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随着测量仪器的发展,使用数字水准仪进行水准测量成为可能,但尚未得到普遍使用,所以有关数字水准仪在高等级水准测量中是否使用方便、精度是否满足要求、是否有良好的可靠性有待于研究。
本论文介绍了电子水准仪的发展历史,以及在国内外的发展状况。
各种电子水准仪的优点和缺点及主要使用要求。
通过工程实例:
在校园附近实际选点、建立水准网,利用莱卡DNA03数字水准仪进行实际采集数据,并对数据成果进行计算、分析,探讨了数字水准仪进行等级水准测量的误差来源,掌握了数字水准仪在实际高等级水准测量中的合理使用,同时获得了数字水准仪进行实际生产工作的一些有益结论和具有指导性的经验。
关键词:
数字水准仪;
实际应用;
误差分析;
工作原理;
使用方法
ABSTRACT
Beforeelectroniclevelbeingpublished,thelevelingallusestheordinaryprecisionleveltocarryongenerally.Alongwiththemeteringequipmentdevelopment,theuseelectronlevelcarriesonthelevelingintopossibly,butnotyetobtainstheuniversaluse,thereforerelatedelectroniclevelinhigh-gradelevelingwhethereasytooperate,precisionwhethersatisfiestherequest,whetherhasthegoodreliabilitytowaitfortheresearch.Thepresentpaperintroducedtheelectronicleveldevelopmenthistory,aswellasindomesticandforeigndevelopmentcondition.Eachkindofelectroniclevelmeritandshortcomingandmainoperationrequirements.Throughprojectexample:
Nearbythecampustheactualpointsort,establishesthelevelingnetworks,numerallevelcarriesontheactualgatheringdatausinganalysissitusLeicaDNA03,andcarriesonthecomputationadjustmentandanalysistothedataachievement,discussedthedigitalleveltocarryontheranklevelingtheerrorsource,hasgraspedthedigitallevelinactualhigh-gradelevelingreasonableuse,simultaneouslyobtainedthedigitalleveltocarryontheactualproductionworksomebeneficialconclusionsandhastheguidanceexperience.
Keyword:
DigitalLeveling;
PracticalApplication;
ErrorAnalysis;
OperatingPrinciples;
Use
第1章绪论
1.1数字水准仪的发展及现状
1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪,加上上世纪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,到上世纪八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术,然而到上世纪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。
为现实水准仪读数的数字化,人们进行了近30年尝试,如蔡司厂的RENI002A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。
