电子水准仪设计毕业设计论文.docx
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电子水准仪设计毕业设计论文
目录
1.绪论1
1.1概述1
1.2电子水准仪的发展1
1.3研究的目的及意义2
1.4研究内容2
1.5研究技术路线2
2.高程控制测量2
2.1高程控制测量与水准测量2
2.2水准测量设计规格3
2.3水准测量基本技术要求3
3.电子水准仪4
3.1电子水准仪测量系统组成及工作原理4
3.2DL-201电子水准仪的结构部件及技术指标5
3.2.1DL-201电子水准仪的结构部件5
3.2.2DL-201电子水准仪的技术指标5
3.3电子水准仪的特点6
3.3.1电子水准仪的共同特点6
3.3.2DL-201电子水准仪的具体特点6
3.4电子水准仪使用范围7
3.5电子水准仪在测量中的误差来源7
3.5.1视准轴与水准轴不平行的误差(i角误差)7
3.5.2大气折光对测量的影响8
3.5.3光线强弱变化对测量的影响8
3.5.4调焦质量对测量的影响。
8
3.5.5震动对测量的影响8
3.5.6标尺安置质量对测量的影响9
3.5.7磁场对测量的影响。
9
3.5.8正确使用、保养和检查仪器对测量的影响。
9
4.利用电子水准仪进行二、四等闭合水准路线测量9
4.1二等水准路线测量9
4.1.1水准路线9
4.1.2准备工作9
4.1.3仪器的校检10
4.1.4仪器参数设置10
4.1.5观测步骤10
4.1.6观测要求及注意事项11
4.2四等水准路线测量12
4.2.1水准路线12
4.2.2准备工作12
4.2.3仪器的校检12
4.2.4仪器参数设置12
4.2.5观测步骤13
4.2.6四等水准测量观测要求及注意事项13
4.3成果的重测和取舍13
4.4观测过程中遇到的问题及解决方法14
5.利用光学水准仪进行二、四等水准测量15
5.1水准路线15
5.2准备工作15
5.2.1测量工具准备及人员配置15
5.2.2限差要求15
5.3观测步骤15
5.4观测要求及注意事项16
5.4.1二等水准观测要求及注意事项16
5.4.2四等水准测量测要求及注意事项17
6.内业处理17
6.1DL-201水准仪数据格式18
6.2数据处理19
6.2.1起始数据:
19
6.2.2闭合差19
6.3精度评定19
6.4高差平差19
7.电子水准仪与光学水准仪的测量成果对比20
8.总结21
参考文献22
致谢23
附录一:
24
附录二:
38
附录三:
52
附录四:
53
1.绪论
1.1概述
几何水准测量在高程控制测量中占有很重要的地位,迄今为止,在测定水准点高程的方法中,几何水准测量的方法是测量工作中最精确,应用最广泛的,虽然后面出现了三角高程测量、GPS高程测量等能快速获得水准点高程的方法,但精度没有几何水准测量的高,所以在一些高精度高程控制测量中,几何水准测量仍发挥着巨大的作用。
水准测量工作中所使用到的核心工具为水准仪,水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。
原理为根据水准测量原理测量地面点间高差。
按结构分为微倾式水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和电子水准仪(又称数字水准仪)。
电子水准仪具有操作简便、读数客观、作业劳动强度低、精度高、测量速度快并且易实现内外业一体化的特点,所以它被推出市场后很快受到业内人士的青睐。
电子水准仪主要用于中精度和高精度水准测量范围,分为两个精度等级,中等精度的标准差为:
1.0-1.5mm/Km,高精度的为:
0.3--0.4mm/Km。
1.2电子水准仪的发展
17~18世纪,望远镜和水准器的出现促使了水准仪的发明。
20世纪初,人们在制出内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪,50年代初发明了自动安平水准仪。
从1963年起,近30年时间人们都在研究如何使水准仪读数自动化。
蔡司厂研制的RENI002A,可以使测微器自动读数,但粗度数仍然需要人工读出,和精读数一起存入存储器,跟真正的电子水准仪还有一定差距。
随后又有人利用激光扫平仪和带探测的水准标尺,可以使读数由标尺自动记录,但是这种结果远远达不到精密几何水准测量的要求,因此也没有解决水准测量读数自动化的问题。
1990年数字水准仪NA2000被威特厂研制出来,其中包含着大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一技术,使测量仪器从精密光机仪器过渡到了光机电测一体化,。
同年徕卡公司生产出了第一台数字电子水准仪,随后成功地实现了数据采集的自动化,即水准标尺的精密照准、标尺分划读数和视距的读取、数据储存和处理等
