Leica DNA数字水准仪及其精测试

1、Leica DNA03数字水准仪及其精度测试张志勇（嘉兴市规划设计研究院 浙江嘉兴 314001）摘 要 对数字水准仪的原理进行了阐述。介绍了Leica DNA03数字水准仪的主要技术指标、特点及各种测量功能，并对仪器进行了野外精度测试，得出了Leica DNA03数字水准仪适用于精密水准测量的结论。关键词 数字水准仪；精度测试DNA03数字水准仪是徕卡公司继NA3003数字水准仪后于2002年5月向中国市场投放的新型数字水准仪。仪器极具特色，测量性能佳，中文菜单显示，操作方便，符合中国国家水准测量规范，增加了数据加密、间歇测量等功能。本文对数字水准仪的原理进行了阐述，介绍了Leica DNA

2、03数字水准仪的主要技术指标、特点及各种测量功能，通过对仪器进行野外精度测试，说明Leica DNA03数字水准仪完全适用于精密水准测量。1 数字水准仪的基本原理数字水准仪又称电子水准仪，具有与自动安平水准仪相同的光学机械结构，采用了典型的交叉吊带光学机械补偿器（如图11所示），它融光机电技术、图象处理技术、计算机技术于一体，以条码间隔影像信息与参考信号进行数字图像处理的原理，自动采集数据、信息处理和获取自动记录观测值，从而实现了水准测量的自动化。数字水准仪水准标尺采用条形码分划，代替人们眼睛读数的是光电二极管阵列（CCD探测器）。在水准测量中，仪器完成照准调焦之后，条形码的象通过一个分光器，

3、将光线分为两束，一束转射到传感器光电二极管阵列上，供电子读数，另一束转射到观测望远镜的分划板上，供目视观测。目前标尺条码信号的分析和处理采用的方法（也就是自动电子读数方法）有相关法、几何法和相位法三种，三种方法在原理上有较大差别，Leica公司的数字水准仪均采用的是相关法，将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较，仪器和标尺之间的高差即是标尺条形码象的位移量和因仪器、标尺间距离而产生的条形码象的大小的二维相关函数。二维相关是在标尺条形码影像上先确定一个待定点，称之为目标点，以此待定点为中心选取m ´ n个像素的灰度阵列作为目标区，为了在储存在仪器内的基准码影像中搜索同名影

4、像，必须估计出该同名影像可能存在的范围，建立一个k ´ l个像素的灰度阵列作为搜索区，相关的过程就是依次在搜索区中取出m ´ n个像素灰度阵列，计算其与目标区的相似测度rij，将仪器的调焦透镜位置参数作为相关搜索的初始值，当r取最大时，认为是最佳相关，该搜索窗口的条形码影像被认为是同名影像，这时标尺读数就可以确定（如图12所示）。图122 DNA03数字水准仪的技术指标及特点DNA03是Leica第二代数字水准仪。1990年徕卡测量系统（Leica Geosystems）的前身瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说从1990年起，大地测量仪器全面完成了从

5、精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数这一最后难关。2002年5月徕卡公司又推出了新型的DNA03数字水准仪，该仪器外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有符合中国国家水准测量规范的丰富的机载软件，这意味着数字水准仪真正地为中国用户所接受。21主要技术指标重量：2.8kg（含GEB111电池）大小：168´240´210mm水准测量精度（每公里双次观测标准偏差）：电子测量 铟钢条码尺0.3 mm/km 普通尺1.0mm/km光学测量 普通尺2.0mm/km距离测量精度： 标准偏差 5mm/10m电子测距范围

6、： 标尺长度3m 1.8m110m 推荐的3m铟瓦标尺 1.8m60m 标尺长度=2.7m 1.8m100m 标尺长度=1.82m/2m 1.8m60m所需测量时间：3秒望远镜 放大倍率 24´ 物镜自由孔径 36mm 孔径角 2° 视场 3.5m ati 100m 最短标尺距离 0.6m 乘常数 100 加常数 0水准仪灵敏度圆水准器 8¢/2mm补偿器用电子跟踪的磁阻尼摆补偿器倾斜角（补偿范围） ±10²补偿精度： 0.3²显示 LC显示 8行，每行24个字符，144´64象素 照明 节电模式/永久模式/只照明圆水准器模