到1994年蔡司厂研制出了电子水准仪DiNi10/20,同年拓普康厂也研制出了电子水准仪DL101/102。
这意味着电子水准仪也将普及,并开始了激烈的市场竞争。
同时也说明,目前还是几何水准测量的精度高,没有其它方法可以取代。
GPS技术只能确定大地高,大地高换算成工程上所需要的值时,还需要知道高程异常,确定高程异常还少不了精密水准测量。
这也是各厂家努力开发电子水准仪的原因之一。
最后还说明了拓普康公司具有较高的技术能力,能在世界上第二批研制出电子水准仪。
随着科技的发展,数字化在测绘中的应用更加体现了先导的作用。
近年来数字化的作业几乎代替了常规的作业方法,如平面控制测量、数字一体化测图等等。
而在精密水准测量中,随着科学技术特别是电子技术的迅速发展,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。
在水准测量中数字水准仪被广泛应用,它融电子技术、图像处理技术、计算机技术于一体,以条码间隔影像信息与参考信息进行图像数学处理的测量原理,采用条纹编码标尺和电子影像处理原理,用阵线CCD代替测量人员的肉眼,将望远镜像面上的标尺成像转换成数字信息自动采集测量数据、信息处理,在利用数字图像处理技术来识别标尺条形码进而获得标尺读数和视距,从而获取并自动记录每一个观测值,在根据几何光学物象比的关系,求出视距和视线高读数,进而实现水准测量仪器的发展方向。
今天的徕卡,是一个生产多种产品的全球性跨国公司。
它主要由独立的公司组成——徕卡相机公司、徕卡显微镜系统公司和徕卡测量系统公司。
徕卡测量系统公司是一个以瑞士为基地,专门从事空间数据测量、测绘以及定位设备生产的集团公司。
其前身生产厂及注册商标是WILD(威特)和KERN(克思),在我国测绘行业最为熟悉并享有盛名。
如今的徕卡测量系统公司已全面朝着专业化、自动化、规模化发展。
它开发的电子数字水准仪在世界上占有一席之地。
徕卡DNA03型号数字水准仪(a)
徕卡DNA03型号数字水准仪(b)
Trimble导航公司成立于1978年,几十年来一直在GPS技术开发和实践应用方面处于行业领先地位。
今天Trimble的技术在导航、精确授时、无线网同步、高精度的工程综合解决方案、精确农业等方面发挥着不可替代的作用,而且他们所开发的TrimbleDiNi12数字水准仪堪称是世界上精度最高的数字水准仪,在世界具有相当大的影响。
拓普康成立于1932年,于20世纪末已发展成为闻名于世界的光、机、电技术综合厂家。
在这80年间在其固有的领先于世界的光学技术基础上,又集成了光、机、电一体的先进精密机械制造体系,成为测量仪器的一个主要厂商。
他们所开发的拓普康DL系列电子数字水准仪已经成为测绘市场的主力军,在全球占有相当大的市场份额
经过30多年的发展,我国已完全能自行生产光学经纬仪、水准仪平板仪,这些产品已占领国内99%的市场,进口产品在这方面几乎无所作为。
而且,光学测量仪器还大批量出口,特别是水准仪,据说还占领了欧洲50%的市场,令其他著名厂商无可奈何。
比较著名的厂家有:
苏州一光仪器有限公司,北京博飞仪器公司,西安光学测量仪器厂等。
特别是近年来以南方测绘仪器公司为代表的新兴厂家,已研制出测距仪、电子经纬仪、全站仪、GPS等产品,更说明中国在测绘仪器生产上已达到相当高的水平,而且以上产品带动了其他的国内厂家采取各种形式不断进取,如北京光学仪器厂、苏州第一光学仪器厂、常州大地测距仪厂等,都加快了国产化的进程,形成了你追我赶的良好局面,产品与进口的差距逐渐缩小,如在工艺、加工及规模方面,技术上已相当接近。
这些,充分说明我国在测绘仪器领域是能够有所作为的。
2003年全国测绘仪器信息交流及订货会参展商有65家,其中,国内的测绘仪器厂家有60家,占有92%的比例。
虽然厂家多,但市场份额还是有潜力可挖。
国内各大测量仪器生产厂家如南方测绘、北光、苏一光等也正在积极进行数字水准仪的研究,由于数字水准仪是集光学、计算机技术、传感器技术、图像处理技术于一体的高科技产品,技术上还有一定难度,目前还没有国产的数字水准仪,因此研究和开发国产数字水准仪,对于填补国内空白、振兴民族测绘仪器工业具有十分重要的意义。
在测绘生产或施工放样中,水准测量是一向重要和基本的过程,它所使用的仪器在一般情况下反应了水准测量的精度,课题的目的在于通过在校园附近实际选点、建网、实际采集数据及对数据进行精度分析和精度对比,得到对实际生产有益的结论。
