淺談數(shù)字水準(zhǔn)儀在水文測量中的應(yīng)用

陳 卓

（陜西省安康水文水資源勘測局,陜西 安康 725000）

水準(zhǔn)儀是水文勘測工作中常用的儀器，在水準(zhǔn)點(diǎn)引測、互校、水尺零點(diǎn)高程和大斷面的測量三、四等水準(zhǔn)測量中都會應(yīng)用。傳統(tǒng)的微傾式水準(zhǔn)儀和自動安平水準(zhǔn)儀都屬于光學(xué)水準(zhǔn)儀。數(shù)字水準(zhǔn)儀是20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)的新型水準(zhǔn)測量儀器，解決了水準(zhǔn)儀數(shù)字化讀數(shù)的難題，標(biāo)注著水準(zhǔn)測量由精密光學(xué)儀器到光學(xué)數(shù)字化測量儀器一體化的過度。近年來，數(shù)字水準(zhǔn)儀也在水文測量中得到了應(yīng)用，數(shù)字水準(zhǔn)儀相比光學(xué)水準(zhǔn)儀，有自己獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在操作時更加智能化，省時間，省力，工作效率更高等特點(diǎn)。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀基本原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀以自動安平為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD)，采用條形編碼標(biāo)尺和電子影像處理原理，用CCD 行陣代替人的肉眼，將望遠(yuǎn)鏡像面上的標(biāo)尺成像進(jìn)行編碼求值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，自動進(jìn)行讀數(shù)記錄、各項(xiàng)限差計(jì)算，實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測量的自動化、數(shù)字化、一體化。

2 功能及特點(diǎn)

1）測量精度高。國產(chǎn)的瑞德DL-201/2007 數(shù)字水準(zhǔn)儀采用相位法讀取高程信息，標(biāo)尺的條碼象經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD 線陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測。以DL-201/2007 和普通光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行比較，見表1。

表1 數(shù)字水準(zhǔn)儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀技術(shù)參數(shù)比較

2）測量速度快。由于省去了報數(shù)、聽記、現(xiàn)場計(jì)算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3 左右。

3）測量效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強(qiáng)度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。

4）測量模式多。儀器內(nèi)部軟件自帶多種線路水準(zhǔn)測量方式，支持的測量模式有：BF、BFFB、BBFF、BFBF、aBF、aBFFB、aFBBF，支持高程放樣、高差放樣、視距放樣等多種功能，并保存測量結(jié)果，無需擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失。

3 數(shù)字水準(zhǔn)儀在水文測量中的應(yīng)用

在應(yīng)用實(shí)習(xí)時選擇地形具有代表性的某水文站采用數(shù)字水準(zhǔn)儀三等測量，選擇水文站已有的兩個已知水準(zhǔn)點(diǎn)，基3 和BM3，采用附合往返測水準(zhǔn)路線。目的在于檢驗(yàn)儀器在使用過程中操作是否方便，精度是否達(dá)標(biāo)。由于儀器是DS3 級標(biāo)準(zhǔn)，可設(shè)置儀器顯示單位值為標(biāo)準(zhǔn)值1 mm 和精密值0.1 mm，使用鋁合金條碼標(biāo)尺，按照水文測量規(guī)范（SL58-2014）標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置平均測量次數(shù)為3 次。

圖1 某水文站水準(zhǔn)三等測量路線圖

3.1 準(zhǔn)備工作

設(shè)備：瑞德數(shù)字水準(zhǔn)儀1 臺、條形碼標(biāo)尺2 根、尺墊2 個。

人員：3 人，1 人操作水準(zhǔn)儀，2 人扶尺。

基面：國家85 基準(zhǔn)。

3.2 操作步驟

3.2.1 測量過程

①新建文件夾

一個文件夾代表著這次測量任務(wù)所有作業(yè)保存的地方，在每次開始測量前必須新建文件夾。一般以日期和地名簡稱命名，如：0920AK，代表著9 月20 日安康站。

②新建作業(yè)

一個作業(yè)代表著一個測量項(xiàng)目或是一個測段，命名時要區(qū)分清楚，一次往返測閉合是由一個往測和一個返測作業(yè)組成的。

返回主菜單進(jìn)入線路測量模式，在新建的文件夾內(nèi)，選擇三等（BFFB）或四等（BBFF）水準(zhǔn)作業(yè)，輸入作業(yè)名：31（代表三等往測）、32（代表三等返測）、4P1（代表基本水尺往測）、4P2（代表基本水尺返測），作業(yè)名不能重復(fù)使用。

輸入后視點(diǎn)名、后視高程后開始測量。

③注意事項(xiàng)

測量前，按界面SET 鍵，首先設(shè)置N 數(shù)，N 為每測一次儀器發(fā)射到標(biāo)尺返回的讀數(shù)信號，國家水準(zhǔn)測量規(guī)范要求，三等N 為3 次，四等N 為2 次；其次設(shè)置前后視距限差，累計(jì)視距限差，標(biāo)尺高度限差，在測量過程中，如果超出該范圍，儀器會自動提示；最后設(shè)置最小讀數(shù)，《水文測量規(guī)范》規(guī)定采用數(shù)字水準(zhǔn)儀，平均高差均值計(jì)算取至0.1 mm。設(shè)置好一次后，儀器默認(rèn)保存。