7、式 加热 开/关 在-5度以下设置测量值改正 倾斜误差改正 自动 地球曲率改正 开/关；水准仪检验改正值记录内存 约6000个测量成果，或大约1650站观测成果（BF），从“测量与记录“，经RS232串行接口以GSI8/GSI16格式输出数据积累 PCMCIA卡（电讯，SRAM），可达16MB的能力温度范围 存贮 -40°C +70°C 操作 -20°C +50°C环境条件防水、防灰尘 IP53(Gem.IEC60529)湿度 湿度达95%时不凝聚磁场灵敏度 在水平面上0u Tup的野外长度不变电池电量电池(NiMH) GEB111 GEB121电压 6

8、V 6V能力 1800mAh 3600mAhDNA03操作时间 12h 12h2 2仪器的主要特点1） 超大的存储容量。可支持最大容量达32MB的PCMCIA卡；2） 大屏幕的LCD，中文菜单显示，方便了操作；3） 极快的测量速度。单次测量需时约3秒；4） 选超大容量的镍氢电池。可支持6节AA干电池供电，给测量供电多了一种保障，少了一份顾虑；5） 用户可自由定义输出数据格式，还用户多一点自主；6） 现代时尚的流线型外观，减低了风阻的影响；7） 徕卡独特的粗调焦功能，既省去了因前后视距不等而需要频繁调焦，也有效地去除了调焦误差的影响。方便了操作，提高了精度；8） 符合中国水准测量规范，更有特别为

9、中国用户设计的软件功能。如数据加密功能、间歇检查；9） 全电子测量，超限自动停测报警；10） 独特的相关测量原理，使得水准标尺刻划误差的影响降低到几乎可以忽略的程度；11） 小视场读数，充分考虑了折光影响；12） 多达5种测量模式，能及时有效地确定和剔除周围环境如汽车行驶（震动）对水准测量的影响，从而确保了测量成果的质量。13） 标准化的GSI指令，使联机测量方便易行。用户使用仪器多了一种方式；14） 采用新型CCD，既提高了测量精度，又提高了测程。3 DNA03数字水准仪的主要功能31线路测量 在PROG功能选择“线路测量”，在“线路测量”菜单下有三项“设置作业”、“设置线路”、“设置限差”

10、，在“设置作业”里可以命名作业名称(Job)、输入观测者姓名(Oper)等；在“设置线路”里输入线路名称(Name)、观测方法（Method），观测方法有BF、BFFB、aBF、aBFFB四种方法可供选择，各种测量方法的意义如下表；在“限差设置”里可以设置前后视距差（DistBal）、视线长度（MaxDist）、视线高度（StafLow）、测站高差之差（StaDif）、同一标尺两次读数之差（B-B/F-F），设置的限差是否要遵守，取决于应用需要，仪器设置了可以检查限差也可以不检查限差的功能（用定位键选择检查（on）或不检查（off）限差），如果要检查限差，只要测量成果超限，就立即报警并显示一条

11、信息说明哪项限差超限，而且允许立即重新测量。各种观测方法（Method）说明方法奇数站偶数站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水准仪i角检校众所周知，水准测量中采用前、后视距相等的方法，以消除仪器i角对观测数据的影响，但在实际测量中，由于地形和丈量等客观条件的限制，不可能完全遵守前后视距相等的原则。因此，对水准测量特别是精密水准测量，仪器i角的大小和稳定性是保证水准测量精度的一个重要条件。虽然数字水准仪具有将测定的i角存入机内并对所测数据按该i角进行自动修正的功能，但

12、仪器i角受外界温度、湿度、振动的影响而瞬时变化仍然存在，所以用数字水准仪进行水准测量时也必须经常对仪器i角进行检测。Leica DNA03数字水准仪提供了i角检测的方法和程序。 在Leica DNA03数字水准仪i角检测程序中，提供了两种不同的检测方法供选择：“A´B´”法和“A´´B”法（A和B是标尺位置，´是仪器位置），每种方法又各有两种方法： A´B´法： 有中心测量法和库式（Kukkamaek）法。 中心测量法：仪器首先安置在相距约30m的两标尺中间测量，然后靠近B尺（约距B尺2.5m，内外均可），如图 库式（Kuk

13、kamaek）法：仪器首先安置在相距为a（a约20m）的两标尺中间测量，然后安置在与B标尺的距离为（a=b）的外边测量。aStaff Staff AB1/21/21. Station2. Stationb A´´B法： 有费式（Forstner）法和李式（Nabauer）法。 费式（Forstner）法：将两标尺安置在相距45m的距离，将其三等份，分别距A、B标尺15m处安置仪器测量，如图。李式（Nabauer）法：选择约45m长的距离，将其分成三等份，在中间两等分点上安置A、B标尺，分别在两标尺外边距离15m处安置仪器测量，如图。33间歇测量(Break Measurem

