数字水准仪原理附测量算法综述.docVIP

数字水准仪的原理特点及测量算法综述 张志勇 (嘉兴市规划设计研究院，浙江 嘉兴 314001) Principle Characteristic and Measurement Algorithm of Digital Levels Zhang Zhi-yong 摘 要：介绍了数字水准仪的基本原理和相对于光学水准仪的特点，对各厂家仪器的性能进行了比较，着重对数字水准仪的三种测量算法（即相关法、几何法、相位法）进行了阐述。 关键词：数字水准仪；原理；特点；测量算法 前言 数字水准仪是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物,它依据图像识别原理,将编码尺 的图像信息与已存贮的参考信息进行比较获得高程信息，从而实现了水准测量数据采集、处理和记录的自动化。数字水准仪具有测量速度快、操作简便、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和易于实现水准测量内外业一体化等优点，是对传统几何水准测量技术的突破，代表了现代水准仪和水准测量技术的发展方向。 数字水准仪的基本原理 2．1 数字水准仪的基本组成 数字水准仪又称电子水准仪，目前世界上生产数字水准仪的厂家有瑞士徕卡（Leica DNA03、NA3003、NA2002等）、德国蔡司（Zeiss DiNi 11、DiNi 12、DiNi 22等）、日本拓普康（Topcon DL-101C/102C等）和日本索佳（Sokkia SDL1/SDL2），各厂家的数字水准仪采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（线阵CCD器件）、读取电子元件、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。 各厂家条形码的编码规则各不相同，不可以互换使用。各厂家在数字水准仪研制过程中采用了不同的测量算法，条形码编码方式和测量算法不同仅仅是由于专利权的原因而完全不同。 2 数字水准仪的基本工作原理 从1990年徕卡测量系统的前身—瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000， 到1994年德国蔡司厂研制出了数字水准仪DiNi 10/20，同年日本拓普康公司也研制出了数字水准仪DL101/102，各厂家最初研制的数字水准仪大都定位在中精度水准测量范围，标准差一般为1.0~1.5mm/Km，随着微电子技术和传感器工艺的发展以及人们认识水平的提高，各厂家随后又相继研制出高精度的数字水准仪，测量标准差定位在0.3~0.4mm/Km，如Leica NA3003、Zeiss DiNi 11/12、Topcon DL-101C，2002年5月徕卡公司又向中国市场投放了DNA03中文数字水准仪（测量标准差为0.3mm/Km）。 虽然各厂家的仪器结构和条形码的编码方式不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（CCD）上，随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（参考信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。因此，如果使用传统水准标尺，数字水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用，但是由于没有光学测微器，测量精度低于电子测量的精度。 数字水准仪的特点 3．1 数字水准仪相对于光学水准仪的特点 数字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（CCD），并采用条码标尺和数字图像处理系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。采用普通标尺又可以象一般自动安平水准仪一样使用，它与传统光学水准仪相比有以下优点： 读数客观。不存在误读、误记问题，没有人为读数误差。 精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经过处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。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。这同时也就要求标尺条码要有足够的可见范围，用于测量的条码不能遮挡。 速度快。由于省去了报数、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可以节省1/3左右。 效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化。 操作简单。由于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，在操作时还有实时提示，因此测量人员可以很快掌握使用方法，减少了培