电子水准仪的系统误差分析与改进毕业设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）电子水准仪的系统误差分析与改进毕业设计目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.2 电子水准仪的应用与发展21.2.1 电子水准仪的应用21.2.2 电子水准仪的发展31.3 课题研究内容4第二章 电子水准仪的原理及特点62.1 电子水准仪的组成及原理62.1.1 电子水准仪的组成62.1.2 电子水准仪的基本原理62.1.3 索佳SDL1X电子水准仪的基本原理82.1.4 拓普康DL-201电子水准仪的基本原理92.2 电子水准仪的特点112.2.1 与光学水准仪相比具有的特点112.2.2 常用电子水准仪的技术指标132.2.3 电子水准仪的精度指标162.2.4 电子水准仪与传统水准仪的差异17第三章 电子水准仪的系统误差183.1 主要误差来源183.2 针对各误差进行分析183.2.1 对i角误差进行分析和改进183.2.2 观测时带来的误差213.2.3 尺垫下沉和地球曲率与大气折光的影响223.2.4 SDL1X电子水准仪标尺在测量时产生的误差253.2.5 震动及光强产生的误差32第四章 内科大校园闭合水准路线精度分析34第五章 结论与建议385.1 结论385.2 建议38致谢40参考文献41附录43 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景二十一世纪，科学技术是当代社会的第一生产力。同样在测绘领域，科技的发展，测绘技术水平的不断提高，正使测绘行业向着信息化的道路前进。这就意味着数字化测绘在这条道路上起到了一个承接的作用，而电子水准仪正是这项工作中的佼佼者。随着17至18世纪望远镜和水准器的出现，随后出现了以水准测量原理测量地面点间高差的仪器水准仪。水准仪的出现推动了其在测量领域中的发展。20世纪初至20世纪90年代，相继出现了微倾水准仪，自动安平水准仪，激光水准仪，电子水准仪（也称数字水准仪）。电子水准仪是20世纪90年代发展的水准仪，集光机电、计算机和图像处理等高新技术为一体，是现代科技最新发展的结晶。电子水准仪是利用自动化电子工程原则进行工作，并自动记录每一个观测数据，从而进行一般调整平差计算。因为相对于光学水准仪而言电子水准仪有更多的优势和技术的发展空间，所以电子水准仪取代光学水准仪的时代已经到来。20世纪90年代，第一台电子水准仪在徕卡公司问世，然后蔡司和拓普康公司也推出了自己的电子水准仪。随着电子技术的飞速发展，对测量仪器需求的不断提高，电子水准仪以其精度高、速度快、易于使用的优势脱颖而出。其测量速度快、操作简单、易于实现内外行业一体化的优势，代表了水准仪的发展方向。科技的进步推动数字电子学的发展，1990年以来，瑞士徕卡、德国蔡司和日本拓普康等公司相继推出了不同类型的电子水准仪。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读数器(CCD Line)，并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测一体化的高科技产品。电子水准仪作为在几何水准测量中数据采集与处理的新一代水准仪，是基于现代电子技术的应用和微传感器等先进技术装备发展的仪器1。其使用条纹编码标尺和电子图像处理原理，用CCD线阵列来代替人的眼睛，将望远镜像平面上的标尺成像转换成数字信息，从而进行读数记录、各项限差的计算，该公差计算以实现作业的整合、自动化和数字化。电子水准仪都有一个普遍的一性能，即都以自动安平水准仪为基础，视准光束一部分通过一般光路，仍可进行光学读数；另一部分透过分束器到一个转折线阵CCD图像传感器平面上，通过图像处理，进行电子读数。1.2 电子水准仪的应用与发展1.2.1 电子水准仪的应用在其他国家，低精度的施工测量中流行使用各类型的激光仪器，如激光扫平仪，其工作原理是投射一束可视激光束，根据激光束可以水准定位高度的一种仪器。另外的说法是是在快速旋转轴带动下使可视激光点(一般有红光和绿光)扫出同一水准高度的光线，便于工程人员定位水准高度的一种仪器。此外还使用激光定线仪，使激光器能在墙壁平面和天花板平面上任何位置打出任何方向的清晰光亮的激光直线来。在高程测量时，较低精度的工作可以使用三角高程和GPS高程来进行测量，这样不仅方便、效率高，而且光学水准仪使用起来也更加方便。因此，电子水准仪被定位在中精度和高精度的测量范围。由于出色的电子级特性，目前其显著优点已被广泛应用于各个领域，如变形监测、工业测量、路线的水准测量等。除了一般的路线和面水准测量外，在建筑行业电子水准仪正逐步用于持久性观测。如国外在维修埃格利绍电站时用电子水准仪进行持久的变形观测，两台NA3000电子水准仪装上了电机用来进行侧向驱动和调焦，对喷注水泥时墩柱的相对上升量进行了一年多的观测2。