Topcon DL-501電子水準(zhǔn)儀在高程控制測量中的應(yīng)用

馬尚男，常春超，李瑤

（1.松遼委水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河 164300；3.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

1 測區(qū)概況

尼爾基水利樞紐位于嫩江干流，壩址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗境內(nèi)，是一座以防洪、城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)供水為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧改善下游航運(yùn)和水生態(tài)環(huán)境，并為松遼流域水資源的優(yōu)化配置創(chuàng)造條件的大型控制性工程。水庫集水面積為6.64 萬km2，占嫩江流域面積的22.4%，總庫容為86.10 億m3，總裝機(jī)為25 萬kW，多年平均發(fā)電量為6.387 億kW·h。

尼爾基水利樞紐庫區(qū)周邊為丘陵地貌，壩址以上河道變窄，兩岸多為灌木叢和灘地，河寬在80.0～350.0 m，河流平均比降在3.0%以上；自壩址以下，河流進(jìn)入平原地帶，河道平緩、寬闊，高水漫灘達(dá)10.000 km 以上，庫區(qū)內(nèi)有2 條主要支流匯入。

測區(qū)平均氣溫自上游向下游、自山區(qū)向平原遞增，年內(nèi)及年際氣溫變化較大。尼爾基站多年平均氣溫為1.5 ℃，極端最高氣溫為39.5 ℃，極端最低氣溫為-40.4 ℃；嫩江站多年平均氣溫為-0.5 ℃，極端最高氣溫為38.1 ℃，極端最低氣溫為-47.3 ℃。

測區(qū)環(huán)境相對惡劣，周邊地勢起伏明顯、坡地多，消耗單站測量時(shí)間長，測量工作難度大；水準(zhǔn)路線需要沿省道、縣道布設(shè)，車輛（尤其是采砂、采石大貨車）穿梭來往多，對測量人員人身安全構(gòu)成很大威脅。

因尼爾基水利樞紐庫區(qū)新建水位站水準(zhǔn)點(diǎn)高程尚未測定，導(dǎo)致庫尾水位無法觀測，不能及時(shí)準(zhǔn)確掌握庫區(qū)內(nèi)水位變化規(guī)律，這對尼爾基水庫庫容及對應(yīng)各類指標(biāo)產(chǎn)生很大影響，因此，測定庫區(qū)水位站水準(zhǔn)點(diǎn)高程工作非常重要。此次采用Topcon DL-501電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行二等水準(zhǔn)測量，水準(zhǔn)路線長度約為11.000 km，采用基面為1985國家高程基準(zhǔn)。

2 電子水準(zhǔn)儀簡介

電子水準(zhǔn)儀即數(shù)字水準(zhǔn)儀，它在傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)上，把電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)融入到一起，是可進(jìn)行幾何水準(zhǔn)測量的現(xiàn)代化測量儀器[1]。主要特點(diǎn)：1）讀數(shù)準(zhǔn)確，避免了人為誤讀、誤記對測量成果造成的影響；2）測量精度高，標(biāo)尺和視距讀數(shù)均采用條碼分劃影像計(jì)算平均值得出，電子水準(zhǔn)儀可設(shè)置多次讀數(shù)取平均值；3）測量速度快、效率高，只需瞄準(zhǔn)調(diào)焦和按鍵就可以自動讀取計(jì)算，減少了人力、物力投入，實(shí)現(xiàn)了自動化測量，測量效率較傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀得到很大提高；4）測量數(shù)據(jù)將自動存儲至儀器內(nèi)存或外置內(nèi)存中，不需要紙質(zhì)記錄或其他媒介。

DL-501 電子水準(zhǔn)儀的技術(shù)參數(shù)：高程測量精度為0.20 mm（電子讀數(shù)）、1.00 mm（光學(xué)讀數(shù)）；距離的測量精度（電子讀數(shù)），距離在10.00 m 以內(nèi)的取小于10.00 mm，距離為10.0～50.0 m 的取小于0.1%D（D為測量距離），距離為50.0～100.0 m 的取小于0.2%D；測量高程范圍為0.037 5～1.930 5 m（使用BIS20 標(biāo)尺），距離測量范圍為1.6～100.0 m（電子讀數(shù)）；望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為32 倍，分辨率為3″，視場角為1°20′（2.3 m/100.0 m），視距加常數(shù)為0；自動補(bǔ)償器采用磁阻尼擺式補(bǔ)償器，補(bǔ)償范圍為12′，補(bǔ)償精度為0.3″；數(shù)據(jù)內(nèi)存可存儲1 000點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，外部可接存儲SD 卡或USB 盤；圓水準(zhǔn)器靈敏度為8′/2.00 mm；工作溫度為-20.0～50.0 ℃；水平度盤最小刻度值為1；水準(zhǔn)標(biāo)尺為銦鋼尺，測量范圍為37.50～2 972.50 mm。

