Leica-DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀及其精度測(cè)試WORD

1、文檔可能無法思考全面，請(qǐng)瀏覽后下載! Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀及其精度測(cè)試張志勇（嘉興市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 浙江嘉興 314001）摘 要 對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理進(jìn)行了闡述。介紹了Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)、特點(diǎn)及各種測(cè)量功能，并對(duì)儀器進(jìn)行了野外精度測(cè)試，得出了Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀適用于精密水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)論。關(guān)鍵詞 數(shù)字水準(zhǔn)儀；精度測(cè)試DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀是徠卡公司繼NA3003數(shù)字水準(zhǔn)儀后于2002年5月向中國(guó)市場(chǎng)投放的新型數(shù)字水準(zhǔn)儀。儀器極具特色，測(cè)量性能佳，中文菜單顯示，操作方便，符合中國(guó)國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范，增加了數(shù)據(jù)加密、間歇測(cè)量等功能。本文對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的原

2、理進(jìn)行了闡述，介紹了Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀的主要技術(shù)指標(biāo)、特點(diǎn)及各種測(cè)量功能，通過對(duì)儀器進(jìn)行野外精度測(cè)試，說明Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀完全適用于精密水準(zhǔn)測(cè)量。1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本原理數(shù)字水準(zhǔn)儀又稱電子水準(zhǔn)儀，具有與自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀相同的光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用了典型的交叉吊帶光學(xué)機(jī)械補(bǔ)償器（如圖11所示），它融光機(jī)電技術(shù)、圖象處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，以條碼間隔影像信息與參考信號(hào)進(jìn)行數(shù)字圖像處理的原理，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、信息處理和獲取自動(dòng)記錄觀測(cè)值，從而實(shí)現(xiàn)了水準(zhǔn)測(cè)量的自動(dòng)化。數(shù)字水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)標(biāo)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(cè)器）。在水準(zhǔn)測(cè)量中，儀器完成照

3、準(zhǔn)調(diào)焦之后，條形碼的象通過一個(gè)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(cè)望遠(yuǎn)鏡的分劃板上，供目視觀測(cè)。目前標(biāo)尺條碼信號(hào)的分析和處理采用的方法（也就是自動(dòng)電子讀數(shù)方法）有相關(guān)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(zhǔn)儀均采用的是相關(guān)法，將儲(chǔ)存在儀器內(nèi)的基準(zhǔn)碼與傳感器陣列的圖象信號(hào)進(jìn)行比較，儀器和標(biāo)尺之間的高差即是標(biāo)尺條形碼象的位移量和因儀器、標(biāo)尺間距離而產(chǎn)生的條形碼象的大小的二維相關(guān)函數(shù)。二維相關(guān)是在標(biāo)尺條形碼影像上先確定一個(gè)待定點(diǎn)，稱之為目標(biāo)點(diǎn)，以此待定點(diǎn)為中心選取9 / 12m ´ n個(gè)像素的灰度陣列作為

4、目標(biāo)區(qū)，為了在儲(chǔ)存在儀器內(nèi)的基準(zhǔn)碼影像中搜索同名影像，必須估計(jì)出該同名影像可能存在的范圍，建立一個(gè)k ´ l個(gè)像素的灰度陣列作為搜索區(qū)，相關(guān)的過程就是依次在搜索區(qū)中取出m ´ n個(gè)像素灰度陣列，計(jì)算其與目標(biāo)區(qū)的相似測(cè)度rij，將儀器的調(diào)焦透鏡位置參數(shù)作為相關(guān)搜索的初始值，當(dāng)r取最大時(shí)，認(rèn)為是最佳相關(guān)，該搜索窗口的條形碼影像被認(rèn)為是同名影像，這時(shí)標(biāo)尺讀數(shù)就可以確定（如圖12所示）。圖122 DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀的技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)DNA03是Leica第二代數(shù)字水準(zhǔn)儀。1990年徠卡測(cè)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(zhǔn)儀NA200

