Leica-DNA03數(shù)字水準儀及其精度測試WORD

1、文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! Leica DNA03數(shù)字水準儀及其精度測試張志勇（嘉興市規(guī)劃設計研究院 浙江嘉興 314001）摘 要 對數(shù)字水準儀的原理進行了闡述。介紹了Leica DNA03數(shù)字水準儀的主要技術指標、特點及各種測量功能，并對儀器進行了野外精度測試，得出了Leica DNA03數(shù)字水準儀適用于精密水準測量的結(jié)論。關鍵詞 數(shù)字水準儀；精度測試DNA03數(shù)字水準儀是徠卡公司繼NA3003數(shù)字水準儀后于2002年5月向中國市場投放的新型數(shù)字水準儀。儀器極具特色，測量性能佳，中文菜單顯示，操作方便，符合中國國家水準測量規(guī)范，增加了數(shù)據(jù)加密、間歇測量等功能。本文對數(shù)字水準儀的原

2、理進行了闡述，介紹了Leica DNA03數(shù)字水準儀的主要技術指標、特點及各種測量功能，通過對儀器進行野外精度測試，說明Leica DNA03數(shù)字水準儀完全適用于精密水準測量。1 數(shù)字水準儀的基本原理數(shù)字水準儀又稱電子水準儀，具有與自動安平水準儀相同的光學機械結(jié)構，采用了典型的交叉吊帶光學機械補償器（如圖11所示），它融光機電技術、圖象處理技術、計算機技術于一體，以條碼間隔影像信息與參考信號進行數(shù)字圖像處理的原理，自動采集數(shù)據(jù)、信息處理和獲取自動記錄觀測值，從而實現(xiàn)了水準測量的自動化。數(shù)字水準儀水準標尺采用條形碼分劃，代替人們眼睛讀數(shù)的是光電二極管陣列（CCD探測器）。在水準測量中，儀器完成照

3、準調(diào)焦之后，條形碼的象通過一個分光器，將光線分為兩束，一束轉(zhuǎn)射到傳感器光電二極管陣列上，供電子讀數(shù)，另一束轉(zhuǎn)射到觀測望遠鏡的分劃板上，供目視觀測。目前標尺條碼信號的分析和處理采用的方法（也就是自動電子讀數(shù)方法）有相關法、幾何法和相位法三種，三種方法在原理上有較大差別，Leica公司的數(shù)字水準儀均采用的是相關法，將儲存在儀器內(nèi)的基準碼與傳感器陣列的圖象信號進行比較，儀器和標尺之間的高差即是標尺條形碼象的位移量和因儀器、標尺間距離而產(chǎn)生的條形碼象的大小的二維相關函數(shù)。二維相關是在標尺條形碼影像上先確定一個待定點，稱之為目標點，以此待定點為中心選取9 / 12m ´ n個像素的灰度陣列作為

4、目標區(qū)，為了在儲存在儀器內(nèi)的基準碼影像中搜索同名影像，必須估計出該同名影像可能存在的范圍，建立一個k ´ l個像素的灰度陣列作為搜索區(qū)，相關的過程就是依次在搜索區(qū)中取出m ´ n個像素灰度陣列，計算其與目標區(qū)的相似測度rij，將儀器的調(diào)焦透鏡位置參數(shù)作為相關搜索的初始值，當r取最大時，認為是最佳相關，該搜索窗口的條形碼影像被認為是同名影像，這時標尺讀數(shù)就可以確定（如圖12所示）。圖122 DNA03數(shù)字水準儀的技術指標及特點DNA03是Leica第二代數(shù)字水準儀。1990年徠卡測量系統(tǒng)（Leica Geosystems）的前身瑞士威特廠在世界上率先研制出數(shù)字水準儀NA200

5、0，可以說從1990年起，大地測量儀器全面完成了從精密光機儀器向光機電測一體化的高科技產(chǎn)品的過渡，攻克了大地測量儀器中水準儀數(shù)字化讀數(shù)這一最后難關。2002年5月徠卡公司又推出了新型的DNA03數(shù)字水準儀，該儀器外形美觀，大屏幕中文顯示，測量數(shù)據(jù)可存入內(nèi)存和PC卡中，并具有符合中國國家水準測量規(guī)范的豐富的機載軟件，這意味著數(shù)字水準儀真正地為中國用戶所接受。21主要技術指標重量：2.8kg（含GEB111電池）大?。?68´240´210mm水準測量精度（每公里雙次觀測標準偏差）：電子測量 銦鋼條碼尺0.3 mm/km 普通尺1.0mm/km光學測量 普通尺2.0mm/km距

