测绘设备数字水准仪误差分析

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　　摘 要：阐述数字水准仪的工作原理，并对其与传统水准仪进行了简单的对比分析；重点汇总分析了i角、磁场、标尺安置状态以及光照对数字水准仪测量结果准确性的影响机理，为正确使用数字水准仪以及降低测量误差提供了专业的原理性说明。
　　关键词：数字水准仪；误差分析；影响因素
　　1 概述
　　数字水准仪是一种在传统水准仪结构上，为了适应快速发展的工程需求，同时尽可能的解放人力，而产生的新型水准仪。与传统水准仪相比，数字水准仪的组成更为复杂。经过不断的研究改进，目前市场上的数字水准仪已经实现了标尺读数、数据记录、运算处理以及超标报警等功能的自动化，极大的提升了水准测量的效率。水准测量普遍应用于工程建设中，数字水准仪的出现与改进，对工程建设具有重大的现实意义。
　　2 数字水准仪工作原理及影响因素
　　为了更好的了解数字水准仪，下面就其工作原理进行简单介绍。数字水准仪由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器等系统组成。工作时，投射到标尺上的光线经过折射与反射，分别投射到经过光学望远镜的分划板和线阵CCD传感器上。两种光线的不同角度投射，实现了数字水准仪的直接观测和间接显示。传感器接收到光学信号后，通过光电转换系统、波形处理系统以及处理模块等处理方式，最后转化成微型处理器识别的电流信号，完成数据的读取、现实和记录，该信号通过与数字水准仪自身标定的参考信息号对比后，显示出实际的高度或距離。总之，数字水准仪可以说是两用水准仪，其既包含了传统水准仪的人眼观测方式，也可以实现自动化测量。由于数字水准仪结构较传统水准仪复杂，其测量时影响测量准确度的因素较多，下面就这些因素进行逐一分析。
　　3 数字水准仪测量结果影响因素
　　3.1 i角误差影响
　　根据图1数字水准仪的光路结构图可以看出，影响到测量结果的影响因素中包含两个不同角度的i角。工作原理介绍中，进入数字水准仪的光线被分解成两路，分别实现目测和自动显示两个功能，对于不同的两路光线，各存在一个i角。目测光路与数字水准仪轴心方向形成的角称之为光学i角，电子光路与数字水准仪轴心方向形成的角称之为数字水准仪的电子i角。对于电子i角，使用者可以通过数字水准仪检测程序对其进行检测，但无法对其进行调整。
　　i角误差大小对数字水准仪的测量结果具有极大的影响，而i角误差大小会受到数字水准仪所处环境温度的影响，在超过某一温度后，温度对i角误差大小影响很大。针对不同温度下i角误差大小数据的收集，微型处理器会记录储存相关信息，并针对不同温度下进行测量结果的运算补偿，使i角误差大小的影响降低。这种特性对于不等视距的平面水准测量是很有利的，但对于区域精密水准测量并不一定有利。在工程实际使用中，数字水准仪在进行测量的时候，观测者不会对每一次测量时仪器存在的视线误差进行测量，则修正值所对应的视准线误差也并不是当次测量时存在的，因此用来避免误差的修正值可能会成为二次误差源。因此要想准确避免视线误差，必须对每次测量时的视线误差进行测量。
　　3.2 地磁场的影响
　　数字水准仪本质上是一种电子精密仪器，磁场对其测量结果的影响是必然的。通过研究，与普通精密电子仪器受磁场影响不同的是，数字水准仪对磁场的反馈机理非常复杂，很难通过特定的规律方式表达出来，磁场对其测量精度的影响也难以准确测量出来，并进行补偿。为了尽可能的降低误差，研究人员通过一些间接试验，总结了磁场对其测量结果影响的幅度。研究证实，与数字水准仪视线平行的和垂直两个方向上的磁场分向量对测试结果的影响较其他方向磁场影响程度要大。也就是说，在实际的工程建设应用中，数字水准仪沿南北方向观测，数字水准仪会受到水平和垂直两个方向的磁场影响，而沿东西方向观测，数字水准仪只收到垂直方向磁场的影响，但并不就是说沿东西方向的测量更准确。在实际应用时，尽量避免其在强磁场环境下使用。
　　3.3 标尺安置状态的影响
　　数字水准仪在实际工程测绘中会存在一个问题，即对标尺安置的位置状态等信息反应不灵敏，也就是说如果标尺由于地坪等原因出现偏离垂直方向的情况时，数字水准仪仍然会继续进行测量分析，结果自然就会不准确，因此标尺安置的状态对数字水准仪的测量结果具有重大影响。标尺不处于垂直位置时，测量结果往往偏大，具体影响机理分析如下：假设标尺由于某种因素，出现了β的倾斜角度，由图中几何关系可知，a=a1cosβ，则Δa=a1-a=a1（1-cosβ），即读数误差Δa的大小与标尺倾斜角（下转第249页）（上接第246页）度和标尺上的读数大小有关，简单估算一下，如果标尺倾斜2度，a1为2m的时候，数字水准仪就会出现1mm左右的误差，可见标尺的安置状态对数字水准仪的测量结果非常重要。在外业观测时，为保持尺的竖直，一定要采用尺撑，避免仅用手来扶尺的做法。
　　3.4 光亮强度的影响
　　数字水准仪的使用环境往往是野外空旷的地方，标尺接收到的光亮以及通过标尺发射到数字水准仪中的光量会受到测量环境的影响，例如天气情况等自然因素，在一个测量周期内，影响光通量的自然因素都是处于动态变化过程中，人为控制难度很大。数字水准仪在工作时，其内部的CCD图像传感器的工作条件对光照就有一定的要求，只有在一定的光照中，其才能将图像转换为用于测量的有效电信号。即信号有无或者强度受接收到的光通量决定，光通量与光照强度以及时间有关。
　　首先是曝光时间对测量准确性的影响。采样条码群体中亮度不均匀，就会使曝光时间失控，条码曝光程度的不均匀会直接影响测量结果，轻微的不均匀引起局部畸变，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。其次是光强变化对测量的影响。由于数字水准仪的CCD图像传感器只有在一定的光照中，其才能将图像转换为用于测量的有效电信号，对于采样范围内的亮度不均匀的条形码群体，极易影响测量精度。因此，数字水准仪进行测量时，尽量选择在光线温和不逆光的情况下使用，尽力降低由光照引起的测量误差。
　　4 结论
　　数字水准仪凭借其出色的性能在工程中的应用逐步替代了传统水准仪，其使用环境也较传统水准仪更加广泛，但通过以上分析可以看出，数字水准仪的测量误差来源有多种，在使用中只有对这些误差来源采取必要措施进行改善，这样才能得到可靠稳定的测量成果。
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