电子水准仪精密水准测量的精度分析Word下载.docx
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1.3电子水准仪在水准测量中的地位3
第2章电子水准仪的检验与校正5
2.1圆气泡和仪器指标差的检验和校正5
2.2水准仪的i角的检验6
2.3电子水准仪的误差影响7
2.4本章小结8
第3章DINI12电子水准仪9
3.1DINI12电子水准仪的基本原理9
3.2电子水准仪的功能10
3.2.1主测量屏幕11
3.2.2键盘功能及分布11
3.3线路水准测量12
3.4支点测量15
3.5数据传输15
3.6本章小结18
第4章DINI12电子水准仪精密水准测量精度分析19
4.1水准测量原理19
4.2外业实施的方案设计20
4.2.1实施前的准备20
4.2.2水准测量的技术要求21
4.2.3方案设计及布网图24
4.3数据整理25
4.4精度分析27
4.5本章小结29
结论30
参考文献31
致谢32
附录33
第1章绪论
1.1水准仪的简介
水准仪是在17至18世纪发明了望远镜和水准器后出现的。
20世纪初，在制出内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪。
50年代初出现了自动安平水准仪，60年代研制出激光水准仪。
90年代研制出了电子水准仪。
微倾水准仪是借助于微倾螺旋获得水平视线的一种常用水准仪。
作业时先用圆水准器将仪器粗略整平，每次读数前再借助微倾螺旋，使符合水准器在竖直面内俯仰，直到符合水准气泡精确居中，使视线水平。
微倾的精密水准仪同普通水准仪比较，前者管水准器的分划值小、灵敏度高，望远镜的放大倍率大，明亮度强，仪器结构坚固，特别是望远镜与管水准器之间的联接牢固,装有光学测微器，并配有精密水准标尺，以提高读数精度。
自动安平水准仪是借助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水准仪。
它的特点主要是当望远镜视线有微量倾斜时，补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动，从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。
自动安平补偿器按结构可分为活动物镜、活动十字丝和悬挂棱镜等多种。
补偿装置都有一个“摆”，当望远镜视线略有倾斜时，补偿元件将产生摆动，为使“摆”的摆动能尽快地得到稳定，必须装一空气阻尼器或磁力阻尼器。
这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定，尤其在多风和气温变化大的地区作业更为显著。
激光水准仪是利用激光束代替人工读数的一种水准仪。
将激光器发出的激光束导入望远镜筒内，使其沿视准轴方向射出水平激光束。
利用激光的单色性和相干性，可在望远镜物镜前装配一块具有一定遮光图案的玻璃片或金属片，即波带板，使之所生衍射干涉。
经过望远镜调焦，在波带板的调焦范围内，获得一明亮而精细的十字型或圆形的激光光斑，从而更精确地照准目标。
如在前、后水准标尺上配备能自动跟踪的光电接收靶，即可进行水准测量。
在施工测量和大型构件装配中，常用激光水准仪建立水平面或水平线。
电子水准仪是目前最先进的水准仪，配合专门的条码水准尺，通过仪器中内置的数字成像系统，自动获取水准尺的条码读数，不再需要人工读数。
这种仪器可大大降低测绘作业劳动强度，避免人为的主观读数误差，具有精度高、效率快、速度高的优势，提高测量精度和效率。
1.2电子水准仪的发展及现状
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，但粗读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电子水准仪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，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。
最后具有较高的技术能力的拓普康公司，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。
在水准测量中电子水准仪被广泛应用，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
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，包括徕卡相机公司、莱卡显微镜系统公司和莱卡测量系统公司组成。
莱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。
如今的莱卡测量系统公司已全面朝着专业化、自动化、规模化发展。
它开发的电子电子水准仪在世界上占有一席之地。
天宝导航公司成立于1978年，20多年来，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电子水准仪堪称是世界上精度最高的电子水准仪，在世界具有相当大的影响。
株式会社拓普康成立于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。
