陳小歌，余代俊，毛 川

（成都理工大學 現(xiàn)代工程測量技術及應用研究所，四川 成都610059）

獲得地面點高程的方法有很多，如水準測量、三角高程測量、GPS高程測量等，每種方法都有其適用范圍。我國建立高程控制網(wǎng)的主要方法是水準測量，因其原理簡單，操作容易，并且精度最高，當前還沒有其他測量方法可以完全代替水準測量在高等級高程控制網(wǎng)和精密工程測量中的地位?，F(xiàn)在數(shù)字水準儀在各類測量和勘測設計等單位已經(jīng)很常見，這標志著水準測量儀器的發(fā)展勢頭已轉向數(shù)字水準儀。當利用數(shù)字水準儀進行井下測量、隧道測量或夜間測量（如公路改造，白天交通繁忙不便作業(yè)）時，由于光線不足，一般需借助手電筒配合數(shù)字水準儀進行測量作業(yè)。如此作業(yè)對測量精度的影響是本文要探討的問題。

本文在簡要介紹數(shù)字水準儀的基本原理和特點的基礎上，以徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502 3種市場上主流數(shù)字水準儀為例，分別在白天和晚上進行了水準高程的對比測量實驗，檢測了測量精度及黑暗條件下的視距范圍。根據(jù)測量結果總結了弱光線對數(shù)字水準儀測量的影響。

1 數(shù)字水準儀工作原理及讀數(shù)方法

1.1 數(shù)字水準儀工作原理

要求得未知點高程，就是利用水準儀提供的水平視線，借助于帶有分劃的水準尺，測出已知高程點至未知點間的高差，從而計算得未知點高程。數(shù)字水準儀與光學水準儀相比，測量讀數(shù)原理有較大不同，數(shù)字水準儀的結構和工作原理如圖1所示，在自動安平水準儀的基礎上，望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），利用條碼尺代替水準標尺，條碼尺上的條碼經(jīng)光反射后一部分光束成像在望遠鏡分劃板上用來瞄準觀測，而另一部分光束通過望遠鏡分光鏡在探測器上成像，經(jīng)解碼比對，獲得探測器中絲處條碼尺圖像的高度值。需要說明的是，各廠家的數(shù)字水準儀解碼比對原理不同，標尺條碼圖案也不同，所以儀器與條碼尺必須配套使用。

1.2 數(shù)字水準儀的讀數(shù)方法

圖1 數(shù)字水準儀工作原理

數(shù)字水準儀的自動讀數(shù)原理是通過獲取條碼尺上的測量信號，與儀器內部自帶的標準編碼進行對比實現(xiàn)。當條碼尺在望遠鏡的視野范圍以內，其在望遠鏡十字絲分劃板上所成的條碼圖像，將會被探測器轉換成具有256位灰度值的模擬視頻信號，探測器對這些信號進行調整和數(shù)字化即可形成測量信號。按照讀數(shù)原理的不同可以將數(shù)字水準儀分為徠卡相關法、天寶幾何法和拓普康相位法3種。

下面以拓普康數(shù)字水準儀為例對相位法的讀數(shù)原理作一簡要分析。拓普康數(shù)字水準儀的條碼尺是利用RAB隨機雙向編碼技術：其中R為具有3條等寬黑色條碼的參考碼，在條碼尺上表現(xiàn)為每隔3cm即有一組R碼，且以中間碼的中線為準。在R信息碼的兩邊是A信息碼和B信息碼，在R信息碼以上10mm處為A信息碼，R信息碼以下10mm處為B信息碼。A、B信息碼的波長分別為330nm和300nm，從條碼尺低端開始編碼，其條碼寬度從2～10mm按照一個具有±π／2的相位差正弦規(guī)律進行動態(tài)變化，并在條碼尺不同的部位其相位差有所不同。正因A、B信息碼的碼寬是正弦變化的，所以在條碼尺上會形成按照正弦變化的亮度波。當進行水準測量時，信號探測頭會截取A、B信息碼的一部分，其亮度變化信息通過CCD轉換為相應的電信號，再利用快速傅里葉變換即可獲得對應的頻率和相位差，以此來確定對應的視距和高度。