目前瑞士苏黎世联邦技术大学大地航测研究所开发了一种地面电子水准仪，该电子水准仪内部装有电机，用它来永久捕捉多个目标，包括基准点。其中包括一个显著的优点是，可以分析该站的稳定性，并建立测量设备邻里的影响模型。电子水准仪也被广泛应用于各种高精密工业测量，如国外的加速器建设。加速器项目是一个典型的精密工程测量工作，随着时代的不断进步，广大用户也在不断提高对加速器性能的要求，加速器工程测量的精度要求也随之提高。因此，为了满足其高精度高程的要求，高精度电子水准仪也被国际众多加速器的建造所采用，如美国和中国台北的APS和SRRC光源使用NA3000电子水准仪。除了垂直位移测量的采集外，还可以使用电子水准仪，通过光学配件，如在其他平面边缘或迥旋系统采集系统的相对位移。1.2.2 电子水准仪的发展在高程测量的方法之中，最古老但又最精密的测量方法就是几何水准测量，因此该方法一直被延用至今。到目前为止，还没有发现一种方法能替代几何水准测量在高程测量中的地位。但是该方法的主要弱点是外业工作量较大，需要耗费较多的时间和精力进行后期的数据处理，因此对于如何提高几何水准测量的作业效率也成为迫切需要解决的问题。水准仪在测量领域中的地位越来越重要，使得人们对其在测量过程中的要求也逐渐提高，对水准仪读数的数字化要求也越来越迫切。1990年瑞士徕卡公司推出了全球第一台电子水准仪NA2000，它的问世也证明了Gachter、Muller等研究者们对测量领域所作出的巨大努力和贡献。NA2000打破传统的测量形式，采用了数字图像技术来处理标尺影像，用CCD线阵列来代替人的眼睛并取得成功。该传感器可以识别水准标尺上的条码分划，通过使用相关技术进行自动显示、记录标尺读数和视距，从而实现水准测量的数字化。科技的进步也作为该领域的竞争动力，在徕卡公司推出自己的产品后，德国蔡司公司和日本拓普康公司也相继推出了各自的电子水准仪，这标志着电子水准仪正开始逐步的普及化。随着科学技术的迅猛发展和计算机水平的不断提高，广大测量学者们也开始不断的挑战自己，不断的创新。六十年代初，前德意志民主共和国的大地方面的学者创造了一个摩托化水准测量方法，经过20多年的发展，直到1978年，蔡司公司向市场投放了可用作摩托化水准测量的水准仪RENI002A。水准仪RENI002A获取观测值的方式是半自动化方式，并用作仪器内部数据的收集、计算和存储，减少工作量，使测量更加高效和可靠。但是，该仪器存在一个弊端，要求测量员在水准尺上进行粗读数，然后通过键盘输入到精密值上，同精读数一起存入存储器。虽然该仪器当时在很多国家都得到了应用，但是因仪器自身的体积和重量较大，测量效率也不高，种种原因都使得它没能被广泛使用。实现测量的自动化对于提高水准测量作业效率来说是最有效的途径。六十年代末前民主德国德累斯顿大学的大地测量学者曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的测量系统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西德研制过自动化测量系统，是用扫平仪Telamat与主动水准标尺构成测量系统，前者产生一束水平旋转激光作为测量基准面，后者是由大面积差分光敏二极管组成的探测器，该探测器可沿标尺垂直移动，直至探测到由扫平仪张开的激光束平面为止，然后由人工读定标尺读数3。以上系统最主要的弱点是标尺结构相对复杂，标尺自身极易损坏，因此也没能实现商品化生产。由于当时的技术水平有限，使电子水准仪的发展步入了艰难而坎坷的路程。但是随着数字电子学的不断发展，通过科学家们的不断努力，直到CCD工艺的出现，使人们看到了机遇，可以将望远镜像平面上的标尺图像转换成数字信息，从而进入了电子测量的时代。1.3 课题研究内容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读数器(CCD Line)，并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测一体化的高科技产品。其精度高、测量速度快，大大提高了作业效率，已经广泛应用于多个领域，是水准测量仪器发展的趋势。电子水准仪的问世极大地提高了测量精度和生产效率。由电子水准仪的构造及其测量原理可知，电子水准仪的误差源主要包含两方面，即光学、机械部分和电子部分。本文对电子水准仪的原理进行了介绍，对各种系统误差进行了分析，提出了一些对策，其具体内容如下：第一章是引言，详细介绍了课题的研究背景，对电子水准仪的应用及发展情况进行了详细的阐述；第二章总结了电子水准仪的组成及原理，详细地介绍了索佳SDL1X电子水准仪和拓普康DL-201电子水准仪的原理、结构和特点，以及电子水准仪的技术指标和精度指标。