6、離測量精度： 標準偏差 5mm/10m電子測距范圍： 標尺長度3m 1.8m110m 推薦的3m銦瓦標尺 1.8m60m 標尺長度=2.7m 1.8m100m 標尺長度=1.82m/2m 1.8m60m所需測量時間：3秒望遠鏡 放大倍率 24´ 物鏡自由孔徑 36mm 孔徑角 2° 視場 3.5m ati 100m 最短標尺距離 0.6m 乘常數(shù) 100 加常數(shù) 0水準儀靈敏度圓水準器 8¢/2mm補償器用電子跟蹤的磁阻尼擺補償器傾斜角（補償范圍） ±10²補償精度： 0.3²顯示 LC顯示 8行，每行24個字符，144´6

7、4象素 照明 節(jié)電模式/永久模式/只照明圓水準器模式 加熱 開/關 在-5度以下設置測量值改正 傾斜誤差改正 自動 地球曲率改正 開/關；水準儀檢驗改正值記錄內(nèi)存 約6000個測量成果，或大約1650站觀測成果（BF），從“測量與記錄“，經(jīng)RS232串行接口以GSI8/GSI16格式輸出數(shù)據(jù)積累 PCMCIA卡（電訊，SRAM），可達16MB的能力溫度范圍 存貯 -40°C +70°C 操作 -20°C +50°C環(huán)境條件防水、防灰塵 IP53(Gem.IEC60529)濕度 濕度達95%時不凝聚磁場靈敏度 在水平面上0u Tup的野外長度不變電池電量電

8、池(NiMH) GEB111 GEB121電壓 6V 6V能力 1800mAh 3600mAhDNA03操作時間 12h 12h2 2儀器的主要特點1） 超大的存儲容量?？芍С肿畲笕萘窟_32MB的PCMCIA卡；2） 大屏幕的LCD，中文菜單顯示，方便了操作；3） 極快的測量速度。單次測量需時約3秒；4） 選超大容量的鎳氫電池?？芍С?節(jié)AA干電池供電，給測量供電多了一種保障，少了一份顧慮；5） 用戶可自由定義輸出數(shù)據(jù)格式，還用戶多一點自主；6） 現(xiàn)代時尚的流線型外觀，減低了風阻的影響；7） 徠卡獨特的粗調(diào)焦功能，既省去了因前后視距不等而需要頻繁調(diào)焦，也有效地去除了調(diào)焦誤差的影響。方便了操作，

9、提高了精度；8） 符合中國水準測量規(guī)范，更有特別為中國用戶設計的軟件功能。如數(shù)據(jù)加密功能、間歇檢查；9） 全電子測量，超限自動停測報警；10） 獨特的相關測量原理，使得水準標尺刻劃誤差的影響降低到幾乎可以忽略的程度；11） 小視場讀數(shù)，充分考慮了折光影響；12） 多達5種測量模式，能及時有效地確定和剔除周圍環(huán)境如汽車行駛（震動）對水準測量的影響，從而確保了測量成果的質(zhì)量。13） 標準化的GSI指令，使聯(lián)機測量方便易行。用戶使用儀器多了一種方式；14） 采用新型CCD，既提高了測量精度，又提高了測程。3 DNA03數(shù)字水準儀的主要功能31線路測量 在PROG功能選擇“線路測量”，在“線路測量”菜

10、單下有三項“設置作業(yè)”、“設置線路”、“設置限差”，在“設置作業(yè)”里可以命名作業(yè)名稱(Job)、輸入觀測者姓名(Oper)等；在“設置線路”里輸入線路名稱(Name)、觀測方法（Method），觀測方法有BF、BFFB、aBF、aBFFB四種方法可供選擇，各種測量方法的意義如下表；在“限差設置”里可以設置前后視距差（DistBal）、視線長度（MaxDist）、視線高度（StafLow）、測站高差之差（StaDif）、同一標尺兩次讀數(shù)之差（B-B/F-F），設置的限差是否要遵守，取決于應用需要，儀器設置了可以檢查限差也可以不檢查限差的功能（用定位鍵選擇檢查（on）或不檢查（off）限差），如果

