两种数字水准仪的使用

浅谈两种数字水准仪的使用

摘要：本文结合两种数字水准仪的基本原理，对数字水准仪的优缺点简单说明，并对提高数字水准仪的观测精度简单总结。

关键词：数字水准仪原理测量算法干扰因素

abstract: combining with two kinds of digital levels, the basic principles of digital levels of the advantages and disadvantages of that simple, and to improve the accuracy of digital levels observed simple summary.

keywords: digital levels principle measuring algorithm interference factors

中图分类号： o572.21+3文献标识码：a文章编号：

概述

辽宁省地理信息院自2008年分别引进徕卡dna03，topcon

dl-502两种数字水准仪进行工程测量，经过3年多的应用，我们对数字水准仪有了初步的认识。

1963 年fennel厂研制出了编码经纬仪，加上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。

为实现水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试，如蔡司厂的reni 002a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。

数字水准仪的基本组成

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。目前世界上生产数字水准仪的厂家有瑞士徕卡（leica dna03、na3003、na2002等）、德国蔡司（zeiss dini 11、dini 12、dini 22等）、日本拓普康（topcon dl-502/503等）和日本索佳（sokkia sdl1/sdl2），各厂家的数字水准仪采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（线阵ccd器件）、读取电子元件、单片微处理机、csi接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等，标尺采用条形码供电子测量使用。

电子水准仪采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，

编码规则各不相同，不能互换使用。各厂家在数字水准仪研制过程中采用了不同的测量算法，条形码编码方式和测量算法不同仅仅是由于专利权的原因而完全不同。

数字水准仪的基本工作原理

从1990年徕卡测量系统的前身—瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪na2000，到1994年德国蔡司厂研制出了数字水准仪dini 10/20，同年日本拓普康公司也研制出了数字水准仪

dl101/102，各厂家最初研制的数字水准仪大都定位在中精度水准测量范围，标准差一般为1.0~1.5mm/km，随着微电子技术和传感器工艺的发展以及人们认识水平的提高，各厂家随后又相继研制出高精度的数字水准仪，测量标准差定位在0.3~0.4mm/km，如leica na3003、zeiss dini 11/12、topcon dl-101c，2002年5月徕卡公司又向中国市场投放了dna03中文数字水准仪（测量标准差为

0.3mm/km）。

数字水准仪是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物,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。虽然各厂家的仪器结构和条形码的编码方式不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置。目前照准标尺和调焦仍需目视进行，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另

一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器ccd）上，供电子读数。随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（a/d），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（参考信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。

徕卡dna03采用相关法，拓普康dl-502采用相位法，这是两种原理上相差较大的自动电子读数方法。下面简单介绍两种测量算法。

徕卡水准仪

徕卡系列数字水准仪的标尺采用的是伪随机条形码，并将其事先存储在数字水准仪内作为参考信号，与ccd上的成像所构成的信号（测量信号）按相关方法进行比较，当两信号处于最佳相关位置时，即获得标尺读数和视距读数。相关法需要优化两个参数，也就是“高”和“比例”，即“仪器—标尺”的高差和条码成像的宽窄比例。

由于仪器到标尺的距离不同，条码在探测器上成像的宽窄也将不同，随之电信号的“宽窄”也将改变。于是引起相关的困难。徕卡系列仪器采用二维相关法来解决这个问题，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，再进行一维相关，直到两信号相同为止，可以确定读数。参考信号的“宽窄”与视距相对应，“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，