同时，对电子水准仪和光学水准仪进行了对比，指出其异同之处；第三章介绍了电子水准仪的误差来源，通过实验对电子水准仪在测量中存在的系统误差做了进一步的分析，并根据实验数据得出相应的结论，进而减小或消除误差；第四章在对电子水准仪在测量中产生的系统误差进行分析后，通过实践测量再一次对系统误差中的一个分支进行仔细分析，对该误差做了更进一步的分析并提出改进方法；第五章是对全文做的总结，得出了一些结论，并剖析了存在的问题。同时，也提出了一些建议。第二章 电子水准仪的原理及特点2.1 电子水准仪的组成及原理2.1.1 电子水准仪的组成目前，电子水准仪的生产厂家所采用的结构虽然不完全相同，但大体都一致，其基本结构也是由光学仪器部分、自动安平补偿装置构成。不同的地方是它多了一个电子设备，主要包括：调焦编码器(仅徕卡电子水准仪)，光电传感器线阵CCD(电荷耦合器件是以电荷作为信号的固体摄像器材，其基本功能是电荷的存储和转移，基本工作过程是信号电荷的产生、存储、传输和检测)，读数电子元件，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。2.1.2 电子水准仪的基本原理 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读数器(CCD Line)，并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测一体化的高科技产品。其基本原理如图2.1所示，它是在望远镜光路中增加了分光镜和光电探测器（CCD阵列）等部件，采用条形码水准尺4（图2.2）和图像处理电子系统。条码尺望远镜分光镜分划板目镜CCD传感器A/DCPU图2.1：电子水准仪原理示意图图2.2：条形码水准尺示意图其关键技术是自动电子读数和数据处理，目前各厂家采用的方法主要有徕卡的相关法、蔡司的几何法及拓普康的相位法。如徕卡DNA03，用望远镜照准标尺后，标尺上的条形码影像就会投射到分光镜上，然后分光镜会将其分为可见光和红外光。可见光影像成像在分划板上供目视观测，红外光影像成像在CCD光电探测器上，探测器接受到的光信号先转化为模拟信号，再转化为数字信号传送给仪器的处理器，通过与机内事先存好的条形码数字信息比较以获得水准尺上的水平视线读数和视距读数，最后将数据存储并发送到仪器屏幕上。熟悉水准仪所使用的条形码标尺一般为铟瓦带尺、玻璃钢或铝合金制成的标尺。当标尺影像通过望远镜在十字丝上成像后，经过处理器的译释、对比、数字化后，在显示屏上显示中丝在标尺上读数或和视距。电子水准仪的操作方法十分方便，只要将望远镜瞄准标尺并调焦后，按测量键（MEAS），几秒钟后即显示中丝读数；再按测距键（DIST），马上显示视距，再按存储键把数据存入内存存储器，仪器自动进行检核和高差计算。观测时，不需要精度夹准标尺分划，也不用在测微器上读数，可直接由电子手簿（PCMCIA卡）记录5。水准仪的自动化发展历程，从微倾式水准仪发展到自动安平水准仪都没有摆脱人工读数。随着科技的进步，计算机技术的飞速发展，各公司也相继推出不同类型的电子水准仪。它们都以具有补偿装置的光学自动安平水准仪为基础，视准光束一部分通过一般光路，仍可进行光学读数；另一部分透过分束器到一个转折线阵CCD图像传感器平面上，通过图像处理，进行电子读数。图2.3：电子水准仪原理光路图因此，电子水准仪可视为CCD像机、自动安平补偿式水准仪、微处理器和条形码标尺的集成地面水准测量系统。但是由于收到专利权的限制，各公司的编码求值即数字图象处理方法各异，主要有以下三种6 。1. 相关法(Leica NA2002/3003)；2. 几何位置测量法(Zeiss DINI 10/20)；3. 相位法(Topcon DL 101/201)。本文主要针对索佳SDL1X电子水准仪和拓普康DL-201电子水准仪的基本原理、性能及我们的实验结果作一个详细介绍。2.1.3 索佳SDL1X电子水准仪的基本原理SDL1X电子水准仪是索佳公司最新推出的一款高精度电子水准仪，如图2.4所示，具有与计算机进行数据通讯的功能，可以接受来自计算机的操作指令并实施测量，其理论水准测量精度可达0.2mm/km。同时，索佳SDL1X电子水准仪第一个集成了智能自动对焦系统，使操作更加简便化，从而减少了工作时间，提高了工作效率。图2.4：索佳电子水准仪SDL1X例如，2010年上海市为了迎接世博会，对浦江两岸外滩地区的交通条件进行改善，上海市决定使用索佳SDL1X电子水准仪作为观测仪器，主要对外滩沿线交通进行综合改造，改造方案为了适应改造环境，采用了井宇形地下通道方案。因具有精度、效率高，使用方便、简捷等显著特点，索佳SDL1X电子水准仪在保证外滩沿线交通工作正常进行的条件下，以及保护好沿线的建筑物和居民住宅的前提下，以高质量、高标准完成了整个沉降监测任务，同时对外滩通道沿线的多处保护性建筑进行了监测和后评估7。因此，在其他的精密工程测量和工业测量等领域中，SDL1X电子水准仪会得到广泛的应用和较好的发展。