近70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电子水准仪的研究，由于电子水准仪是集光学、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，目前还没有国产的电子水准仪，因此研究和开发国产电子水准仪，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。
电子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！
1.3电子水准仪在水准测量中的地位
在以往的水准测量工作中，只能使用光学精密水准仪，而且操作过于繁多，外业工作量大，数据需要人工记录，受人为因数干扰较大。
并且内业计算量多，平差计算复杂。
近几年，随着电子、信息、电子计算机和空间科学的飞快发展，电子水准仪以其自动化程度高、功能全、使用方便、高精密度以及良好的可靠性逐步替代精密光学水准仪在国家高等级水准测量和高精度的工程测量中被广泛使用。
随着科技的发展，GPS（全球定位系统）和全站仪技术的也发展迅速，GPS和全站仪已经逐步进入水准测量的领域中，在低等级水准导线测量和碎步测量中占有一席之位，但是在国家一、二等水准测量和高精度的工程测量中，GPS和全站仪却不能够替代精密光学水准仪，因为GPS和全站仪水准测量的精密度完全达不到规范和技术的要求，远底于光学精密水准仪。
但是电子水准仪器的精度要远高于光学精密水准仪器，电子水准仪的出现，完全打破了数字测量仪器不能进入高精度水准测量的界限。
第2章电子水准仪的检验与校正
2.1圆气泡和仪器指标差的检验和校正
在菜单屏幕‘MenuAdjust’提示下按[ENT]，显示先前的作业号作为缺省值，输入作业号并按[ENT]，输入注记字1-3并按[ENT]，开始测量。
瞄准‘a’点的标尺并按[MEAS]（见图2.1），这时，测量并显示Aa；
瞄准‘b’点的标尺并按[MEAS]（见图2.1），这时，测量并显示Ab。
将仪器移到B点，约距‘a’点的标尺16.5m，然后整平仪器（见图2.1），瞄准‘a’点的标尺并按[MEAS]，这时，测量并显示Ba；
瞄准‘b’点的标尺并按[MEAS]（见图2.1），测量并显示Bb，其后显示改正数值，继续调整，按下[ENT]，显示‘b’点的标尺读数，翻转‘b’点的标尺。
这时，取下仪器的目镜盖，可看到十字丝的调整螺丝，瞄准标尺进行人工读数，上下移动十字丝（图2.2），直至水平视线与正确读数数值一致后，按[ENT]退出检校菜单。
2.2水准仪的ī角的检验
水准仪的i角是水准仪的视准轴在垂直方向与水准轴的夹角。
望远镜视准轴和水准管水准轴都是空间直线，如果它们相互平行，那么无论是在包含视准轴的竖直面上的投影还是水平面上的投影都应该是平行的。
对竖直面上投影是否平行的检验称为i角检验。
现在扼要地介绍水准仪i角的测定办法。
将水准仪置平在二支水准标尺的中间，仪器距标尺约30米或40米，前后大约等距离，读取标尺上的读数得到二点的高差值。
如图2.3所示：
图2.3i角误差
搬迁仪器至二支标尺的一内侧或外侧均可，此时，仪器至标尺的距离分别为近距离的标尺只是几米，而远距离的标尺已是几十米。
同样，测量这二点的高差值，如果二次测得的高差相等，说明仪器i角为零。
高差不等就说明仪器存在着i角的误差。
如图2.4所示。
如上图所示：
仪器在中间，读取A尺的读数a1＝0962，B尺的读数b1＝1062，仪器在一侧，读取A尺的读数a2＝0835，B尺的读数b2＝0933
h1＝－1062＋0962＝－0100
h2＝－0933＋0835＝－0098
Δ＝－0098＋0100＝＋2mm
按小角公式计算i角；
i＝Δ·
ρ／s=2mm×
206265″/60000mm=41/6″=7″
2.3电子水准仪的误差影响
、、、、、、、上述影响在实际测量中应该尽量避免，这样有助于提高测量精度。
2.4本章小结
在进行外业数据采集之前，要对水准仪进行严格的检核以及校正，主要是
第3章DINI12电子水准仪
3.1DINI12电子水准仪的基本原理
电子水准仪又称数字式水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，电子读数主要是采用条码标尺实现的。
电子水准仪区别于水准管水准仪和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，电子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，电子水准仪采用的自动电子读数方法有以下三种：
1、相关法，如Leica公司的NA2002，NA3003电子水准仪；
2、几何法，如蔡司厂的DiNi10，DiNi20；
3、相位法，如拓普康公司的DL—101C，DL—102C。
DiNi12电子水准仪及标尺编码如图3.1所示。
测量员进行测量时，在完成照准和调焦之后，当按下了Measure测量键时，仪器里的电子图像感应器（即线阵CCD器件），就会对瞄准并调焦好的尺子上的条码图片实现快照操作，然后将影像和仪器内存中的条码图片进行比较和计算，并将计算结果存储起来。
简言之，电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器，并采用条码标尺和图像处理电子系统构成的光机电测一体化的高科技产品。
图3.2为电子水准仪测量原理流程图。
3.2电子水准仪的功能
要熟悉电子水准仪的功能，先要了解电子水准仪的操作界面，以及各按键的功能。
下面介绍了电子水准仪的主测量屏幕和功能键与数字键。
3.2.1主测量屏幕
主测量屏幕如图3.3所示。
按[Line]键进入线路水准测量状态，一、二等水准测量选择此项功能；
