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基于数字水准仪的桥上精密水准测量方法研究

发表时间：2020/12/21 来源：《基层建设》2020年第24期作者：高帅帅

[导读] 摘要：随着社会的进步和国民经济的发展，城市化进程不断加快，使桥梁工程建设等领域对水准测量精度提出了更高的要求。

        浙江华展工程研究设计院有限公司浙江宁波 315012
        摘要：随着社会的进步和国民经济的发展，城市化进程不断加快，使桥梁工程建设等领域对水准测量精度提出了更高的要求。数字水准仪属于精密水准测量中的关键仪器设备，本文主要从数字水准仪的测量误差入手，探讨了桥上精密水准测量方法。
        关键词：水准测量；测量误差；数字水准仪
        通过数字水准仪开展桥上精密水准测量工作，能够有效提升测量精度，为桥梁工程建设提供良好的数据支持，优化工程建设质量。然而，在测量实践工作中，如何充分避免水准仪的测量误差，促进其测量精度的进一步提升，值得我们深思。
        1、数字水准仪测量误差
        数字水准仪，亦可称之为电子水准仪，属于一类集光学、电子学、机械学、计算机学以及图像处理学为一体的测绘仪器，不仅具有较高的测量精度和测量速度，而且操作过程较为简单、自动化程度高，所需人为干预较少。数字水准仪从上世纪九十年代初得到逐步推广，目前已经基本实现对传统光学水准仪的取代，是各类水准测量工作中的主要仪器设备。与光学水准仪相比，数字水准仪在测量误差方面要显得更加复杂，具体表现在：
        1.1 i角误差
        i角主要是指水准仪视准轴和水准管水准轴之间夹角在竖直方向平面上的投影。对于数字水准仪来说，其i角可以具体分成两种，即光学i角与电子i角，其中后者对于所获测量结果会形成至关重要的影响。在外业测量实践中，所处外部环境温度、仪器振动、磁场作用以及望远镜调焦等因素都会引发i角的变化。所以，在开展外业测量工作之前，需要依据仪器说明书针对电子i角进行测定与设置，并且在测量过程中针对残余i角加以持续检定，保证残余i角处在所要求等级限差之内。每一次观测作业开始之前，需要提前取出仪器，等仪器温度和所处环境温度一致之后再开始测量工作，在最大程度上缩减外部因素给i角带来的影响。
        1.2补偿器剩余误差
        为实现对补偿器剩余误差的消除，无论是在何种等级的水准测量当中，都要采取以下方式进行观测，奇数站是：后、前、前、后。偶数站是：前、后、后、前。
        1.3条码尺不清晰
        要保证条码尺表面清洁程度，而且没有划痕。如果条码尺表面存在雨水、污渍以及划痕等，会导致水准仪中所配置的图像传感器无法接收正确图像，继而造成非常大的读数误差。
        1.4望远镜调焦过度或不足
        要与条码尺之间对准，保证调焦准确，使图像传感器可以接收到足够清晰的编码图像。如果出现调焦过度或者不足问题，将会导致测量时间被拉长，并且非常可能引发严重的误差。
        1.5条码尺遮挡
        要严格避免条码尺被其他物体遮挡的情况，不然极有可能导致较大读数误差的出现。
        1.6条码尺顶部或底部读数误差
        如果数字水准仪与条码尺顶部或底部对准，图像传感器只会接收到一部分图像信息。与传感器参考点相比，条码尺图像信号呈现为非对称性。而此种图像信号的不对称可能会引发望远镜成像系统或者图像传感器多种误差问题的出现，结果必将造成测量结果误差，严重情况下会导致读数错误。

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所以，在测量实践中，应该尽可能避免通过条码尺顶部或者底部读取数据结果的情况发生。
        1.7条码尺亮度与均匀性
        要确保条码尺呈现出足够亮度。尤其是在光线比较暗的时间和地点应用水准仪，要针对条码尺形成均匀照明，如果出现单方向照明情况，会造成测量结果误差的出现。相关研究表明，在黑暗环境利用普通灯光进行辅助照明的过程中，应用数字水准仪可以跟白天保持同样的测量精度。而在黑暗环境下应用LED光源等与自然光相似的灯光进行照明，其测量结果能够符合二等水准测量要求。光照的整体均匀度会对测量工作形成直接影响，如果条码尺光照均匀度过差，仪器将会自动停止测量活动。
        2、桥上精密水准测量方法
        2.1水准路线布置
        ①对于桥面水准点，需要布置于桥墩固定支座上侧梁端位置，严禁布设于活动支座的情况出现，并且要防止处于桥墩之外的桥梁上方；②桥上水准测量需要通过对路线的反复观测，形成完整的闭合环网；③明确固定仪器的立尺点与测站点位置，同时做好临时标记，结合实际需求尽量在桥墩正上方梁端或者路面等位置安设仪器，而水准尺可以布设于桥墩上方的桥面上，也可以在相邻桥墩跨中位置；④出于对桥梁振动、夜间观测光照较弱等因素的考量，需要合理缩减水准测量过程的视线长度，即仪器测站点和立尺点二者间距，从而保证整体观测效果。
        2.2水准仪校验
        在实践中，应尽量选用精度等级更高的水准仪，同时依据相关规范与使用说明书内容作计量检定与常规校验操作，着重查验仪器i角误差与补偿误差。
        2.3外业观测
        ①要选择合适的观测条件，保证环境温度适中、气流稳定、风力小于4级，并处在平潮期，通常是没有过多车辆通行的凌晨或者夜间；②选用具有完善观测记录计算、存储以及限差验算功能的专业观测软件，实现测站计算与限差验算过程的自动化，同时针对超限观测值加以重新测定处理；③要委派实操经验丰富的观测人员开展外业观测作业，以有效缩减观测时间，同时提升测量精度；④在进行夜间观测的过程中，要通过LED灯针对条形码作照明处理，同时确保亮度的均匀性；⑤要始终确保前后标尺保持相等视距，防止调焦不足、过度调焦等问题的出现；⑥单个测站观测顺序，奇数站是：后、前、前、后。偶数站是：前、后、后、前。
        2.4限差验算
        通过观测软件针对外业观测数据进行记录和计算，同时自动开始观测限差验算过程，在某一误差超出规定范围时，系统会自动报警，提示人员进行重新观测。采取此种观测与限差验算的自动化方法，能够有效降低（甚至消除）由于桥面振动导致观测结果失准的问题。
        结束语：
        总而言之，利用数字水准仪进行桥上精密水准测量需要充分明确各项影响因素，并采取具有针对性的措施避免其所带来的影响，通过技术投入和优化管理提高测量结果的准确性，为桥梁工程建设形成更大的支持，为国家经济建设注入源源不断的活力。
        参考文献：
        [1]贾玥.数字水准测量面临的问题及未来展望[J].科技经济导刊,2019,27(18):61.
        [2]陈卓.浅谈数字水准仪在水文测量中的应用[J].陕西水利,2019(05):211-212+215.
        [3]王海帆.数字水准仪在二等水准测量中的误差来源及分析[J].企业技术开发,2018,37(12):59-61.