2.1.4 拓普康DL-201电子水准仪的基本原理高性能、低价格是拓普康DL系列的显著优点，该优点使其作为电子水准仪家族的一员而备受广大用户的关注和喜爱。DL系列具有高速测量、高精度、高性价比等品质，整体的造型美观，具有强大的内置功能，菜单功能丰富、界面友好，有各种各样的信息提示，大大方便了实际操作。拓普康DL-201电子水准仪采用三种独立信息互相嵌套在一起的编码尺(图2.5)。即参考码R和信息码A和B码，DL-201电子水准仪是普及型电子水准仪。电子水准仪DL系列码的原理图如图2.5所示：图2.5：DL系列码的原理图其技术参数如表2.1所示：表2.1：电子水准仪DL-201技术参数技术参数DL-201DL-202测量精度1mm/1km1.5mm/1km测程1.5m-100m测距精度0.2%*D测量时间3秒自动补偿方式磁阻尼补偿器重量2.5kg电子水准仪DL-201的性能也表现在如下几点：1. 自动观测、自动读数、自动记录；2. 仪器可进行多次测量读数后取平均值；3. 测量所需时间与传统仪器相比可以节省1/2左右；4. 具有丰富的测量软件支持，测量后进行自动平差，可实现内外业一体化；5. 自动存储。可选择仪器内存或SD卡存储，实现无纸化作业；6. 方便的数据通讯功能，同时可以在野外进行i角的检验。2.2 电子水准仪的特点2.2.1 与光学水准仪相比具有的特点电子水准仪作为传统仪器与电子信息结合而形成的新一代测量仪器，其特点也及传统与现代特点结合于一身。它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象处理电子系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。采用普通标尺时，又可像一般自动安平水准仪一样使用。作为新一代高科技产品，将现代电子技术和微型传感器相结合，在传统的光学水准仪基础上发展起来。因此它相对于光学水准仪的优点表现为以下六点：1. 精度高视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经处理后取平均得出来的，因此大大减少了分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件如振动、大气扰动等的影响。2. 读数客观采用自动读数、自动记录，该过程中不存在误读、误记的情况。3. 效率高测量时只需调焦即可，调焦可以后按下测量键就可以进行自动读数，大大减小了工作量。仪器本身具有自动记录、检核、处理和后续处理的功能，可实现内外业一体化。4. 速度快由于只需整置仪器圆气泡居中后即可进行测量（补偿器已经开始工作），而且电子水准仪没有测微器，省去了报数、听记、现场计算以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比至少可以节省1/3左右。5. 操作简单仪器实现了读数和记录的自动化，并预存了大量测量和检核程序。在操作过程有实时提示，测量方法较简单，测量人员可以熟练掌握测量方法，不需要花大量时间进行培训就可以进行高精度测量。6. 易于实现测量内外业一体化电子技术给测量带来诸多优越性，测量的数据可以自动记录、检核、处理并通过计算机进行后处理。电子水准仪本身的内存或者是SD卡将测得的数据直接存储并实时进行检核，按规定格式输出，便于在计算机上处理，形成自动流程。但是光学水准仪在测量时进行标尺读数，只能使用人工键盘输入电子手簿，很难实现电子化、自动化、一体化。水准仪的自动化发展历程，从光学微倾式水准仪发展到自动安平水准仪，一直都没有脱离人工读数这一弊端。因此也存在一定的不足，其缺点表现为以下两点：1. 仪器对工作环境要求较高当地面有轻微震动时，测量数据难达到限差要求，往往要增加观测次数。相对于光学水准仪而言，电子水准仪在读数部分较死板，因为电子水准仪只能对配套的标尺进行读数。而对一些部门自制的标尺，尤其是普通的钢板尺，只要有刻画线，光学水准仪便可进行测量工作，但电子水准仪则做不到。与此同时，电子水准仪对测量的视场有一定的要求，如果只能通过较窄的缝隙进行照准读数时，只能使用光学水准仪。2. 仪器受外界条件影响较大电子水准仪的CCD探测器将图像转换为电信号要有前提条件，即在一定的亮度范围内才可以进行，因为电子水准仪是由CCD探测器来分辨标尺条码图象的。因此，仪器在观测读数时对光线的要求比较高，亮度不够、逆光或者标尺被其他物体遮挡时往往无法进行数据的采集。2.2.2 常用电子水准仪的技术指标1990年瑞士徕卡公司推出了全球第一台电子水准仪NA2000以来，到目前为止，电子水准仪的发展之路已经步入了第二代。随着电子水准仪的快速发展，使之在设计之初就定位为中高精度的水准测量。目前市场上的水准仪精度分为的两个等级，中等精度的每公里往返测中误差为：1.01.5mm/km；高精度的为：0.30.4mm/km。