徕卡DNA03高精度数字水准测量技术

条 形码 影 像被 认 为是 同 名 影 像 ，这 时标 尺 读 数 和 视 距 就 可 以确 定 （如 图 １—２所 示 ）。
２ ＤＩ ０３数 字水准 仪的 主要应 用 程序
仪器 开 机后 ，按 ［ＰＲＯＧ］功 能 键 ，即可 进 入 应 用 程序菜单 （见 图 １—３）。包 括简便测量 、线路测量和 检 验 调整 。下 面介 绍 主要 的应 用 程 序 。
间歇检测是等级水准测量经 常要做的工作 ，徕 卡 ＤＮＡ０３提 供 了 间 歇 测 量 功 能 。 在 仪 器 内 置 程 序 中 ，间歇 测量 包 括 两 站 间 歇 前 的测 量 — —将 高 程 传 递到 两个 检 查 点 上 。继 续 该 水 准 线 路 测 量 前 必 须 进行的间歇检 查测 量——检 核检查 点 的高程 是否 在 间歇 过程 中发 生 了变 化 。
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徕 卡 ＤＮＡ０３高 精 度 数 字 水 准 测 量 技 术
张 志 勇 倪 涵 （１．嘉兴 市规 划 设 计研 究 院 嘉兴 ３１４００１； ２．上 海徕 卡 软件 开 发 中心 上 海 ２０００００）
２．２水 准 仪 ｉ角检 校 众所周知 ，水 准测 量 中采用 前 、后 视距相 等 的
方法 ，以消除仪器 ｉ角对观测数据 的影响 ，但在实 际 测 量 中 ，由 于地 形 和 丈 量 等 客 观 条 件 的 限 制 ，不 可 能完 全 遵守 前 后 视 距 相 等 的原 则 。 因此 ，对 水 准 测 量特别是精密水准测量 ，仪器 ｉ角 的大 小和稳定性 是保证水准 测量精 度 的一 个重 要条件 。虽然数 字 水准 仪 具有 将 测 定 的 ｉ角存 入 机 内并 对 所 测 数据 按 该 ｉ角进行 自动修正 的功 能 ，但 仪器 ｉ角受外界 温 度 、湿 度 、振 动 的影 响 而 瞬 时 变 化 仍 然 存 在 ，所 以 用 数字水准仪进行水准测量时也必须经常对仪器 ｉ角
从 以上测试精度可 以看 出，ＤＮＡ０３数字水准仪 的实测精 度大大高 于规范 的精 度要求 。并 可得 出 以下结 论 ：
１）ＤＮＡ０３数字 水准仪 的实 测精 度 与标 称精 度 相符 ，完全适用 于一 、二等精密水准测量 ；
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进行检测。徕卡 ＤＮＡ０３数字水 准仪提供 了两类不 同的检 测方 法 供 选 择 ：“Ａ ×Ｂ×”法 和 “Ａ× ×Ｂ”法 （Ａ和 Ｂ是 标 尺 位 置 ，×是 仪 器 位 置 ），每 类 方 法 又 各有 两种 方法 。其 中 Ａ×Ｂ（法 有 中心 测 量 法 和 库 式 （Ｋｕｋｋａｍａｅｋ）法 ，Ａ× ×Ｂ法 有 费 式 （Ｆｏｒｓｔｎｅｒ）法 和 李式 （Ｎａｂａｕｅｒ）法 。 只要 在应 用 程 序 菜 单 选 择 “检 验 调整 ”，即可 按 部就 班 地 进行 ｉ角 检测 。 ２码 片 段 。该 伪 随 机 码 的 片 段 成像在 ＣＣＤ探测器上后 ，被 ＣＣＤ探测 器转换成 电 讯号 ，即为测量信号。该信号在数字水准仪 中与事 先 已存储 好 的代 表 水 准 标 尺标 准 伪 随 机 码 的 参 考 信号进行 比较 ，这就是相关 过程 ，称为相关 。在 实 际影像处理时 ，先将测量 信号与标尺底部 的参考 信 号对 齐 ，发现 不相 同 ，然 后 往 上 移 动一 个 步 距 （基 本 码宽），再 比较 ，直 到两码相 同为止 ，或说 两信 号相 同为止 ，读数就可以确定。如图 １—１中标尺读数相 当于 ０．１１６ｍ。但移 动一个基 本码 宽来 进行 比较 的 精 度是 不 够 的 ，只 能得 到 粗 读 数 ，并 称 之 为 粗 相 关 。 再在粗读数 上下选取 一定范 围 ，细化 步距 ，进行精 相关 ，就可以得到精度足够的读数 。