14、ent)间歇检测是等级水准测量经常要做的工作，仪器提供了间歇测量功能。在仪器内置程序中，间歇测量包括两站间歇前的测量（Break meas）将高程传递到两个检查点（Check Point）上，和继续该水准线路测量前必须进行的间歇检查（Break Check）测量检核检查点的高程是否在间歇过程中发生了变化。间歇检查测量先检查间歇前最后一站测量的高差，如果发现间歇检查测量的结果与间歇前测量的结果的差值在规定的限差（限差可将规范值置入仪器）内，则结束间歇测量开始继续该水准线路测量。如果检查结果超限，则再回退检测尖歇前倒数第二站的高差，检测结果在限差之内，则结束检测开始继续该水准线路测量，如果检测结果

15、仍超限，则程序会自动将两站测量高差合并，并将合并后的高差与间歇前测量的两站合并的高差进行比较，如果二者之差在规定限差内，则结束检测开始继续该水准线路测量，如果差值仍然超限，说明不止一个检查点发生了变动，整条水准路线资料将作废，则需从前一固定水准点起重新测量。4 精度测试为了综合评价DNA03数字水准仪的性能，徕卡测量系统公司委托我院对该仪器进行了野外测试。测试主要针对线路测量，测试线路上有二等水准点“中环东路”、“亭子浜桥”、“八里村”及I350、I351、I352、I353、I367、I368、I369、I370等23个四等水准点，测试线路单程长度为6公里，跨越五座大中型桥梁。测试按照中华人

16、民共和国国家标准国家一、二等水准测量规范（GB1289797）要求，按照二等水准测量要求，对测试路线进行往返观测。测试前、测试过程中和测试结束后分别三次对DNA03数字水准仪i角进行了检测，检测结果为+5.5²、+3.6²、+4.7²，说明仪器是稳定的。通过我们测试，提供以下建议：1、 我们在测试过程中，观测员由5人交替轮换，对观测结果精度影响甚微。DNA03数字水准仪电子读数自动记录，消除了人工读数误差，司尺员立尺是否迅速竖直成为观测成果质量好坏的重要因素，我们在测试中司尺员采用两根竹杆支撑扶尺，建议在精密水准测量时使用仪器商提供的可调节升降尺撑，更应注意提高扶

17、尺质量和司尺员的素质。2、 测量时调焦清晰程度，只影响测量时间，对测量结果无明显影响。3、 测量时尺子应尽量立在阳光下或全处阴影处，使标尺亮度均匀，否则无法读数。4、 仪器在阳光下观测，应避免向阳方向，否则不能读数。5、 温度变化、外界高温对仪器观测结果影响不明显。我们在测试过程中，适逢高温天气，平均气温36度，对仪器观测没有影响。DNA03数字水准仪往返测观测高差h往、h返及各测段往返测高差不符值D列于下表中，测试精度如下：每公里水准测量的偶然中误差MD=±0.46mm每公里水准测量高差中数的偶然误差h=±0.12mm平差后的精度评定：以二等水准点“中环东路”、“亭子浜桥

18、”、“八里村”为起算，按附合水准线路采用间接平差方法对测试水准线路进行平差计算，平差后最弱点的高程中误差为0.00134米，最大点间的高程中误差为0.00079米。从以上测试精度可以看出，DNA03数字水准仪的实测精度大大高于规范的精度要求。5 结论1） 、 DNA03数字水准仪的实测精度与标称精度相符，完全适用于一、二等精密水准测量；2） 、NA03数字水准仪性能稳定，温度变化对测量结果影响不明显，高温天气下仪器仍可以正常工作，而且对测量结果影响甚微。参考文献 1 张志勇 ZEISS DINI11型数字水准仪及其在地面沉降观测应用中的精度分析 福建省 浙江省测绘学会2000年工程测量专业学术

19、交流论文集。 2 罗官德等 数字水准仪i角检校方法探讨 测绘与信息工程2002年第4期。 3 Leica Geosystems DNA03/DNA10用户手册（中文1.0版）测段名h往(m)测段长L(Km)L2h返(m)往返平均值h(m)往返较差D (mm) DD DD/L中环东路-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-I3521.69396 0.2770.0767-1.69400

20、 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 0.4000.16000.5654I356-I357-0.34540 0.26

21、70.07130.34449 -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- 亭子浜桥1.21990 0.1820.0331-1.21977 1.21984 0.1300.01690.0928亭子浜桥-I362-0.39486 0.1420.02020.39428 -0