新一代高速对向观测数字水准尺仪的发明与实践

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 目前卫星定位仪已日益普及，并取代全站仪成为地面测绘水平定位的主导手段，然而由于卫星定位仪用于高程系统高差测量的随机误差达6~7 cm，仍无法与毫米级的传统水准测量相匹敌，故水准测量依然是精密地面高差测量的唯一手段。

 水准仪、水准标尺依然是水准测量的重要仪器装置。伴随着人类科技文明的发展，水准仪也经历了由普通光学水准仪向自动安平水准仪及数字水准仪(也称为电子水准仪)的发展，18世纪，人类使用了望远镜，构成初级光学水准仪。到20世纪初，将望远镜改进为内调焦结构，形成微倾式光学水准仪。20世纪50年代，人类发明了自动安平补偿器，出现了自动安平光学水准仪。20世纪90年代，出现了电子水准仪及编码水准尺，实现了电子自动读数进入数字水准仪的时代。目前著名的电子水准仪品牌有：瑞士徕卡、日本拓普康、日本索佳、德国蔡司(美国天宝)、中国苏一光、中国北京博飞、中国南方、中国欧波等。

 尽管电子水准仪已经面世20多年，然而目前依然是光学水准仪占市场的主导，电子水准仪的普及增长率却一直不高，据统计，近年来每年中国市场水准仪的销量为几十万台，电子水准仪的销量却不足1%，这与几乎同步发展的、电子化数字化的卫星定位产品及全站仪形成了鲜明的反差。造成电子水准仪普及率低的原因有价格因素和效率因素，但根本原因是效率低造成的。目前市场上的电子水准仪虽然利用编码标尺和CCD技术，提高了观测读数的效率和精度，但由于仍基于传统的3点互动配置和单仪单系统测量，相对于光学水准仪，电子水准仪提高的测量效率相对有限，换言之 40 36049 40 14689 0 0 2342 0 0:00:15 0:00:06 0:00:09 2898，用户不是不喜欢电子水准仪，而是现行电子水准仪的测量效率还不够理想，不能满足用户的性价比需求及对快速水准测量的期望。

 事实上，水准测量速度慢、效率低，几百年来一直是困扰全球测量界的一大难题。为了攻克这一难题，以笔者领衔的团队自2012年首次申请专利起历时4年，对水准仪、水准尺的结构功能、作业模式、数据检核等进行了一系列的改进发明实践，已围绕新一代高速对向观测数字水准尺仪的研发申请获得专利40多项，并于2016年成功研制出世界上最快速、最智能、最精密的电子水准测量系统。本文在总结发明实践及专利文献的基础上，介绍新一代高速对向观测数字水准尺仪的概念、结构与方法。新一代高速对向观测数字水准尺仪的研制，试图开启人类社会普及电子水准仪的新时代，使水准测量也能像卫星定位那样方便、快速和普及，实现国人的测绘仪器智造梦。

1 概念与结构

 高速对向观测数字水准尺仪的主要创新特色为：尺仪合一、2点配置、对偶测量、双向检核、智能控制。其典型的系统结构及组成配置如图 1所示，它直接体现出“尺仪合一”的一体化设计理念。图 1中各部件的功能是：①电子水准仪用来照准、读取对方标尺的高度数据；②编码标尺提供高度信息，并作为其他构件的机架；③电子手簿用来控制、记录、交换、处理电子水准仪获取的高度数据并即时显示双方的观测结果及两点的高差，电子手簿设有标尺图像显示器(电子目镜)，以方便瞄准调焦；④标尺脚架用来安置并调直标尺；⑤L型水准器用来配合标尺脚架快速调直标尺；⑥智能尺垫用来将标尺安置于地面转点并带有移动监测功能；⑦遥控器(图中未给出)用来控制观测的实施，以避免在电子手簿上直接按键影响标尺的调直状态。

 高速对向观测数字水准尺仪的上述结构及组成，经反复实践论证，符合有关物理学、力学、机械学、电子学、光学、测量学及人体工程学的基本原理，能够满足快速水准测量的需要。

 本文采用“水准尺仪”这一名词概念是为了突出表明“尺仪合一”的特点，亦尺亦仪，仪离不开尺，尺离不开仪，这是与传统水准测量装置的本质差别之一，高速对向观测数字水准尺仪也可简称为复合水准仪。类似于“高铁”的概念，本发明采用“高速”一词也意味着两个含义：①直接表明高速的特点；②体现了一系列区别于传统水准仪的相关技术创新。