常用电子水准仪及其指标8见表2.2所示：表2.2：常用电子水准仪及主要技术指标仪器徕卡拓普康蔡司索佳指标项目NA3003NA2002DL101CDL102CDINI12DINI22SDL1系列SDL2系列高程测量精度mm（1km往返中误差）电子读数光学读数0.42.00.92.00.41.01.01.50.31.00.71.30.31.50.72.0高程最小读数mm0.010.10.010.10.010.10.010.1距离测量精度（电子读数）1cm5cm1cm5cm20mm25mm20mm25mm测量范围（铟瓦条码标尺）1.8m60m2m60m1.5m100m1.5m100m补偿器工作范围1212121515151515 见下表续上表补偿精度（）0.40.80.30.50.20.50.20.5望远镜孔镜36mm45mm40mm40mm电子测量视场角21205（注）3CCD工作光谱红外光可见光可见光红外光像素间距/数量25/25611/60014/18008/1800条码基本间隔mm2.0251020/1016望远镜放大倍数24*24*32*30*32*26*32*26*测量时间标准精度：4秒扩展精度：6-8秒4秒3秒2秒4秒2.5秒圆气泡灵敏度8/2mm10/2mm8/2mm8/2mm注：尽管蔡司水准仪的视场角为5，但其电子测量时使用的有效条码只是中丝上下各15cm的部分，其它条码不参与读数。2.2.3 电子水准仪的精度指标电子水准仪的快速发展反应了人们对测量精度要求的不断提高。其精度指标主要包括温度性能、遮挡程度、照明情况、视距测定、标尺倾斜影响及系统分辨率的影响等9。1. 温度性能也称为温度状态，主要反映电子水准仪适应温度的能力。测试仪器温度性能的方法是：在+40至+45的高温环境中，将仪器保温10小时取出放置于+20摄氏度左右的室温环境中，对20m外的配套标尺进行测量并通过计算机进行读数，每隔3分钟读数5次并计入手簿，同时将所测得的仪器温度也一并记录下来。实验测量读数直到视线稳定没有较大变化为止。同理，在-5至-15的低温环境中，对仪器进行同样的实验并取得相应的数据。此次实验的过程中均衡仪器的每度温度所用时间为1至 2分钟。两次实验不仅要考虑仪器在高、低温环境下能否进行正常工作，还要求仪器在高温情况下具有较强的均衡温度的能力。2. 遮挡程度遮挡程度主要是对仪器在测量过程中，当望远镜的视场内有物体遮挡时仪器能否读数时的阻碍情况。遮挡范围用标尺全截距被遮挡的百分比作为指标，称遮挡率10。其检测的方法就是在测量的标尺上进行遮挡，直到遮挡的范围不能使仪器继续读数。如果厂家所提供的数据小于遮挡率，就为符合要求。在仪器的遮挡范围之内，随着遮挡范围的不断增加，测量结果的精度也会随之降低。3. 照明情况因为电子水准仪自身的结构和构造使其存在一定的不足，而其一就是测量时对配套标尺照明的要求较普通水准仪高。尤其是在阴天或者是夜晚进行测量时，要将整个标尺照亮，这样才能进行测量读数。现在各厂家的电子水准仪被用于地铁、隧道和大坝内的变形监测时，配套的标尺都要配备相应的照明设施。4. 视距测定电子经纬仪的快速发展使电子水准仪相对来说比较落后，其主要原因就是电子水准仪很难达到最大和最小的视距。因此一般都要通过对该视距进行观测，进而和厂家的数据进行比对。5. 标尺倾斜影响标尺左右倾斜及前后倾斜对电子水准仪读数而言都存在一定的误差，因为读数时肉眼无法观察到尺倾斜，所以在测量过程中要求立尺员一定要严格立尺，尽量减少测量误差。6. 系统分辨率的影响又称系统精度，是指仪器与标尺配套使用时，在高度方向上实际能识别的最小高度变化量10。它与仪器的最小显示值不同，它是对电子水准仪和其配套标尺测量时的整体精度的一个体现。2.2.4 电子水准仪与传统水准仪的差异通过深入理解上述两种电子水准仪的原理后，我们可以发现电子水准仪在概念上就与传统水准有不同之处：1. 电子水准仪有两个分划板，一个是上面有横丝和竖丝的传统光分划板；另一个是电分划板，即线阵CCD器件的光敏面。当电子水准仪进行读数时，也就是说有数百个像素在CCD器件上同时读数。2. 电子水准仪有两个视准轴，一个是由光学分划板十字丝中心和望远镜物镜的光心构成的光视准轴；另一个是由线阵CCD器件上中点附近的某一个像素和望远镜物镜光心构成的电视准轴11。当进行一、二等水准测量时所用的高精度电子水准仪来说，光视准轴进行照准并调焦，电视准轴进行读数。第三章 电子水准仪的系统误差3.1 主要误差来源由电子水准仪的构造及其测量原理可知 ，电子水准仪的误差来源主要包含两方面，即光学、机械部分和电子部分12。电子水准仪是从传统的水准仪一步步发展过来的，因此它与光学水准仪在光学和机械部分具有相同或者相似的部分。也就是说，电子水准仪在光学和机械部分所产生的误差同光学水准仪大致相同。与此同时，作为光、机、电所结合的电子水准仪，自身的部件在光学、机械及电子的结合下会产生新的特性。电子水准仪是根据探测器(CCD)获取的条码影像进行测量的，因此在电子设备中，CCD的物理特性决定了其在标尺亮度变化、标尺表面部分遮挡、观测瞬间强光闪烁及外界气流抖动等情况下，可能会降低标尺成像的对比度而引起误差13。