数字水准仪的使用大大地提高了水准测量的精度,也提高了工作效率,对实际生产具有巨大的指导意义和现实意义。
1.2课题研究的目的和意义
上世纪中叶,新的科学技术得到了快速发展,特别是电子学、信息学、电子计算机科学和空间科学等。
在其自身发展的同时,也给测量科学的发展和创新开拓了广阔的道路,创造了发展的空间,推动着测量技术和仪器的进步和变革。
随着激光光源和微型处理机的诞生和发展,使测量工作由手动化向着自动化方向发展。
自动安平水准仪的问世,标志着水准测量自动化的开端。
之后,又发展了激光水准仪、激光扫平议,为提高水准测量的精度和用途创造了条件。
近年来,数字电子水准仪的诞生,也使水准测量中的自动记录、自动传输、存储和处理数据成为现实。
电子水准仪是现代微电子技术和传感工艺发展的产物,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。
电子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仪器的。
传统的水准仪用人眼观测,电子水准仪用光电传感器代替人眼。
电子水准仪具有测量速度快、操作简便、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和易于实现水准测量内外业一体化等优点,是对传统集合水准测量技术的突破,代表了现代水准仪和水准测量技术的发展方向。
正是由于以上的种种原因,证明了水准测量的发展趋势已不可避免的趋向于电子水准测量。
本文将对电子水准仪的功能进行开发,探讨电子水准仪进行水准测量的理论、方法及在实际工程中的具体应用。
在此基础上,进一步研究、分析电子水准仪在困难条件下进行的高等级水准测量,及影响电子水准仪读数的因素。
对电子水准仪进行研究,是对现代化的测量仪器进行开发与利用,可以使精密电子仪器在高等级测量中发挥更大的作用。
本课题就是利用电子水准仪进行高等级水准测量实验研究,使用精密电子水准仪广泛地应用在高等级水准测量中,充分利用好精密电子水准仪,对完成高等级测绘工程项目具有重要的实际意义。
由于价格、技术等多方面的原因,电子水准仪尚未普遍使用,导致其可靠性有待于研究。
电子水准仪在困难条件下进行高等水准测量中,其误差是否在国家规定的限差允许范围之内,还未得到证实,对电子水准仪有影响的环境因素有哪些,这些都将是本文研究的主要对象。
为解决或者减少影响,找到确切可行的措施和方法,是本文的主要目的。
电子水准仪可以实现水准测量数据采集、数据处理及数据记录的全程自动化,对于今后的工作及研究学习都将会带来巨大的好处,且目前世界上极少数公司垄断了数字水准仪的生产,在国内所有测绘仪器中,只有电子水准仪未实现国产化,国内对电子水准仪的详细原理及具体实现的研究也几乎是一片空白。
1.3课题研究的设想与方案
课题主要围绕数字水准仪和困难条件下的高等水准测量这两个主要内容展开实验研究的。
(1)本课题要对电子水准仪的基本使用功能进行研究。
研究的内容应包括电子水准仪在进行水准测量中的功能设置、数据采集、数据存储与数据输出等。
通过外业的数据采集、处理、分析等过程,对电子水准仪的功能进一步的了解与熟悉。
(2)在校园内或附近选择合适的环境下(如地面震动、土壤松软、光线不理想、外界温度不适等)建立高等水准网,设计若干条最佳的路线,然后严格按照高等水准规范进行外业数据采集。
并在测量的过程中,找到避免或减小外界环境对测量工作的影响的方法,且精度要满足国家高等水准网的要求。
之后对采集回来的数据进行处理与分析。
总结整个外业数据采集的过程与需要注意的问题,对成果进行研究。
第2章数字水准仪与水准测量
2.1数字水准仪
2.1.1概述
数字水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点,与光学水准仪相比,它具有速度快、精度高、读数客观、使用方便、能减轻作业劳动强度、可自动记录存储测量数据、易于实现水准测量内外业一体化的优点。
数字水准仪区别于水准管水准仪和补偿器水准仪(自动安平水准仪)的主要不同点是在望远镜装置了一个由光敏二极管构成的行阵探测器,仪器采用数字图像识别处理系统,并配用条码水准尺。