３ 精度测试与结论
为了综合评价 ＤＮＡ０３数字水准仪 的性 能，嘉兴 市规划设 计研究 院对该 仪器进 行 了野 外测试 。测 试 主要 针 对 线 路 测 量 ，测 试 线 路 上 有 二 等 水 准 点 “中环 东路 ”、“亭 子 浜 桥 ”、“八 里 村 ”及 Ｉ３５０、Ｉ３５１、 Ｂ５２、Ｂ５３、……Ｂ６７、Ｂ６８、Ｉ３６９、Ｉ３７０等 ２３个 四等水 准 点 ，测 试 线 路 单 程 长 度 为 ６公 里 ，跨 越 五 座 大 中 型桥 梁 。测试 按照 中华 人 民共 和 国 国 家标 准 《国 家
一 、二 等水 准测量 规范 》（ＧＢ１２８９７－－９７）要求 ，按 照 二 等水 准 测 量要 求 ，对 测试 路 线 进 行 往 返观 测 。
测 试 前 、测试 过 程 中和 测 试 结 束 后 分 别 三 次 对 ＤＮＡ０３数 字 水 准 仪 ｉ角 进 行 了 检 测 ，检 测 结 果 为 ＋５．５”、＋３．６，、＋４．７”，说 明仪器是稳定 的。测试精 度 如下 ：
图 １—１
图 １— ２
置 了可 以检 查 限 差 也 可 以不 检 查 限差 的 功 能 ［用 定
位 键 选 择检 查 （ｏｎ）或 不 检 查 （ ）限 差 ］。 如果 要 检
查 限 差 ，只 要 测 量 成果 超 限 ，就 立 即报 警 并 显 示 一
条信 息说 明哪 项 限差超 限 ，而且 允许 立 即重新 测
１ ＤＮＡ０３数 字水 准仪的基 本测量 原理
数字水 准仪又称 电子水准仪 ，是在 自动安平水 准仪 的基础 上发展起 来 的，它融光机 电技术 、图象 处理技术 、计算 机技术 于一体 ，能 自动采 集数据 和 信 息 处理 ，从 而 实 现 了水 准 测 量 的 自动化 。
数字水准仪 的水准标尺采用 条形码 分划 ，代 替 人们眼睛读数的是光 电二极 管阵列 （ＣＣＤ探 测器 ）。 在 水 准 测 量 中 ，仪 器 完 成 照 准 调 焦 之 后 ，条 形 码 的 影像通 过一个分 光器 ，将光线分 为两柬 ，一束转射 到 ＣＣＤ探测器 上 ，供 电子读 数 ；另一 束转射 到观测 望远 镜 的分 划 板上 ，供 目视 观 测 。徕 卡 的 ＤＮＡ０３数 字水准仪采用相 关法测量原理 ，通 过将储存在 仪器 内的基准码 与光 电二管 阵列 的图像信号 进行 比较 和相 关计 算 来 获取 标 尺 高 和 视 距 读 数 。 图 １—１左 边为徕卡条形码尺 ，其中标 尺影像 的下面是望远镜
同时 ，随着标 尺 到仪器 的距 离不 同 ，条形码 在 ＣＣＤ探测器上成像 的“宽窄 ”也将不 同，随之电讯号 的“宽窄”也将改变 ，这样 引起上述 相关 的困难 。徕 卡 ＤＮＡ０３数字水准仪采用二维相关法来解决 ，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 ＣＣＤ探测 器采集 到的测量 信号相 比 较 。如果没有相同的两信号 ，则再改变参考信号 的 “宽窄”，再次进行一维相关 ，直到的信号相 同为止 ， 可以确定读数。参 考 信号 的“宽窄 ”与视 距是对 应 的 ，而“宽 窄”相 同的两信 号 相 比较 是 求视 距 的过 程 。 因此 ，二维 相 关 之 后标 尺 读 数 和 视 距 就 可 以精 确 算 出。