以下来详细介绍各种误差的来源及改进方法。3.2 针对各误差进行分析在测量这一行业里，每一项工作都要求我们抱着认真、谨慎的态度去对待，遵循操作原则，严格按要求进行作业。测量时应使用精密仪器，最好进行水准点与中桩分开观测的方法，水准点观测采取往返测量法，测量成果整理精度要求按工程测量规范（CB50026-93）执行14。以下主要通过对索佳SDL1X电子水准仪和拓普康DL-201系列电子水准仪在测量中所测得的数据进行分析和对比，从而对测量过程中存在的误差进行分析和改进。3.2.1 对i角误差进行分析和改进在进行测量工作之前，必须对水准仪进行仔细的检验和校正，使其满足各轴线之间的关系，不影响测量结果的精度。但是，在检验与校正的过程中由于方法不够完善或是外界的影响，致使仪器仍旧存在一些误差。残余误差中最主要的就是i角误差，即水准管轴不完全平行于视准轴的误差。这个i角误差如图3.1所示，对高差的影响为。AiOB3m图3.1：i角误差示意图i角即水准管轴不平行于视准轴，各自在竖直面内投影之间的夹角，其误差为i角误差，如图3.1所示。因此可以通过如下实验对i角误差进行分析：在平坦地区选择相距约80m的A、B两点，打下木桩尺垫作为标志，并在A、B两点中间处选择一点O。将水准仪安置于O点处，分别在A、B两点处竖立水准尺，采用两次仪器高法测定高差，其数据如下表3.1所示。实验测得两次高差之差为0.002mm，小于3mm，故取平均值作为最后结果=-0.542m。表3.1 两次仪器高法水准测量记录手簿测站点号后视读数/mm前视读数/mm高差/m平均高差/m+-OTP.A11340.543-0.5421011TP.B16770.5411552由于实验过程中设定水准仪至水准尺的前后视距相等，i角误差所引起的前后视读数误差相等，可以在高差计算中抵消，所以不受i角影响。现将水准仪搬到靠近B点处（约距B点处3m），精平仪器后，前后视读数分别为=1435mm、= 1971mm，由此可以计算出高差=-0.536m，两次高差之差=0.006m。理论上应该=0，但现在0，由以上分析可以计算i角。式中，。规范规定，对于三等水准测量的水准仪器，i角应不大于20，因此该实验结果在误差允许范围之内。否则要进行改进与校正。本实验得出的结论是：当水准管气泡居中时，视准轴相对于水平线方向向上或向下倾斜了i角，则是现在尺上读数偏差。其中读数误差的变化趋势会根据仪器至水准尺的距离增大而增大。但是当仪器到水准尺的前后距离相等时，即使存在i角误差，但因在两根水准尺上读数的偏差相等，则所求高差不受影响。当仪器至标尺的前后视距相差很大时，i角误差就会对高差的测量产生较大的影响。那么，为了减弱或消除i角误差对高差测量的影响，在实验测量时尽量保持前后视距大致相等。对于一条水准路线而言，也应保持前视视距总和和与后视视距总和相等，同样可消除i角残余误差对路线高差的综合影响。3.2.2 观测时带来的误差1. 管水准气泡居中误差根据水准测量原理，观测时要求视准轴必须水平，而视准轴水平是通过管水准气泡居中来实现的。如果整平仪器时，管水准气泡没有精准居中，则必然产生误差。设定视线长100m，水准仪的管水准器分划值=20/2mm，气泡偏离中心位置0.5格，则由此引起的误差为=5mm该误差的大小不可忽视，因此，消弱该误差只能是每次读数前精确整平，使管水准气泡严格居中。2. 水准尺读数误差此项误差主要由观测者瞄准误差、估读误差以及视差等综合影响所致，这是一项不可避免的偶然误差。因此，要求观测者在观测的过程中应尽可能在每次瞄准水准尺的同一位置以减弱瞄准所产生的误差。普通水准测量观测中的毫米读数是根据十字丝横丝在水准尺上的位置进行估读的，估读的误差与横丝的宽度及水准尺像的大小有关，因此与望远镜的放大倍数和视距也有关，误差会随着视距的增大而增大。同时，观测过程中视差的存在也会产生读数误差，这就要求测量员认真观测和记录，尽量减少该误差对测量结果的影响。3. 水准尺倾斜误差立尺员在水准测量这一工作中肩负重大的责任，要求将水准尺必须直立在相应点上，无论是前后倾斜还是左右倾斜都会使测量结果增大。测量员在望远镜中很容易发现水准尺的左右倾斜，可以及时的作出纠正。可是，如果测量员的视线同水准尺同向倾斜，观测时将很难发现。水准尺因倾斜而产生的误差，其大小同自身的倾斜角度和尺上读数的大小有关。其误差影响随尺本身倾斜角度和尺上读数的增大而增大，倾斜误差的原理如图3.2所示。图3.2：标尺倾斜原理示意图读数误差的公式为：当尺倾斜度时，尺上读数h=2.0m时，。根据以上计算结果可以看出，该项误差所带来的影响使不能忽视的。这种影响会随着视线的不断升高（读数增大）而逐渐增大。为了减小这一误差，在测量过程中要求立尺员将水准尺扶正，使水准尺上的圆水准器泡居中，即可表明水准尺已处于竖直状态。对于一些未安装水准器的水准尺，可以使用摇尺的方法，缓缓地将水准尺前后倾斜，直到观测的数值读到最小读数时就表明水准尺已经处于竖直状态。