水准尺的分划用条纹编码代替厘米间隔的米制长度分划。
行阵探测器将水准尺上的条码图像用电信号传送给信息处理机。
信息经过处理后即可求得水平视线的水准尺读数和视距值。
因此,数字水准仪将原有的由人眼观测读数彻底改变为由光电设备自行探测水平视准轴的水准尺读数。
目前,数字水准仪采用的自动电子读数方法有以下三种:
(1)
相关法。
(2)几何法。
(3)相位法。
数字水准仪采用条形编码标尺和电子影像处理原理,用CCD行阵代替人的肉眼,将望远镜像面上的标尺成像进行编码求值转换成数字信息,自动进行读书记录、各项限差计算,实现水准测量的自动化、数字化、一体化。
目前,编码求值的方法有三种:
相关分析法、几何位置法、相位法。
2.1.2数字水准仪的原理和特点
下面介绍下相位法数字水准仪的基本原理。
一般数字水准仪采用的相位法的基本原理是:
标尺上有三种不同的码条A码条、B码条、R码条,A码条、B码条的宽度在0~10mm之间变化,这两种码包含了水准测量时的高度信息,且它们的宽度按正弦规律变化,其中A码条的周期为600mm,B码条的周期为570mm,R码条为参考码,以纵坐标表示,横坐标表示标尺的长度,这样标尺长度方向上就形成了两条亮暗强度按正弦规律变化的亮度波。
A、B两码条的波长不同,在标尺长度方向上每一位置上的两亮度波的相位差也不同,只要测出标尺
某处的相位差就能得到该处到标尺底部的高度,因为相位差可以做到和标尺长度一一对应,即具有单值性。
通过R码的辅助计算可以快速精确地得到视线高。
图1为数字水准仪测量原理流程图。
图2.1 数字水准仪测量原理流程图
2.1.3数字水准仪的特点
数字水准仪其主要特点在于它是受感光读数,自动识别匹配有编码规律的黑白两种条形块,从而进行测量作业。
消除人为的估读误差是数字水准仪的另一大优点。
数字水准仪的特点见表2.1。
表2.1数字水准仪的特点
项目
特点
自动测量
1.键盘输入测量模式菜单对话操作;
2.测量无读数误差;
3.感光读数系统,可见条形码标尺25-30cm左右的范围内即可测量
数据记录
1.测量无记录误差;
2.导线水准测量自动平差
数据计算
1.直接计算,显示高差;
2.测量中可根据显示的情况进行键盘操作(如对地球曲率,气象等改正以及用户需要的其他操作);
3.自动计算出合格结果
软件系统
1.多种测量方式;
2.平差时可输入假定坐标(也可平差闭合环)
仪器设计
1.宽大的字符图形化液晶显示屏,观察方便;
2.键盘操作输入字符,数字简单;
3.测量快捷键设置合理(在微动螺旋旁,瞄准标尺后即可测量)
4.配置多种型号的条形码(铟瓦)标尺(2m,3m等)
此外,数字水准仪还具有读书客观、精度高、速度快、效率高等特点,而且还以高性能、底价格深受广大用户的欢迎。
数字水准仪造型美观、内置功能强、菜单功能丰富、操作界面友好,具有多次测量、自动求平均值、统计测量误差功能,有多种水准测量模式、超限提示重测、自动计算线路闭合差,有三种记录模式、方便与计算机的联机实测,具有高程放样和测量水准支点功能,具有倒置标尺功能,具有i角检验程序。
2.1.4数字水准仪的技术指标
表2.2 数字水准仪的技术指标
特征指标
DNA03系列
DINI12系列
DL-101C系列
生产厂
Leica(徕卡)
Zeiss(蔡司)
Topcon(拓普康)
测量原理
相关法
几何法
相位法
望远镜放大倍数物镜孔径
24×
36mm
32×
40mm
45mm
补偿器工作范围安平精度
±
12′
0.4″
15′
0.2″
0.3″
电子读数精度
0.4mm/km(铟瓦尺)
0.3mm/km(铟瓦尺)
光学读数精度
2mm/km(双面尺)(双程测量中差)
1mm/km(双面尺)(双程测量中差)
1mm/km(双面尺)(双程测量中差)
测量模式
4种
8种
测量范围
1.8-60m(铟瓦尺)
1.5-100m(钎维尺)
1.5-100m(铟瓦尺)
2-60m(铟瓦尺)
2-100m(钎维尺)
测量时间
4s
3s
数据内存
CRMIO,GRE4,GRCI和;
PCMCIA卡,64-256KB
PCM卡128-8MB
PCM卡64-256KB
电源(工作时间)
机载内置镍镉充电电池,使用一天
机载内置镍氢充电电池,使用三天
机载内置镍镉充电电池,使用10h
由表2.2可知:
在同一精度等级的数字水准仪而言,其主要性能指标差别不大。