3 水準(zhǔn)測量操作規(guī)程

3.1 準(zhǔn)備工作

在開始水準(zhǔn)測量之前，要全面做好測量工具的準(zhǔn)備和外業(yè)測量人員的配置。外業(yè)測量工具主要包括Topcon DL-501 電子水準(zhǔn)儀1 臺、備用電池1 個(gè)、三腳架1 支、電子水準(zhǔn)儀專用尺墊2 個(gè)、RAB 條碼尺1 對、皮尺1 卷、反光警示背心若干。人員配置方案是4 人1 組，2 人扶尺，1 人觀測，1 人量距。

3.2 儀器測量參數(shù)的設(shè)置

測量前，需對DL-501電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行設(shè)置：起始點(diǎn)高程設(shè)置為220.0 m（以實(shí)際高程為準(zhǔn)），起始點(diǎn)名稱設(shè)為NF2（以國家點(diǎn)實(shí)際名稱為準(zhǔn)或自命名），測量等級為二等，設(shè)置往返測次，每個(gè)讀數(shù)的次數(shù)設(shè)置為精測3 次，觀測順序設(shè)置為aBFFB 代碼，表示后前前后，高程及距離顯示位數(shù)分別設(shè)置為0.01 mm，0.1 m，視距長和視線高上限值分別設(shè)置為50.0和2.5 m，前后視距差和視距累計(jì)差限值均設(shè)置為1.0 m。

3.3 水準(zhǔn)測量基本技術(shù)要求

不同測量等級的水準(zhǔn)測量高差的基本精度指標(biāo)一般以每千米高差中數(shù)偶然中誤差M△與每千米高差中數(shù)全中誤差MW進(jìn)行衡量。二等水準(zhǔn)測量的基本技術(shù)要求[2]：M△為±1.00 mm，MW為±2.00 mm；測段、區(qū)段、路線往返測高差不符值為4k（k為測段、區(qū)段或路線長度，km）；附合路線閉合差為4L（L為附合路線長度，km）；環(huán)閉合差為4F（F為環(huán)線長度，km）；檢測已測測段高差之差為6R（R為檢測測段長度，km）。

3.4 外業(yè)測量

電子水準(zhǔn)儀二等水準(zhǔn)測量的操作步驟：先在測站架設(shè)好儀器，保持三腳架及儀器穩(wěn)固，然后整平儀器，轉(zhuǎn)動目鏡并繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，圓水準(zhǔn)氣泡必須始終處于指標(biāo)環(huán)中央位置，不可偏離；瞄準(zhǔn)后視標(biāo)尺，用豎絲對準(zhǔn)標(biāo)尺條碼中央，精準(zhǔn)調(diào)焦后使條碼影像顯示清晰，按下測量鍵開始測量和讀數(shù)；轉(zhuǎn)動目鏡，對準(zhǔn)前視標(biāo)尺調(diào)焦，直至條碼影像清晰可見，按測量鍵開始測量和讀數(shù)；再次對準(zhǔn)前視標(biāo)尺進(jìn)行調(diào)焦，直至條碼影像清晰可見，按下測量鍵開始測量和讀數(shù)；旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡再次對準(zhǔn)后視標(biāo)尺條碼中央，精準(zhǔn)調(diào)焦后至條碼影像清晰可見，按測量鍵進(jìn)行測量和讀數(shù)，測站成果檢驗(yàn)通過后再遷站。

4 控制網(wǎng)測量成果及精度評定

高程控制網(wǎng)測量成果見表1。平差后M△為0 m，限差為1.00 mm，合格；平差后MW為0 m，限差為2.00 mm，合格；平差后最大中誤差為0 m，點(diǎn)位為1；平差后最大相鄰點(diǎn)中誤差為0 m；相鄰點(diǎn)起點(diǎn)為NF2，相鄰點(diǎn)終點(diǎn)為1。

表1 高程控制網(wǎng)測量成果表

5 注意事項(xiàng)

1）電子水準(zhǔn)儀帶有自動安平的圓水準(zhǔn)器，須將其嚴(yán)格置平。在各測站架設(shè)三腳架時(shí)，應(yīng)使其中兩腳與水準(zhǔn)路線平行，第三腳在水準(zhǔn)路線方向左側(cè)與右側(cè)交替變換。

