測繪設備數字水準儀誤差分析
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摘 要：闡述數字水準儀的工作原理，并對其與傳統水準儀進行了簡單的對比分析；重點匯總分析了i角、磁場、標尺安置狀態以及光照對數字水準儀測量結果準確性的影響機理，為正確使用數字水準儀以及降低測量誤差提供了專業的原理性說明。
關鍵詞：數字水準儀；誤差分析；影響因素
1 概述
數字水準儀是一種在傳統水準儀結構上，為了適應快速發展的工程需求，同時盡可能的解放人力，而產生的新型水準儀。與傳統水準儀相比，數字水準儀的組成更為復雜。經過不斷的研究改進，目前市場上的數字水準儀已經實現了標尺讀數、數據記錄、運算處理以及超標報警等功能的自動化，極大的提升了水準測量的效率。水準測量普遍應用于工程建設中，數字水準儀的出現與改進，對工程建設具有重大的現實意義。
2 數字水準儀工作原理及影響因素
為了更好的了解數字水準儀，下面就其工作原理進行簡單介紹。數字水準儀由編碼標尺、光學望遠鏡、補償器、CCD傳感器以及微處理控制器等系統組成。工作時，投射到標尺上的光線經過折射與反射，分別投射到經過光學望遠鏡的分劃板和線陣CCD傳感器上。兩種光線的不同角度投射，實現了數字水準儀的直接觀測和間接顯示。傳感器接收到光學信號后，通過光電轉換系統、波形處理系統以及處理模塊等處理方式，最后轉化成微型處理器識別的電流信號，完成數據的讀取、現實和記錄，該信號通過與數字水準儀自身標定的參考信息號對比后，顯示出實際的高度或距離?？傊?，數字水準儀可以說是兩用水準儀，其既包含了傳統水準儀的人眼觀測方式，也可以實現自動化測量。由于數字水準儀結構較傳統水準儀復雜，其測量時影響測量準確度的因素較多，下面就這些因素進行逐一分析。
3 數字水準儀測量結果影響因素
3.1 i角誤差影響
根據圖1數字水準儀的光路結構圖可以看出，影響到測量結果的影響因素中包含兩個不同角度的i角。工作原理介紹中，進入數字水準儀的光線被分解成兩路，分別實現目測和自動顯示兩個功能，對于不同的兩路光線，各存在一個i角。目測光路與數字水準儀軸心方向形成的角稱之為光學i角，電子光路與數字水準儀軸心方向形成的角稱之為數字水準儀的電子i角。對于電子i角，使用者可以通過數字水準儀檢測程序對其進行檢測，但無法對其進行調整。
i角誤差大小對數字水準儀的測量結果具有極大的影響，而i角誤差大小會受到數字水準儀所處環境溫度的影響，在超過某一溫度后，溫度對i角誤差大小影響很大。針對不同溫度下i角誤差大小數據的收集，微型處理器會記錄儲存相關信息，并針對不同溫度下進行測量結果的運算補償，使i角誤差大小的影響降低。這種特性對于不等視距的平面水準測量是很有利的，但對于區域精密水準測量并不一定有利。在工程實際使用中，數字水準儀在進行測量的時候，觀測者不會對每一次測量時儀器存在的視線誤差進行測量，則修正值所對應的視準線誤差也并不是當次測量時存在的，因此用來避免誤差的修正值可能會成為二次誤差源。因此要想準確避免視線誤差，必須對每次測量時的視線誤差進行測量。
3.2 地磁場的影響
數字水準儀本質上是一種電子精密儀器，磁場對其測量結果的影響是必然的。通過研究，與普通精密電子儀器受磁場影響不同的是，數字水準儀對磁場的反饋機理非常復雜，很難通過特定的規律方式表達出來，磁場對其測量精度的影響也難以準確測量出來，并進行補償。為了盡可能的降低誤差，研究人員通過一些間接試驗，總結了磁場對其測量結果影響的幅度。研究證實，與數字水準儀視線平行的和垂直兩個方向上的磁場分向量對測試結果的影響較其他方向磁場影響程度要大。也就是說，在實際的工程建設應用中，數字水準儀沿南北方向觀測，數字水準儀會受到水平和垂直兩個方向的磁場影響，而沿東西方向觀測，數字水準儀只收到垂直方向磁場的影響，但并不就是說沿東西方向的測量更準確。在實際應用時，盡量避免其在強磁場環境下使用。
3.3 標尺安置狀態的影響
數字水準儀在實際工程測繪中會存在一個問題，即對標尺安置的位置狀態等信息反應不靈敏，也就是說如果標尺由于地坪等原因出現偏離垂直方向的情況時，數字水準儀仍然會繼續進行測量分析，結果自然就會不準確，因此標尺安置的狀態對數字水準儀的測量結果具有重大影響。標尺不處于垂直位置時，測量結果往往偏大，具體影響機理分析如下：假設標尺由于某種因素，出現了β的傾斜角度，由圖中幾何關系可知，a=a1cosβ，則Δa=a1-a=a1（1-cosβ），即讀數誤差Δa的大小與標尺傾斜角（下轉第249頁）（上接第246頁）度和標尺上的讀數大小有關，簡單估算一下，如果標尺傾斜2度，a1為2m的時候，數字水準儀就會出現1mm左右的誤差，可見標尺的安置狀態對數字水準儀的測量結果非常重要。在外業觀測時，為保持尺的豎直，一定要采用尺撐，避免僅用手來扶尺的做法。
3.4 光亮強度的影響
數字水準儀的使用環境往往是野外空曠的地方，標尺接收到的光亮以及通過標尺發射到數字水準儀中的光量會受到測量環境的影響，例如天氣情況等自然因素，在一個測量周期內，影響光通量的自然因素都是處于動態變化過程中，人為控制難度很大。數字水準儀在工作時，其內部的CCD圖像傳感器的工作條件對光照就有一定的要求，只有在一定的光照中，其才能將圖像轉換為用于測量的有效電信號。即信號有無或者強度受接收到的光通量決定，光通量與光照強度以及時間有關。
首先是曝光時間對測量準確性的影響。采樣條碼群體中亮度不均勻，就會使曝光時間失控，條碼曝光程度的不均勻會直接影響測量結果，輕微的不均勻引起局部畸變，影響測量精度，嚴重時使儀器自動中止測量。其次是光強變化對測量的影響。由于數字水準儀的CCD圖像傳感器只有在一定的光照中，其才能將圖像轉換為用于測量的有效電信號，對于采樣范圍內的亮度不均勻的條形碼群體，極易影響測量精度。因此，數字水準儀進行測量時，盡量選擇在光線溫和不逆光的情況下使用，盡力降低由光照引起的測量誤差。
4 結論
數字水準儀憑借其出色的性能在工程中的應用逐步替代了傳統水準儀，其使用環境也較傳統水準儀更加廣泛，但通過以上分析可以看出，數字水準儀的測量誤差來源有多種，在使用中只有對這些誤差來源采取必要措施進行改善，這樣才能得到可靠穩定的測量成果。
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