2 对偶测量原理

 高速对向观测数字水准尺仪的测量原理如图 2所示。从数学角度来看，高速对向观测数字水准尺仪的测量原理属于对偶测量。图中水准尺仪A、B分别安置在地面点1、2，水准尺仪A、B同时调平并瞄准对方进行对向观测读数。

 用安置在1点的水准尺仪A测得1、2点的高差为

 用安置在2点的水准尺仪B测得1、2点的高差为

式中，Δ12A、Δ12B分别为水准尺仪A、B测得的1、2点之间的高差；Ha、Hb分别为水准尺仪A、B的仪高(即水准仪视准轴的高度数据)；A21为水准尺仪A在1点测取的对方标尺高度数据；B12为水准尺仪B在2点测取的对方标尺高度数据；iA和iB分别为水准尺仪A、B的i角值，单位为(″)，并且照准视线位于水平视线上方取正值，照准视线位于水平视线下方取负值；ρ为206 265，单位为(″)；S1为1、2点之间的水平距离。

 二者的高差互差δ为

二者的高差均值为

式中，Δ12为水准尺仪A、B联合测定的1、2点之间的高差。

 显然，二者的互差δ可用来进行数据检核及控制误差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速对向观测数字水准尺仪的对偶测量原理属于两点、双仪、对向、同步观测系统，而传统水准测量装置的测量原理属于三点、单仪、反向、异步观测系统，这也是构成二者本质的差别之一。

3 作业模式

 高速对向观测数字水准尺仪在实际应用中可采用多种作业模式：

 (1) 交替式作业模式。如图 3(a)所示，A、B尺仪交替推进安置，这也是传统的作业模式，对高速对向观测数字水准尺仪而言，该模式本质上可理

解为2个水准仪按传统作业模式的叠加。

 (2) 交换式作业模式。如图 3(b)所示，每一站A、B尺仪均交换位置测量。这是高速对向观测数字水准尺仪特有的作业模式，该模式可彻底消除i角的影响，故也称为精密作业模式。

 (3) 三角形作业模式。如图 3(c)所示，同时将3个尺仪安置在3点进行条带式推进测量，该模式增加了区域三角空间闭合检核，可进一步提高水准测量的精度和可靠性。

 本文前述给出了高速对向观测数字水准尺仪的基本测量原理及作业模式，有关具体的仪高、i角测定方法及测站数据处理等方法拟另文详细介绍。

4 技术进步点与应用优势

4.1 技术进步点

 高速对向观测数字水准尺仪采用双仪对向同步观测原理，与传统水准测量装置对比，具有以下进步点：

 (1) 优化了水准测量结构、改进了高差测量原理，真正实现了点对点的2点配置测量，仅需2人即可作业。

 (2) 采用双系统对偶同步测量原理，提高了测量的可靠性和精度。

 (3) 扩展、优化了作业模式，提高了环境应用能力，可以方便地在梯形断面、陡坡、山区及跨河等复杂地形环境下实施水准测量。

 (4) 将标尺、水准仪、脚架、尺垫集成为一体化结构，提高了测点配置、仪器安置及观测速度，大幅提高了测站作业效率。

 (5) 高速对向观测数字水准尺仪已将现行国家水准测量规范的限差按等级内置于电子手簿，实现了高差数据的自动实时检核及连续水准测量过程的智能化控制，并采用配套的后处理软件实现了测量成果的一体化数据处理和测量成果的输出打印。

4.2 应用优势

 基于上述进步点，与传统水准测量装置相比，高速对向观测数字水准尺仪的应用优势表现为：使水准测量的速度和效率(或测量可靠性及精度)提高1倍以上，并可节省人力30%。高速对向观测数字水准尺仪的应用优势具体体现为“七不”的特点：①不用往返测量；②不用等距配点；③不用严控i角；④不用3人作业；⑤不用异步观测；⑥不用人工记录；⑦不用人工检核。