11、要檢查限差，只要測量成果超限，就立即報警并顯示一條信息說明哪項限差超限，而且允許立即重新測量。各種觀測方法（Method）說明方法奇數(shù)站偶數(shù)站BFBF（后前）BF（后前）aBFBF（后前）FB（前后）BFFBBFFB（后前前后）BFFB（后前前后）aBFFBBFFB（后前前后）FBBF（前后后前）3 2水準儀i角檢校眾所周知，水準測量中采用前、后視距相等的方法，以消除儀器i角對觀測數(shù)據(jù)的影響，但在實際測量中，由于地形和丈量等客觀條件的限制，不可能完全遵守前后視距相等的原則。因此，對水準測量特別是精密水準測量，儀器i角的大小和穩(wěn)定性是保證水準測量精度的一個重要條件。雖然數(shù)字水準儀具有將測定的i角

12、存入機內(nèi)并對所測數(shù)據(jù)按該i角進行自動修正的功能，但儀器i角受外界溫度、濕度、振動的影響而瞬時變化仍然存在，所以用數(shù)字水準儀進行水準測量時也必須經(jīng)常對儀器i角進行檢測。Leica DNA03數(shù)字水準儀提供了i角檢測的方法和程序。 在Leica DNA03數(shù)字水準儀i角檢測程序中，提供了兩種不同的檢測方法供選擇：“A´B´”法和“A´´B”法（A和B是標尺位置，´是儀器位置），每種方法又各有兩種方法： A´B´法： 有中心測量法和庫式（Kukkamaek）法。 中心測量法：儀器首先安置在相距約30m的兩標尺中間測量，然后靠近B尺

13、（約距B尺2.5m，內(nèi)外均可），如圖 庫式（Kukkamaek）法：儀器首先安置在相距為a（a約20m）的兩標尺中間測量，然后安置在與B標尺的距離為（a=b）的外邊測量。aStaff Staff AB1/21/21. Station2. Stationb A´´B法： 有費式（Forstner）法和李式（Nabauer）法。 費式（Forstner）法：將兩標尺安置在相距45m的距離，將其三等份，分別距A、B標尺15m處安置儀器測量，如圖。李式（Nabauer）法：選擇約45m長的距離，將其分成三等份，在中間兩等分點上安置A、B標尺，分別在兩標尺外邊距離15m處安置儀器測量

14、，如圖。33間歇測量(Break Measurement)間歇檢測是等級水準測量經(jīng)常要做的工作，儀器提供了間歇測量功能。在儀器內(nèi)置程序中，間歇測量包括兩站間歇前的測量（Break meas）將高程傳遞到兩個檢查點（Check Point）上，和繼續(xù)該水準線路測量前必須進行的間歇檢查（Break Check）測量檢核檢查點的高程是否在間歇過程中發(fā)生了變化。間歇檢查測量先檢查間歇前最后一站測量的高差，如果發(fā)現(xiàn)間歇檢查測量的結(jié)果與間歇前測量的結(jié)果的差值在規(guī)定的限差（限差可將規(guī)范值置入儀器）內(nèi)，則結(jié)束間歇測量開始繼續(xù)該水準線路測量。如果檢查結(jié)果超限，則再回退檢測尖歇前倒數(shù)第二站的高差，檢測結(jié)果在限差之

15、內(nèi)，則結(jié)束檢測開始繼續(xù)該水準線路測量，如果檢測結(jié)果仍超限，則程序會自動將兩站測量高差合并，并將合并后的高差與間歇前測量的兩站合并的高差進行比較，如果二者之差在規(guī)定限差內(nèi)，則結(jié)束檢測開始繼續(xù)該水準線路測量，如果差值仍然超限，說明不止一個檢查點發(fā)生了變動，整條水準路線資料將作廢，則需從前一固定水準點起重新測量。4 精度測試為了綜合評價DNA03數(shù)字水準儀的性能，徠卡測量系統(tǒng)公司委托我院對該儀器進行了野外測試。測試主要針對線路測量，測試線路上有二等水準點“中環(huán)東路”、“亭子浜橋”、“八里村”及I350、I351、I352、I353、I367、I368、I369、I370等23個四等水準點，測試線路單