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

6、離測(cè)量精度： 標(biāo)準(zhǔn)偏差 5mm/10m電子測(cè)距范圍： 標(biāo)尺長(zhǎng)度3m 1.8m110m 推薦的3m銦瓦標(biāo)尺 1.8m60m 標(biāo)尺長(zhǎng)度=2.7m 1.8m100m 標(biāo)尺長(zhǎng)度=1.82m/2m 1.8m60m所需測(cè)量時(shí)間：3秒望遠(yuǎn)鏡 放大倍率 24´ 物鏡自由孔徑 36mm 孔徑角 2° 視場(chǎng) 3.5m ati 100m 最短標(biāo)尺距離 0.6m 乘常數(shù) 100 加常數(shù) 0水準(zhǔn)儀靈敏度圓水準(zhǔn)器 8¢/2mm補(bǔ)償器用電子跟蹤的磁阻尼擺補(bǔ)償器傾斜角（補(bǔ)償范圍） ±10²補(bǔ)償精度： 0.3²顯示 LC顯示 8行，每行24個(gè)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(zhǔn)器模式 加熱 開/關(guān) 在-5度以下設(shè)置測(cè)量值改正 傾斜誤差改正 自動(dòng) 地球曲率改正 開/關(guān)；水準(zhǔn)儀檢驗(yàn)改正值記錄內(nèi)存 約6000個(gè)測(cè)量成果，或大約1650站觀測(cè)成果（BF），從“測(cè)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(dá)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(dá)95%時(shí)不凝聚磁場(chǎng)靈敏度 在水平面上0u Tup的野外長(zhǎng)度不變電池電量電

8、池(NiMH) GEB111 GEB121電壓 6V 6V能力 1800mAh 3600mAhDNA03操作時(shí)間 12h 12h2 2儀器的主要特點(diǎn)1） 超大的存儲(chǔ)容量?？芍С肿畲笕萘窟_(dá)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(cè)量速度。單次測(cè)量需時(shí)約3秒；4） 選超大容量的鎳氫電池。可支持6節(jié)AA干電池供電，給測(cè)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(diǎn)自主；6） 現(xiàn)代時(shí)尚的流線型外觀，減低了風(fēng)阻的影響；7） 徠卡獨(dú)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(guó)水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范，更有特別為中國(guó)用戶設(shè)計(jì)的軟件功能。如數(shù)據(jù)加密功能、間歇檢查；9） 全電子測(cè)量，超限自動(dòng)停測(cè)報(bào)警；10） 獨(dú)特的相關(guān)測(cè)量原理，使得水準(zhǔn)標(biāo)尺刻劃誤差的影響降低到幾乎可以忽略的程度；11） 小視場(chǎng)讀數(shù)，充分考慮了折光影響；12） 多達(dá)5種測(cè)量模式，能及時(shí)有效地確定和剔除周圍環(huán)境如汽車行駛（震動(dòng)）對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響，從而確保了測(cè)量成果的質(zhì)量。13） 標(biāo)準(zhǔn)化的GSI指令，使聯(lián)機(jī)測(cè)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(cè)量精度，又提高了測(cè)程。3 DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀的主要功能31線路測(cè)量 在PROG功能選擇“線路測(cè)量”，在“線路測(cè)量”菜

10、單下有三項(xiàng)“設(shè)置作業(yè)”、“設(shè)置線路”、“設(shè)置限差”，在“設(shè)置作業(yè)”里可以命名作業(yè)名稱(Job)、輸入觀測(cè)者姓名(Oper)等；在“設(shè)置線路”里輸入線路名稱(Name)、觀測(cè)方法（Method），觀測(cè)方法有BF、BFFB、aBF、aBFFB四種方法可供選擇，各種測(cè)量方法的意義如下表；在“限差設(shè)置”里可以設(shè)置前后視距差（DistBal）、視線長(zhǎng)度（MaxDist）、視線高度（StafLow）、測(cè)站高差之差（StaDif）、同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)之差（B-B/F-F），設(shè)置的限差是否要遵守，取決于應(yīng)用需要，儀器設(shè)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(cè)量成果超限，就立即報(bào)警并顯示一條信息說明哪項(xiàng)限差超限，而且允許立即重新測(cè)量。各種觀測(cè)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(zhǔn)儀i角檢校眾所周知，水準(zhǔn)測(cè)量中采用前、后視距相等的方法，以消除儀器i角對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，但在實(shí)際測(cè)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(duì)水準(zhǔn)測(cè)量特別是精密水準(zhǔn)測(cè)量，儀器i角的大小和穩(wěn)定性是保證水準(zhǔn)測(cè)量精度的一個(gè)重要條件。雖然數(shù)字水準(zhǔn)儀具有將測(cè)定的i角