标准的PCMCIA记录卡(64kB-8MB)用于数据存贮,R232C数据通信接口是用于计算机与存贮卡之间双向传送数据的必要备件;
导线水准测量软件可以自动平差;
方便的8种测量模式可灵活输入点号、点名、线路名以及代号信息,也可设置正倒标尺模式等;
多种型号的条形码水准标尺(铟瓦尺、玻璃钢尺以及纤维尺等)。
一些型号的仪器还可进行角度、面积、坐标测量。
2.1.5数字水准仪的检验与校正
根据水准测量的基本原理,要求水准仪能具有一条水平视线,这个要求是水准仪构造上的一个极为重要的问题。
此外还要创造一些条件使仪器便于操作。
例如增设了一个圆水准器,利用它使水准仪初步安平。
在正式作业之前必须对水准仪加以检验,视其是否满足所设想的要求。
对某些不合要求的条件,应对仪器加以校正,使之符合要求。
水准仪应满足的条件:
水准仪应满足的主要条件:
一是水准管的水准轴应与望远镜的视轴平行;
二是望远镜的视准轴不因调焦而变动位置。
水准仪应满足的次要条件:
一是圆水准器的水准轴应与水准仪的旋转轴平行;
二是十字丝的横丝应当垂直于仪器的旋转轴。
上述第二个主要条件,在于装置望远镜的透镜组和十字丝的位置是否正确,其中又以移动调焦透镜的机械结构的质量为主要因素,因此一般应由工厂保证。
对用于国家三、四等级普通水准测量的水准仪,应经常检验第一个主要条件和两个次要条件。
对于国家一、二等水准测量的精密水准仪尚应定期对第二个主要条件进行检查。
下面主要以TOPCONDL—101C数字水准仪为例说明一下数字水准仪的检验与校正的过程。
1.圆水准泡的检验与校正
检验:
(1)在三角架架设仪器时,旋转三个脚螺旋使圆气泡居中;
(2)将望远镜绕垂直轴旋转180°
,若气泡偏离中心,则应按下列步骤进行调整。
校正:
(1)首先松气泡偏移方向的调整螺丝,然后将另一端调整螺丝改正至偏移量的一半;
(2)用三个脚螺旋使气泡重新居中;
(3)这时,望远镜绕垂直轴旋转,气泡应居中。
若不居中,则应重复上述步骤,直至仪器绕垂直轴旋转,气泡居中。
2.仪器指标差的检验与校正
(1)两标尺约相距50米,在中间位置架设三脚架,在三脚架架设仪器;
(2)整平仪器。
2.1.6数字水准仪的使用事项
作业前首先进行两项调试,即水准器泡的调校和i角的检查。
对于水准泡的调校,可采用将仪器旋转180°
,用改针改正,直到满意为止。
i角的检查可以根据不同的仪器型号,在“检查与调整”菜单引导下进行。
此外,在测量前还必须根据作业需要进行必要的设置,如设置测量模式、数据存储、通讯方式等等。
实际作业时,以下几点需引起注意:
1.瞄准误差影响
远镜瞄准的调焦成像很重要。
若望远瞄准镜焦距未调好,致使成像不清楚,观测精度会降低,读数显示时间延长。
因而,要求将望远镜焦距调焦清晰,并用竖丝切准条码的左边缘,使用起来为最佳。
2.系统分辨率影响
系统分辨率也叫系统精度。
是指仪器与标尺配套使用时,在高度方向上实际能识别的最小高度变化量。
由于数字水准仪没有光学测微器,因而,此项相当于是数字水准仪的测微能力,即是数字水准仪图象处理的能力。
一般是归算到每10m视距时的标准偏差。
如仪器显示屏上的最小增量为0.01mm,则一般认为0.02mm~10m是正常的。
如需检查该项时应在室内进行,视距不应太长(在小于30m为宜)。
3.标尺倾斜影响
标尺倾斜的结果是使得数字水准仪电子传感器CCD线阵上的像也歪斜。
轻则造成读数误差,重则使得仪器无法识别读数。
一般标尺倾角在2°
以内时,对读数影响较小,超过3°
读数误差会成倍增长。
检验仪器是否具有提示标尺倾斜功能以及标尺倾斜范围是仪器指标参数的目的所在,即仪器质量的好坏。
当测量时应使标尺上的圆水准泡居中于水准器,标尺不晃动(固定竖直标尺),方可进行作业。
4.遮挡影响
遮拦影响是指望远镜视场内有物体遮挡条码时,仪器能否读数以及对读数有多大影响。
用遮挡率作指标,是指标尺全截距被遮挡的百分比。
一般而言,随遮挡范围的增加数字水准仪的读数精度会降低,若是这种降低的速度越慢,则表明仪器的性能越好。
一般来说,距离越远,遮挡率越大;
距离越近,遮挡率越小。
5.温度影响
温度性能是指数字水准仪适应环境温度的能力。
仪器在高低温环境下能否正常工作以及仪器能否有较强的均衡环境温度的能
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