2 光線對數(shù)字水準儀測量精度的影響

影響數(shù)字水準儀測量精度的主要因素有視距長短、調焦成像質量、標尺遮擋、標尺亮度（即光線）、標尺的前后傾斜、磁場等。本文主要以不同光照條件下對數(shù)字水準儀測量精度的影響做一簡單探討。

本實驗場地選擇在學校一段夜晚無路燈的路段，以一個不銹鋼固定水準點作為起算點，分別在白天和晚上進行閉合水準路線測量。白天選擇在陰天且光線穩(wěn)定的時間段進行測量，平均溫度為12℃，并將此結果作為標準數(shù)據(jù)。晚上用發(fā)白光的LED（發(fā)光二極管）手電作為輔助照明進行測量。LED光源采用與傳統(tǒng)白熾燈發(fā)光原理有著本質區(qū)別的發(fā)光二極管作為發(fā)光體而制成。LED是由一層帶過量電子，另一層僅帶正電“空穴”，并攙雜半導體材料而形成的很薄的光源。當電流通過LED時，電子與“空穴”相互作用釋放能量并輻射光芒。雖然，LED光的顏色種類繁多，但其發(fā)射出的白色光線與太陽光非常相近。晚上測量平均溫度為8℃，按照與白天相同的水準路線進行觀測，最后對其結果進行比較分析。測量時儀器采用平均測量模式，設置為5次求平均，對水準路線進行往返測量。測量方法及數(shù)據(jù)計算按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB／T12897-2006）中二等水準測量相關規(guī)定嚴格執(zhí)行。本次實驗水準環(huán)長約200m，閉合環(huán)限差3種數(shù)字水準儀在此兩時段水準環(huán)往返高程閉合差W 結果見表1。

表1 3種數(shù)字水準儀兩種時間段水準環(huán)往返測高程閉合差比較 mm

從表1中結果可看出，不同環(huán)境下3種數(shù)字水準儀的測量精度均滿足二等水準測量要求，在黑暗條件下，有燈光輔助照明時數(shù)字水準儀精度與白天測量精度基本一致。在黑暗環(huán)境下將光源照射在標尺上，標尺上的條碼圖案可以直接將光進行反射，望遠鏡探測器將所獲取的條碼尺圖像與內部標準信號進行對比以獲得相應的高度值信息。LED燈的色溫為5 600～6 500K，與白天太陽的色溫6 500～7 000K很接近，這也是利用LED燈輔助照明進行水準測量精度保證的一個重要原因。而白熾燈是采用鎢絲作為發(fā)光光源，其色溫一般為3 000K，且散光嚴重，所以白熾燈手電進行照明無法進行測量。

本次試驗還檢驗了3種數(shù)字水準儀在白天和晚上測量的視距范圍，主要對3種儀器晚上的視距范圍做檢測。在1.5～105m視距處布設10個點，對每個點觀測4次，每次為5次讀數(shù)的平均值，最終得出徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502白天視距均與說明書標稱的“一般條件下電子讀數(shù)范圍”相符。測得晚上徠卡DNA03視距范圍是1.8～56m；天寶DiNi03的為1.4～52m；拓普康DL502的為1.5～50m。從晚上的測量數(shù)據(jù)可以看出弱光條件下數(shù)字水準儀的視距還是受限制，3種數(shù)字水準儀測量范圍最短與白天沒什么差別，最長不大于白天最長視距的一半，這是因距離太遠，成像CCD無法獲得所需的最暗光線。

3 結束語

數(shù)字水準儀常用的讀數(shù)方法有相關法、幾何法、相位法3種，各有其優(yōu)點和缺陷。利用數(shù)字水準儀進行水準測量的誤差來源要比傳統(tǒng)水準儀多，如CCD成像質量、標尺晃動、光照變化影響、視線遮擋影響等，應采取一定的有效措施消除或減弱這些誤差來源的影響。通過白天和晚上用徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502數(shù)字水準儀進行的水準測量表明，在黑暗條件下可以用類似自然光的LED光源照明進行數(shù)字水準測量，但視距不要太大，保持20m左右比較適宜，測量精度能滿足二等水準測量的要求。

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