連接的水準(zhǔn)測量尺墊：中國，ZL201620143902.5[P].2016-08-03.

[28] 劉雁春,王海亭,孟強(qiáng).尺儀一體化快速水準(zhǔn)測量裝置：中國，ZL201620482193.3[P].2016-12-07.

[29] 劉雁春.可監(jiān)測位移的水準(zhǔn)測量尺墊：中國，ZL201620549750.9[P].2016-12-07.

[30] 劉雁春.可與標(biāo)尺組合攜帶的水準(zhǔn)測量尺墊：中國，ZL201620567356.8[P].2016-12-07.

InventionandPracticeofNewHigh-speedBilateralObservationDigitalLevel&Staff

LIU Yanchun1,2,3，WANG Haiting1，ZHAO Junsheng2，MENG Qiang1，LIU Yao1，WU Xianghua1

(1. Dalian Senbior Surveying Instrument Technology Co.Ltd.，Dalian 116023，China; 2. Department of Hydrography and Cartography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China; 3. Department of Navigation Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Leveling is always an important method to obtain precise elevation difference of ground points，but its slow measurement speed and low working efficiency are also difficult problems anound the world.In order to improve the speed and efficiency of leveling，the concept，structure，principle and method of a new high-speed bilateral observation digital level & staff are presented in this paper.Firstly，the unitized configuration design of level and staff is used so that the three-point interactive configuration in traditional leveling is changed into two-point interactive configuration to improve the station setting speed and terrain adaptability of level & staff.Secondly，the principle of dual measurement is invented in which the unidirectional and single system observation of the traditional leveling is changed into bilateral (double) and dual system observation to improve the accuracy and reliability of leveling.Furtherly，the orthogonal two-leg bracket and L type bubble level are designed and used to improve the station setting speed of the level & staff.The theoretical analysis and preliminary practice show that the speed and efficiency of leveling can be raised by more than one times by using the new high-speed bilateral observation digital level & staff which is the fastest，the most intelligent electronic leveling system in the world nowadays.The invention of the new high-speed bilateral observation digital level & staff，will have a tremendous and overturning impact on the global geodetic survey and engineering survey，and will open a new era of the popularity of electronic level in human society.

leveling；high-speed bilateral observation digital level & staff；new invention；design and practice

2017-03-22

國家自然科學(xué)基金(41576105)

劉雁春(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y繪及工程測量。E-mail：liuyanchun@sohu.com

劉雁春，王海亭，趙俊生，等.新一代高速對向觀測數(shù)字水準(zhǔn)尺儀的發(fā)明與實(shí)踐[J].測繪通報(bào)，2017(12)：131-137.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0395.

P24

A

0494-0911(2017)12-0131-07