2）在同一測站上觀測時(shí)，不允許二次調(diào)焦。

3）各測站儀器與前、后視標(biāo)尺應(yīng)保持在一條直線上，路線轉(zhuǎn)彎處除外。嚴(yán)禁把尺墊放置在坑內(nèi)。

4）二等水準(zhǔn)測量應(yīng)依次進(jìn)行所有測段的往返測量，且每段測量必須沿著同一水準(zhǔn)路線進(jìn)行，每測段往返測站數(shù)均為偶數(shù)。往返測量轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)將標(biāo)尺位置對調(diào)，并重新架設(shè)整平儀器。

5）應(yīng)在最后一站選擇兩個(gè)穩(wěn)固可靠、方便立尺的固定點(diǎn)作為測量間歇點(diǎn)，且對間歇點(diǎn)進(jìn)行檢查，看是否符合限差要求，如果超出限差，應(yīng)重新調(diào)整儀器再檢查，若仍超出限差，則必須從前一固定水準(zhǔn)點(diǎn)起測。

6）若標(biāo)尺反光過強(qiáng)，可左右旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺來減少反射光照強(qiáng)度。

7）在弱光環(huán)境下測量時(shí)，可用手電筒或帶有手電筒功能的手機(jī)對標(biāo)尺進(jìn)行輔助照明，照明設(shè)備應(yīng)距標(biāo)尺適當(dāng)距離以使光照均勻。

6 測量誤差分析

1）視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸不平行

電子水準(zhǔn)儀在測量中存在著i角誤差（i角為水準(zhǔn)儀的視準(zhǔn)軸在垂直方向與水準(zhǔn)軸的夾角），為了消除i角誤差影響，應(yīng)保持前、后視距大致相等。

2）大氣折光對測量的影響

因前、后視線高度不同，前、后視讀數(shù)相減所得到的高差就會受到大氣折光的影響，因此，應(yīng)保持前、后視距盡量相等，并且使視線離地面有足夠的高度，可以有效減弱大氣折光對觀測高差的影響。

3）光線變化對測量的影響

受自然條件因素的影響，條碼尺的尺面反射光和儀器單位時(shí)間內(nèi)接收的光通量是隨時(shí)變化的，因此，應(yīng)選擇光線相對柔和、均勻的時(shí)段進(jìn)行測量，盡量避免強(qiáng)光、逆光、傍晚弱光。

4）震動對測量的影響

電子水準(zhǔn)儀內(nèi)部元件對測點(diǎn)周圍環(huán)境震動非常敏感，當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生震動時(shí)，視準(zhǔn)線會變得極不穩(wěn)定，造成目鏡內(nèi)影像跳動，因此，當(dāng)測區(qū)附近有車輛穿梭或風(fēng)力超過3 級時(shí)，不建議開展或暫停外業(yè)水準(zhǔn)測量工作。

5）標(biāo)尺安置質(zhì)量對測量的影響

立尺不正也會對測量精度產(chǎn)生影響。水準(zhǔn)測量中，標(biāo)尺安置必須與水平面垂直，即水準(zhǔn)氣泡位于水準(zhǔn)環(huán)范圍內(nèi)，以減少對測量精度的影響。

6）磁場對測量的影響

電子水準(zhǔn)儀在工作中，內(nèi)部的精密電子元件會受到周圍磁場干擾，導(dǎo)致水準(zhǔn)測量過程中產(chǎn)生誤差，因此，在進(jìn)行外業(yè)水準(zhǔn)測量時(shí)，應(yīng)避開強(qiáng)磁場區(qū)域。

7）儀器的維護(hù)對測量的影響

電子水準(zhǔn)儀屬于精密儀器，為了減小測量誤差，要定期對儀器進(jìn)行保養(yǎng)和檢查，包括i角檢驗(yàn)、圓氣泡檢驗(yàn)、十字絲檢驗(yàn)、條碼標(biāo)尺的保養(yǎng)檢查等。

7 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀來講，電子水準(zhǔn)儀具有測量速度快、測量精度高、測量數(shù)據(jù)自動計(jì)算存儲等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上節(jié)省了人力、物力，提高了工作效率，為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供重要技術(shù)支撐；Topcon DL-501 電子水準(zhǔn)儀在尼爾基水利樞紐高程控制測量中的成功應(yīng)用，也充分驗(yàn)證了電子水準(zhǔn)儀在較長水準(zhǔn)路線中應(yīng)用的可行性，為以后同類儀器在不同領(lǐng)域的使用積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。