16、程長度為6公里，跨越五座大中型橋梁。測試按照中華人民共和國國家標準國家一、二等水準測量規(guī)范（GB1289797）要求，按照二等水準測量要求，對測試路線進行往返觀測。測試前、測試過程中和測試結(jié)束后分別三次對DNA03數(shù)字水準儀i角進行了檢測，檢測結(jié)果為+5.5²、+3.6²、+4.7²，說明儀器是穩(wěn)定的。通過我們測試，提供以下建議：1、 我們在測試過程中，觀測員由5人交替輪換，對觀測結(jié)果精度影響甚微。DNA03數(shù)字水準儀電子讀數(shù)自動記錄，消除了人工讀數(shù)誤差，司尺員立尺是否迅速豎直成為觀測成果質(zhì)量好壞的重要因素，我們在測試中司尺員采用兩根竹桿支撐扶尺，建議在精密水準測

17、量時使用儀器商提供的可調(diào)節(jié)升降尺撐，更應注意提高扶尺質(zhì)量和司尺員的素質(zhì)。2、 測量時調(diào)焦清晰程度，只影響測量時間，對測量結(jié)果無明顯影響。3、 測量時尺子應盡量立在陽光下或全處陰影處，使標尺亮度均勻，否則無法讀數(shù)。4、 儀器在陽光下觀測，應避免向陽方向，否則不能讀數(shù)。5、 溫度變化、外界高溫對儀器觀測結(jié)果影響不明顯。我們在測試過程中，適逢高溫天氣，平均氣溫36度，對儀器觀測沒有影響。DNA03數(shù)字水準儀往返測觀測高差h往、h返及各測段往返測高差不符值D列于下表中，測試精度如下：每公里水準測量的偶然中誤差MD=±0.46mm每公里水準測量高差中數(shù)的偶然誤差h=±0.12mm平差

18、后的精度評定：以二等水準點“中環(huán)東路”、“亭子浜橋”、“八里村”為起算，按附合水準線路采用間接平差方法對測試水準線路進行平差計算，平差后最弱點的高程中誤差為0.00134米，最大點間的高程中誤差為0.00079米。從以上測試精度可以看出，DNA03數(shù)字水準儀的實測精度大大高于規(guī)范的精度要求。5 結(jié)論1） 、 DNA03數(shù)字水準儀的實測精度與標稱精度相符，完全適用于一、二等精密水準測量；2） 、NA03數(shù)字水準儀性能穩(wěn)定，溫度變化對測量結(jié)果影響不明顯，高溫天氣下儀器仍可以正常工作，而且對測量結(jié)果影響甚微。參考文獻 1 張志勇 ZEISS DINI11型數(shù)字水準儀及其在地面沉降觀測應用中的精度分析

19、 福建省 浙江省測繪學會2000年工程測量專業(yè)學術交流論文集。 2 羅官德等 數(shù)字水準儀i角檢校方法探討 測繪與信息工程2002年第4期。 3 Leica Geosystems DNA03/DNA10用戶手冊（中文1.0版）測段名h往(m)測段長L(Km)L2h返(m)往返平均值h(m)往返較差D (mm) DD DD/L中環(huán)東路-I3500.10818 0.2960.0876-0.10839 0.10829 -0.2070.04280.1448I350-I351-0.96843 0.2570.06600.96818 -0.96831 -0.2500.06250.2432I351-I3521.

20、69396 0.2770.0767-1.69400 1.69398 -0.0480.00230.0083I352-I353-1.83180 0.2650.07021.83151 -1.83166 -0.2900.08410.3174I353-I3540.01802 0.2700.0729-0.01709 0.01756 0.9300.86493.2033I354-I3550.10701 0.2820.0795-0.10776 0.10739 -0.7500.56251.9947I355-I3560.27005 0.2830.0801-0.26965 0.26985 0.4000.16000.5

21、654I356-I357-0.34540 0.2670.07130.34449 -0.34495 -0.9100.82813.1015I357-I3581.68974 0.2720.0740-1.69016 1.68995 -0.4200.17640.6485I358-I359-1.71112 0.2650.07021.71088 -1.71100 -0.2400.05760.2173I359-I360-0.00285 0.2270.05150.00341 -0.00313 0.5600.31361.3815I360-I3610.02249 0.2780.0773-0.02161 0.02205 0.8800.77442.7856I361- 亭子浜橋1.21990 0.1820.0331-1.21977 1.21984 0.1300.01690.0928亭子浜橋-I362-0.39486 0.1420.02020.39428 -0.39457 -0.5800.33642