12、存入機(jī)內(nèi)并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)按該i角進(jìn)行自動(dòng)修正的功能，但儀器i角受外界溫度、濕度、振動(dòng)的影響而瞬時(shí)變化仍然存在，所以用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)也必須經(jīng)常對(duì)儀器i角進(jìn)行檢測(cè)。Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀提供了i角檢測(cè)的方法和程序。 在Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢測(cè)程序中，提供了兩種不同的檢測(cè)方法供選擇：“A´B´”法和“A´´B”法（A和B是標(biāo)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(cè)量法和庫(kù)式（Kukkamaek）法。 中心測(cè)量法：儀器首先安置在相距約30m的兩標(biāo)尺中間測(cè)量，然后靠近B尺

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

14、，如圖。33間歇測(cè)量(Break Measurement)間歇檢測(cè)是等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量經(jīng)常要做的工作，儀器提供了間歇測(cè)量功能。在儀器內(nèi)置程序中，間歇測(cè)量包括兩站間歇前的測(cè)量（Break meas）將高程傳遞到兩個(gè)檢查點(diǎn)（Check Point）上，和繼續(xù)該水準(zhǔn)線路測(cè)量前必須進(jìn)行的間歇檢查（Break Check）測(cè)量檢核檢查點(diǎn)的高程是否在間歇過程中發(fā)生了變化。間歇檢查測(cè)量先檢查間歇前最后一站測(cè)量的高差，如果發(fā)現(xiàn)間歇檢查測(cè)量的結(jié)果與間歇前測(cè)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(cè)量開始繼續(xù)該水準(zhǔn)線路測(cè)量。如果檢查結(jié)果超限，則再回退檢測(cè)尖歇前倒數(shù)第二站的高差，檢測(cè)結(jié)果在限差之

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

16、程長(zhǎng)度為6公里，跨越五座大中型橋梁。測(cè)試按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范（GB1289797）要求，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量要求，對(duì)測(cè)試路線進(jìn)行往返觀測(cè)。測(cè)試前、測(cè)試過程中和測(cè)試結(jié)束后分別三次對(duì)DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀i角進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為+5.5²、+3.6²、+4.7²，說明儀器是穩(wěn)定的。通過我們測(cè)試，提供以下建議：1、 我們?cè)跍y(cè)試過程中，觀測(cè)員由5人交替輪換，對(duì)觀測(cè)結(jié)果精度影響甚微。DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀電子讀數(shù)自動(dòng)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(cè)成果質(zhì)量好壞的重要因素，我們?cè)跍y(cè)試中司尺員采用兩根竹桿支撐扶尺，建議在精密水準(zhǔn)測(cè)

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

18、后的精度評(píng)定：以二等水準(zhǔn)點(diǎn)“中環(huán)東路”、“亭子浜橋”、“八里村”為起算，按附合水準(zhǔn)線路采用間接平差方法對(duì)測(cè)試水準(zhǔn)線路進(jìn)行平差計(jì)算，平差后最弱點(diǎn)的高程中誤差為0.00134米，最大點(diǎn)間的高程中誤差為0.00079米。從以上測(cè)試精度可以看出，DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀的實(shí)測(cè)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(zhǔn)儀的實(shí)測(cè)精度與標(biāo)稱精度相符，完全適用于一、二等精密水準(zhǔn)測(cè)量；2） 、NA03數(shù)字水準(zhǔn)儀性能穩(wěn)定，溫度變化對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果影響甚微。參考文獻(xiàn) 1 張志勇 ZEISS DINI11型數(shù)字水準(zhǔn)儀及其在地面沉降觀測(cè)應(yīng)用中的精度分析

19、 福建省 浙江省測(cè)繪學(xué)會(huì)2000年工程測(cè)量專業(yè)學(xué)術(shù)交流論文集。 2 羅官德等 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢校方法探討 測(cè)繪與信息工程2002年第4期。 3 Leica Geosystems DNA03/DNA10用戶手冊(cè)（中文1.0版）測(cè)段名h往(m)測(cè)段長(zhǎng)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