仪器的内部影像处理是这样 实现 的，二维相关 首先在标 尺条形码影像上 先确定一个待定点 ，称之 为 目标 点 ，以此 待 定 点 为 中心 选 取 ｍ×ｎ个 像 素 的 灰度阵列作为 目标 区，为了在储 存在仪器 内的参考
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影像 中搜索 同名影像 ，必 须估 计 出该 同名影像可能 存 在 的范 围 ，建 立一 个 ｋ×１个 像 素 的 灰 度 阵列 作 为 搜索 区，相关的过程就是依次在搜索区中取出 ｍ×ｎ 个像 素灰度 阵列 ，计算其 与 目标 区的相似测度 ｐｉｊ， 将仪器的调焦 透镜位 置参数 作为相 关搜索 的初始 值 ，当 ｐ取最 大 时 ，认 为 是 最 佳 相 关 ，该 搜 索 窗 口的
摘 要 本文介 绍 了徕 卡 ＤＮＡ０３高精度 数 字 水 准仪 的 原理 及 应 用程 序 ，并对 仪 器进 行 了野 外 精 度 测试 ，并 得 出徕 卡 ＤＮＡ０３数 字水准仪 的实测样本精 度 。
关键词 数字水 准仪 精 度测试
数字水准测量技术是继全站仪 、ＧＰＳ之后 ，常规 数字化 测 量 技 术 的 又 一 里 程 碑 。徕 卡 测 量 系 统 公 司 （Ｌｅｉｃａ Ｇｅ（￣ｙｓｔｅｍｓ Ｌｔｄ．）的前 身 瑞 士威 特 厂 （ＷＩＬＤ） 于 １９９０年在世界上率先推 出了数字水准仪 ＮＡ２０００ 系列 ，２００２年 ５月徕卡公司又向 中国市场投放的新 型数字水准仪 ＤＮＡ０３。该仪器极具特色 ，测 量性能 佳 ，中文菜单显示 ，操 作方便 ，符合 中国国家水准测 量规范 ，增 加 了数 据加 密 、间歇测量 等功 能。本文 对徕卡 ＤＮＡ０３高精度 数字水 准仪 的原理进 行 了阐 述 ，介绍了 ＤＮＡ０３数字水准仪 的主要特点及应用程 序 ，通 过 对 仪 器 进 行 野 外 精 度 测 试 ，说 明徕 卡 ＤＮＡ０３数字水准仪完全适用 于国家一 、二等精密水 准 测量 。
每公里水准测量的偶然中误差 Ｍ△：±０．４６ｍｍ 每公里水准测量高差 中数 的偶然误 差
＝ ± ０．１２ｒｔｍａ
平 差后 的精 度 评 定 ：以二 等 水 准 点 “中环 东 路”、“亭子浜桥 ”、“八 里村 ”为起算 ，按 附合 水准线 路采用间接平 差方 法对 测试水 准线路 进行平 差计 算 ，平 差后 最 弱 点 的高程 中误 差 为 ０．００１３４米 ，最 大 点 间 的高 程 中误 差 为 ０．０００７９米 。
量 。
图 １—３ 应 用程 序 主 菜单 ２．１线 路 测 量
“线路测量 ”程 序 主要 用于符合 我 国水准测 量 规范 的等级水准测量 。选择“线 路测量”，有 三项选 择“设置作业”、“设置线 路”、“设 置限差”。在“设 置 作业”中，可 以命 名作 业名称 、输 入观测者姓 名等 ； 在“设置线 路”里输 入线路 名称 、观测方 法。其 中， 观测方 法 有 ＢＦ、ＢＦＦＢ、ａＢＦ、ａＢＦＦＢ四种 方 法 可 供 选 择 ，各 种 测 量 方 法 的 意 义 如 下 表 ；在 “限差 设 置 ”里 可以设置前后视距 差 、视线长度 、视线高度 、测站高 差之差 、同一标尺 两次读 数之 差各种 限差。 同时 ， 设置 的限差 是否要遵 守 ，取决 于应用需要 ，仪器设