5 样机与试验

5.1 样机技术指标

 高速对向观测数字水准尺仪的原理样机及工程样机分别于2015年12月及2016年12月在大连研制成功。高速对向观测数字水准尺仪的工程样机具体由编码标尺、电子水准仪、标尺脚架、标尺L型水准器、尺垫、脚轮、控制电子手簿及遥控器组成。其有关技术指标为：编码标尺为塔尺；电子水准仪测程3~110 m；高程最小显示读数单位0.1 mm；距离最小显示读数单位1 cm；读数时间3 s；望远镜放大倍数32倍，孔径40 mm；自动补偿器补偿范围±12′；安平精度±0.3″；水准仪圆水准器8′/2 mm；标尺L水准器4′/2 mm；电子手簿的标尺图像显示屏为55 mm×73 mm，水准尺仪总重量为5 kg和7 kg(带移动脚轮)。

5.2 有关试验

 为了验证高速对向观测数字水准尺仪的有效性及先进性，本文进行了大量的计算机仿真试验和外业试验，限于篇幅，此处给出两个代表性的试验结果。

 试验一为四等水准测量，其试验结果参见表 1、表 2。试验二为三等水准测量，其试验结果参见表 3、表 4。其中表 2及表 4中的A(B)高差及互差是分别根据A(B)仪器高与对应的标尺读数直接计算、未进行i角改正的数据。而表中改正后互差及累计均高程是指经过i角改正后的计算数据。

 表 1、表 2是按国家四等水准测量规范中测站高差互差≤5 mm要求测定的，共设36站37个测点，为了形成闭合差检验，特使测站36的终止测点37与测站1的起始测点1重合，水准测量路线总长度为1.3 km。由表 2可知：高差闭合差为-2.2 mm。由表 1、表 2可知：A仪的i角为-1.2″，而B仪的i角达到了3′(这对使用传统水准仪进行测量是不可想象的)，特别是第4站i角改正前两仪高差互差达68.2 mm，但经过i角改正后两仪高差互差降至1.4 mm，这充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文还进一步统计计算了终止测点37处两仪累计高程的互差为3.3 mm，符合规范中左右路线的互差限差要求，这意味着使用高速对向观测数字水准尺仪进行水准测量只需单程往测即可，而无需返测。

 表 3、表 4是按国家三等水准测量规范中测站高差互差≤3 mm要求测定的，共设28站29个测点，为了形成闭合差检验，特使测站28的终止测点29与测站1的起始测点1重合，水准测量路线总长度为1 km。由表 4可知：高差闭合差为0.4 mm。由表 3可知：A仪的i角为9.3″，B仪的i角为61.4″，虽然B仪的i角同样超出了使用传统水准仪测量的限差，但使用高速对向观测数字水准尺仪经过i角改正后仍然可得到可靠的测量结果。本文同样还统计计算了终止测点29处两仪累计高程的互差为0.8 mm，符合规范中左右路线的互差限差要求。

 另外，试验还表明：正交标尺脚架、L型水准器及电子目镜的使用确实能加快水准尺仪的安置、照准调焦速度，智能尺垫确实能实时监测尺垫的位移，重要的是：高速对向观测数字水准尺仪采用2点互动配置而非传统的3点互动配置，不再苛求前后距大致相等，这也极大地加快了测站水准测量的速度，因此，高速对向观测数字水准尺仪拥有比传统水准尺仪更高的测站测量速度。更进一步，由于高速对向观测数字水准尺仪采用了对向双观测系统，可不再进行传统水准测量时的返测工作，故高速对向观测数字水准尺仪可使水准测量整体效率直接提高1倍以上。

6 结论及展望

 本文的理论分析及试验表明：由于采用了更加科学合理的一体化结构、更加严密可靠的对偶测量原理和适应性更强的作业模式，高速对向观测数字水准尺仪拥有比传统水准仪更高的水准测量速度和效率。此外，高速对向观测数字水准尺仪可方便、有效地用于国家三、四等水准测量(关于用于国家一、二等水准测量的相关试验另文介绍)。高速对向观测数字水准尺仪，与传统水准仪相比，可使水准测量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智能、最精密的电子水准测量系统，同时可节省人力30%以上，具有更高的性价比。

 高速对向观测数字水准尺仪成功解决了水准测量速度慢、效率低这一困扰全球测量界几百年的大难题，将对全球大地及工程测量界产生重大及颠覆性的影响，必将开启人类社会普及电子水准仪的新时代。

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引文格式：刘雁春，王海亭，赵俊生，等。新一代高速对向观测数字水准尺仪的发明与实践[J]. 测绘通报，2017(12)：131-137. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0395.

 刘雁春,男,博士,教授,主要研究方向为海洋测绘及工程测量。E-mail:[e-mail]

来源：测绘通报（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 刘雪  审核 / 郭晓非

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)