三等測量過程中，對準(zhǔn)標(biāo)尺后，應(yīng)先按DIST 鍵快速的測出前后視距，調(diào)整標(biāo)尺位置。

三等測量的順序?yàn)椋築K1→FR1→FR2→BK2（后前前后）

四等測量的順序?yàn)椋築K1→BK2→FR1→FR2（后后前前）

四等測量水尺時，在BK2 之后點(diǎn)IN/SO 鍵，插入間視，輸入水尺編號。測量完畢后，注意點(diǎn)擊REC 鍵保存。每次測完后顯示單次結(jié)果：標(biāo)尺均值、視距均值、N、δ（為3 次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，不宜超過1 mm。）

三等、四等單程（偶數(shù)站）結(jié)束后，點(diǎn)MENU 鍵，選擇水準(zhǔn)點(diǎn)閉合或是過渡點(diǎn)閉合，輸點(diǎn)名后顯示測量結(jié)果，結(jié)束點(diǎn)號、結(jié)束點(diǎn)高程（需記錄）、總視距、高差中數(shù)之和，往測結(jié)束。返回主菜單，重新進(jìn)入線路測量模式，新建作業(yè)32 或4P2（代表返測），調(diào)整儀器高，輸入往測結(jié)束點(diǎn)名、高程后開始返測，閉合后同樣操作。（中途關(guān)機(jī)，重新打開儀器，繼續(xù)線路測量，只要后視點(diǎn)未動，可從當(dāng)站的BK1 重新開始。）如測量錯誤，點(diǎn)REP 鍵，返回上一步測量。

④二等測量

電子水準(zhǔn)儀在水準(zhǔn)點(diǎn)引測作業(yè)時可以使用往返測（ABFFB）模式，該模式為二等測量，符合規(guī)范要求引測水準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。視距，標(biāo)尺限差設(shè)置，觀測順序?yàn)槠鏀?shù)站后前前后，偶數(shù)站前后后前，測量成果精度達(dá)到規(guī)范要求。

表2 二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求

在觀測過程中，首先調(diào)整目鏡旋鈕，使視線內(nèi)十字絲最清晰，然后調(diào)整調(diào)焦螺旋使標(biāo)尺條碼為最清晰并使十字絲的豎絲對準(zhǔn)條碼的中間，精密的調(diào)焦可縮短測量時間和提高測量精度，當(dāng)進(jìn)行高精度測量時要求精確的調(diào)焦，同時多次測量。

3.2.2 成果導(dǎo)出

測量結(jié)束后，通過讀卡器將SD 卡內(nèi)的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)。文件夾下的各項(xiàng)作業(yè)都是以“.L”為后綴名儲存的。使用瑞德公司開發(fā)的數(shù)字水準(zhǔn)儀下載處理軟件打開文件夾下的作業(yè)名導(dǎo)出為正式的成果表。

表3 三等水準(zhǔn)測量往返測記載表

表4 水準(zhǔn)點(diǎn)互校成果表

表5 2017 年各站水準(zhǔn)點(diǎn)校核成果表

上述成果表明，數(shù)字水準(zhǔn)儀在水文測量中，精度滿足規(guī)范要求，可以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 數(shù)字水準(zhǔn)儀誤差

1）儀器內(nèi)部機(jī)械誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀儀器結(jié)構(gòu)上和光學(xué)水準(zhǔn)儀基本一致，而光學(xué)水準(zhǔn)儀儀器內(nèi)部零部件的誤差來源也是數(shù)字水準(zhǔn)儀的誤差來源。如調(diào)焦透鏡，圓水準(zhǔn)器的誤差。

2）自動補(bǔ)償裝置誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀與自動安平水準(zhǔn)儀補(bǔ)償原理一樣，由重力擺和阻尼器構(gòu)成，因此補(bǔ)償誤差包括補(bǔ)償器安平誤差、剩余補(bǔ)償誤差等。

3）電子設(shè)備誤差

由于儀器內(nèi)部電子元件在溫度、濕度的影響下會影響其精度，條碼尺表面受到污損后不平整，也會引起讀數(shù)誤差。

5 結(jié)論

（1）數(shù)字水準(zhǔn)儀在使用過程中應(yīng)避免正對太陽光，有樹葉等其他障礙物遮擋時，遮擋范圍不宜超過20%，若作業(yè)地面震動，應(yīng)暫停觀測，以免帶來誤差。

（2）數(shù)字水準(zhǔn)儀專用條形碼尺應(yīng)保護(hù)完好，尺面整潔無污漬遮擋尺碼。

（3）現(xiàn)有的數(shù)字水準(zhǔn)儀成果導(dǎo)出軟件還沒有達(dá)到水文資料整編的要求，仍需人工整理成果，后續(xù)還需開發(fā)出對應(yīng)的軟件方便原始數(shù)據(jù)更快捷的轉(zhuǎn)化為水文測量成果。