按[Intm]键进入工程高程测量状态，工程测量时选择此项功能；
按[Sout]键进入高程放样状态，高程放样是选择此项功能；
主屏幕窗口[NormalrodmeasurementMEAS]中显示测量数据信息；
右侧窗口[Point]显示测量时的点号和测站数。
3.2.2键盘功能及分布
图3.4是下键盘，即功能键盘，功能如图所示。
图3.4功能键盘
图3.5是右键盘，即数字键盘
当处于主测量显示屏时数字键有以下功能:
1）RPT–重复测量模式
2）INV–倒尺测量
3）INP–输入尺子读数
4）PNr–输入点号
5）REM–输入记忆代码
6）EDIT–编辑功能
7）Menu–仪器设置等
8）INFO–一般信息
9）DISP–相关显示
图3.5
3.3线路水准测量
线路水准测量就是进行各等级水准测量。
在水准测量之前，根据水准测量等级，按照《国家水准测量规范》，在[Max.diff]功能中输入一站中测量的两个高差之差的限差，并将记录开关打开，在选择[PCCARD]记录。
具体操作如下：
1、
开始路线测量：
1）按下在线路测量Line屏幕下的箭头所指的按键
2）按下新建路线newline
3）输入路线号
一个路线号是项目文件下一个水准环的标示，在一个项目文件下可以有不同的路线号。
测量。
如图3.6所示。
选择[Line]功能进入水准测量模式，在选择[newline]功能输入新的路线名称，如果继续用原来的路线名称则选择[countineline]进行选择。
线路名称输入或选用后按[OK]键进入测量模式。
4）选择测量模式
5）输入后视点高程
6）输入点号BM
7）代码可以不输入
如图3.7所示，在测量时根据所实测的水准测量的等级选择模式，如测量一、二等水准时一般选择[BFFB]，也可选择[BFBF]（实际工作中很少选择此项）；
测量三、四等水准时一般选择[BBFF]；
测量等外水准时一般选择[BF]。
接下来再次输入起始点高程、起始点的点号及其编码（编码可以不输）。
然后按[OK]键进入图3.8。
当进入图3.8所示的界面时，按[MEARS]键就可以进行水准测量，能够实现边测边记录。
2、结束测量。
一条水准路线测完后，或一条水准路线测到某一测站后不再继续测量了，此时要结束测量，测量结束时按[Lend]键。
操作过程如图3.9及3.10所示。
Sh：
起始点和终点的高程之差。
如果您的起始点高程是635并且您的终点的高程是634那Sh就是–1.00。
Dz：
如果您测量的是闭合环，那这个值就是最后一点的高程（输入的）和有仪器测量所得的高程之差；
Db：
后视点距离的总和；
Df：
前视点的距离的总和。
3.4支点测量
支点测量就是在工程施工中进行高程测量。
操作步骤参考图3.11
1、选择[IntM]功能。
2、输入起始点的高程，图中输入的起始点高程为100.00000m。
按[ok]键。
3、在支点上立水准尺，瞄准水准尺，按[MEAS]键开始测量。
3.5数据传输
数据传输时将电子水准仪中的数据传输到计算机中。
传输过程如下：
1、用数据传输线键电子水准仪与计算机连接起来；
2、电子水准仪开机；
3、选择[MENU]；
4、选择[4DATATRANSFER]，按[YES]键；
5、选择[1INTERFACE1]，按[YES]键，出现图3.12，选择其中的[3SETPARAMETERS]，按[YES]键；
6、通讯参数设置；
7、通讯参数设置完成后，按[ESC]键逐级退回[1INTERFACE1]，按[YES]键，进入[1DINI→PERIPHERY]，按[YES]键，显示如图3.13，然后进行计算机的操作；
上述是进行数据传输过程中，DINI12电子水准仪的操作，下面的是数据传输中计算机的操作。
计算机的操作顺序为：
[开始]→[程序]→[附件]→[通讯]→[超级终端]，显示如图3.14所示，名称任意，按[确定]按钮。
8、确定后，出现图3.15，选择端口[COM1]，按确定按钮。
9、确定后，设置通讯参数，根据仪器设置波特率，数据位，奇偶校验，停止位，数据流控制，按确定。
如图3.16。
10、操作电子水准仪，按[all]键传输全部存储数据；
按[？
]键则选择文件进行传输，传输出原始数据。
11、数据转存，由于原始的数据格式为会话数据，保存后不能被打开，所以要建立一个新的文本文件进行保存。
3.6本章小结
本章主要介绍了天宝DINI12电子水准仪的功能设置，水准测量的操作方法与步骤，以及数据传输保存等，详细介绍了如何用DINI12电子水准仪进行工作，为野外数据的采集做好理论基础。
第4章DINI12电子水准仪精密水准测量精度分析
4.1水准测量原理
图4.3水准测量原理4.2外业实施的方案设计
4.2.1实施前的准备
毕业设计外业数据采集部分，采用天宝DINI12电子水准仪。
为保证此次实验的成功进行，我们小组完成了以下工作：
1指导老师给我们做了专门的技术培训，熟悉了电子水准仪的操作流程，以及指导我们如何应对外业中遇到的一些问题并给出了解决方法。
并给我们详细的讲解了水准网的概算和平差软件的使用。
2在施测前，根据仪器的性能和水准测量的精度要求，对仪器做了如下检验：
1）水准仪的检视在实验实施之前，对仪器的外观、可转动部件、光学性能、补偿性能和折本件数等各项进行了检视。
2）水准仪上概略水准器的检校用脚螺旋将概略水准气泡导至中央，然后旋转仪器180°
，此时，若气泡偏离中央，则用水准仪改正螺丝改正其偏离的一半，用脚螺旋改正另一半，使气泡回到中央。
如此反复检校，最后仪器无论
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