对于水准尺左右倾斜的情况，测量员可以提示立尺员将水准尺扶正。3.2.3 尺垫下沉和地球曲率与大气折光的影响1. 水准仪与尺垫下沉误差有时水准仪或尺垫安置处地面土质松软，以致水准仪或尺垫由于自重随安置时间而下沉（也可能回弹上升）。为了减少此类误差影响，观测与操作者应选择坚实地面安置水准仪和尺垫，并踩实三脚架和尺垫，观测时力求迅速，以减少观测时间。对于精度要求较高的水准测量，采取一定的观测程序（后-前-前-后），可以减弱水准仪下沉误差对高差的影响，同时，对往返观测取平均值的这一方法同样可以减弱尺垫下沉误差对高差的影响。2. 地球曲率与大气折光的影响水平面代替水准面对高差产生的误差称为地球曲率对高程的影响，如图3.3所示。ABaRbDO图3.3：地球曲率的影响A为测区中部的一点，沿铅垂线投影到水平面上为a，B为测区内的另一点，投影到过a点的切平面交点为b，与水平面的交点为b，AB两点投影到水平面上的弧长为D，在水平面上的距离为D，R为地球的半径。用C表示地球曲率对高程的影响，则有用D代替D，并考虑C相对2R很小，则地球曲率对高程的影响为 （3-1）可见地球曲率对高差的影响与两点间的距离成正比。水准仪在大气折光的影响下，使其水平时的视线是一条曲线。实验证明：这条曲线的曲率半径约是地球曲率半径的7倍。因此大气折光对高差的影响规律应与地球曲率的影响相同，如图3.4所示5。123CfrAB图3.4：地球曲率与大气折光改正注:1水平视线；2折光后视线；3大地水准面平行线。由式（3-1）可得大气折光对高差的影响为那么地球曲率和大气折光在测量中对高差的综合影响可表示为工程测量规范规定，三、四等水准测量应保证上、中、下三丝都能读到数，二等水准测量则要求下丝读数不小于0.5m。3.2.4 SDL1X电子水准仪标尺在测量时产生的误差1. 标尺亮度对测量结果的影响SDL1X电子水准仪由于自身的组成和结构就要求在测量过程中提供较高的测量条件，尤其是对配套标尺的亮度要求。在对隧道、地铁及大坝等较暗的环境进行测量时，一定要对标尺提供照明设备。同时，在树下由于树叶的遮挡使标尺自身的亮度不均匀时会导致无法读数。例如：索佳公司生产的SDL1X电子水准仪，当光线充足直射标尺时，光线正好反射到望远镜内就无法读数，稍稍旋转标尺后就可以进行读数。同时，该水准仪在逆光条件下也无法进行测量。因此，在仪器至标尺距离50m处进行标尺不同亮度时观测中误差的确定，结果见表3.1所示。表3.1 SDL1X电子水准仪在标尺不同亮度时观测误差亮度亮较亮适中打伞M/mm0.050.030.020.06同理，拓普康DL-201电子水准仪在同样情况下的观测结果如表3.2所示：表3.2：DL-201电子水准仪在标尺不同亮度时观测误差亮度亮较亮适中打伞M/mm0.060.040.030.05由上表数据可知，标尺照明度较亮或较暗或尺面上光线不均匀都需要用打伞遮光。2. 遮挡标尺对电子读数的影响遮挡程度主要是对仪器在测量过程中，当望远镜的视场内有物体遮挡时仪器能否读数时的阻碍情况。遮挡范围用标尺全截距被遮挡的百分比作为指标，称为遮挡率10。水准测量过程中，标尺常常会被杂草、树枝等物体遮挡，在野外作业时更是如此。以下来通过实验对标尺的遮挡程度读数的影响进行验证。1) 标尺部分遮挡对电子读数的影响首先，对SDL1X电子水准仪进行实验。表3.3：SDL1X遮挡程度的试验结果项目标尺读数（R值）/mR值变化/mm视距（D值）/mD值变化/mm备注正常情况1.144 0330.742无遮挡遮挡中丝出现错误信息，不能读数遮挡中丝以上部分1.143 85-0.1830.73012非对称遮挡遮挡中丝以下部分1.143 98-0.0530.7339非对称遮挡遮挡上丝和下丝1.143 89-0.1430.7357对称遮挡遮挡2/3竖丝无法读数SDL1X电子水准仪是用对称于视场中丝的30cm的标尺截距来确定全部单次测量值的。当仪器至标尺的距离为30m时，按照望远镜视场对标尺的截距，在标尺上进行对称或者不对称的部分遮挡试验，其试验结果如上表3.3所示。实验得出的结论是：SDL1X电子水准仪在测量过程中虽然视场受到遮挡，但只要仪器能进行读数即可进行测量。SDL1X在对配套标尺进行非对称截距时仍可进行测量，此时视高读数误差最大为0.18mm，视距影响为12mm；当中丝或2 /3竖丝被遮挡时，测量就会停止。对于SDL1X电子水准仪而言，当中丝或2/3竖丝被遮挡时，仪器将无法进行观测，而在其他情况下仍可进行正常读数。总而言之，SDL1X在标尺被部分遮挡时读数不仅可以进行，误差也较小。这一特性对于水准测量而言具有重要的意义。其次，对DL-201电子水准仪进行实验。在不同距离(10、20、30、40、50m)处用白纸从望远镜内标尺截距的上下限开始向中间逐渐遮挡，直到无法读数为止，求出遮挡率。如图3.5所示。图3.5：仪器至标尺距离与遮挡率的关系曲线根据上图得出结论：遮挡率的大小同距离有密切的关系。遮挡率随距离的增大而增大。当DL-201电子水准仪同标尺相距10m内，稍有遮挡测量就中断；当仪器至标尺的距离大于50m时，遮挡率会达到百分之五十。但是只要仪器能进行读数，误差还是较小的，最大误差才0.1mm。2) 水准尺倾斜对电子读数的影响电子水准仪自身的原理导致CCD线阵上的像会随着仪器的左右倾斜而倾斜，弊端是测量员无法看到，但有的仪器会发出提示信号，这时就要求扶尺员将尺扶正16。同样，测量过程中应特别注意标尺的前后倾斜情况，因为这种情况很难发现。这种方法主要针对标尺左右及前后倾斜对测量结果精度的影响。下面使用SDL1X电子水准仪对标尺前后倾斜进行观测。将标尺严格立直进行观测读数，再进行标尺前后倾斜的观测读数，直到倾斜的角度大到无法观测。观测数据如表3.4所示。表3.4：标尺前后倾斜对电子读数影响标尺情况距离/m1020304050垂直中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336060.02510.3541.392770.04020.0031.434420.06230.0531.490490.10240.3151.546740.08850.281前倾中丝均值/m中误差/mm视距/m1.33623010.3331.392950.01820.0271.424530.12430.0441.490680.06340.2901.547020.11750.212后倾中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336120.04710.3591.392950.05020.0271.434670.07630.0661.490600.05940.3021.547200.12050.232注：在相同观测条件下，对同一未知量进行多次观测，所得各个真误差平方的平均值再取平方根，称为中误差，用m表示。同理，进行标尺左右倾斜的观测，其数据如下表3.5所示：表3.5：标尺左右倾斜对电子读数的影响标尺情况距离/m1020304050垂直中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336060.02510.3541.392770.04020.0031.434420.06230.0531.490490.10240.3151.546740.08850.281左倾中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336490.03710.3461.392920.08220.0041.434630.05530.0441.490600.14740.2891.552320.05850.220右倾中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336170.03210.3581.392840.06620.0051.434880.09330.0541.490620.25840.2871.548200.06350.254由表3.4的测量数据可得标尺前后倾斜与读数误差的关系曲线图3.6。由图3.6可见，标尺前后倾角在2以内时，误差曲线相对平缓，其误差在0.2mm以内；超过2时，误差曲线成倍上升，相对误差较大。同时，根据表3.4可以看出，根据标尺前后倾斜的数据显示，中丝的读数和视距无关，并且读数都比标尺垂直的情况下大。图3.6：标尺前后倾斜读数误差曲线 同理，根据实验数据可以绘出标尺左右倾斜时读数误差曲线，如图3.7所示。图3.7：标尺左右倾斜读数误差由图3.7可见，同标尺前后倾斜时的情况相似，即左右倾角在2以内时，读数误差的曲线相对平缓，误差大小在1mm以内；大于2时，误差急剧上升，相对误差较大。同样，标尺左右倾斜时观察的中丝读数都呈变大趋势。3) 调焦情况对标尺读数的影响调焦质量直接影响测量结果的精度，因此必须重视这一情况。电子水准仪与光学水准仪相似，测量时都是将标尺的像准确的聚焦在分划板或CCD传感器上，才可以准确地反应测量结果，成像不清晰将直接导致测量结果的精度。表3.6：调焦成像质量对标尺读数影响调焦情况距离/m1020304050调焦清晰中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336060.02510.3541.392770.04020.0031.434420.06230.0531.490490.10240.3151.546740.08850.281前进手轮中丝均值/m中误差/mm视距/m1.335960.01910.3721.392610.08720.0281.434290.05330.0871.490170.09240.3471.546460.09650.308后退手轮中丝均值/m中误差/mm视距/m1.336180.01610.3361.3929