1994年蔡司厂研制出了型号为DiNi10/20的电子水准仪,同年拓普康厂也研制出型号为DL101/102的电子水准仪。
这使得电子水准仪将在测绘行业得到广泛应用,市场竞争也随之激烈起来。
现在常用的产品有徕卡DNA03,拓普康DL-101、DL-102,Trimble的DiNi12、天宝TBS还有国内南方测绘公司DL系列、苏一光EL20系列等电子水准仪。
目前有一方案将CCD/CMOS技术、图像信息处理技术、DSP技术、嵌入式软件技术有机整合在一体制成具有最高运算速度及性能的嵌入式软硬件---DSP处理器,用以解决电子水准仪的自动读、记数据;采用组织神经元网络模型进行条码模式智能识别,可做到仪器对条码标尺的通用性。
1.3研究的目的及意义
目的是掌握电子水准仪的测量原理及其使用方法,对电子水准仪的性能和技术参数有所了解,研究其在高程控制测量范围内水准测量中的应用,对电子水准仪在该领域的用途有所认识,以便在以后的实际测量工作中有所帮助。
其意义在于利用电子水准仪进行高精度水准测量研究,将电子水准仪广泛用于高程测量,测定高程控制点,建立高程控制网,为工程建筑方面等方面提供测绘保障。
与光学水准仪进行水准测量的相对比,突出电子水准仪在控制测量中的特点。
1.4研究内容
了解电子水准仪测量系统组成及工作原理
掌握仪器性能、基本技术参数、误差来源
电子水准仪在水准测量测量工作中功能设置、数据采集、数据存储、数据输出等。
通过对外业的数据采集、处理、分析等过程、对电子水准仪的功能与特点进行进一步的熟悉与了解。
1.5研究技术路线
熟悉电子水准仪的使用方法和基本性能掌握误差来源在测区布设水准点外业施测内业数据处理与光学水准仪测量成果作对比
熟悉仪器的按键操作及功能,了解电子水准仪观测中的误差的影响因素。
合理布设水准点,利用电子水准仪进行二、四等闭合水准路线测量。
将采集的数据从仪器内存中导出,进行数据格式分析,数据检查,数据处理。
平差结束后与光学水准仪测量成果进行对比,对电子水准仪在高程控制测量中的应用进行总结。
2.高程控制测量
2.1高程控制测量与水准测量
高程控制测量的主要任务就是按照规范要求在测区布设水准点,用精确方法测定它们的高程,构成高程控制网。
高程控制测量分为水准测量、光电测距三角高程测量和GPS高程测量等。
水准测量又叫“几何水准测量”,是用水准仪和水准标尺测定地面上两点间高差的技术方法。
在地面两点间架设并置平水准仪,观测安置在两点上的水准标尺读数a、b,利用公式Ha+a=H+b(Ha、Hb分别为两点高程)计算两点间的高差。
一般由水准原点或任一已知高程点开始,沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。
水准测量的等级依次分为二、三、四、五等。
2.2水准测量设计规格
四等以上水准网中最弱点的高程中误差(相对于起算点)应≤±20mm。
表1各等水准测量设计规格单位为千米
设计项目
地区/等级
距离
水准点间距离
(测段长度)
建筑区
1~2
其他地区
2~4
水准环线或附合于高级点间水准路线的最大长度
二等
400
三等
45
四等
15
五等
12
2.3水准测量基本技术要求
各等水准测量高差的基本精度指标一般以每千米高差中数偶然中误差M△与每千米高差中数全中误差MW进行衡量。
表2各等水准测量的基本技术要求单位为毫米
等级
每千米高差中数中误差
测段、区段、路线往返测高差不符值
测段、路线的左右路线高差不符值
附和路线或环线闭合差
检测已测段高差之差
偶然中误差
全中误差
M△
Mw
平地、丘林
山地
二等
±1.0
±2.0
±4√Ls
__
±4√L
±6√Li
三等
±3.0
±6.0
±12√Ls
±8√Ls
±12√L
±15√L
±20√Li
四等
±5.0
±10.0
±20√Ls
±14√Ls
±20√L
±25√L
±30√Li
五等
±7.5
±15.0
__
__
±30√L
__
±40√Li
3.电子水准仪
3.1电子水准仪测量系统组成及工作原理
电子水准仪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、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。
电子水准仪又称数字水准仪,它是以传统光学水准仪为基础,应用现代电子技术和微型传感器等先进工艺发展起来,融电子技术、图像处理技术、计算机技术于一体,能够进行几何水准测量的数据采集与处理的仪器。
它利用数字图像处理技术,人工完成照准和调焦之后,把由条纹标尺进入望远镜的条码分划影像,成象在光电传感器,即线阵CCD器件上,利用图像处理技术通过识别标尺条形码来获得读数。
如果配套使用光学水准标尺,电子水准仪又可以按照光学自动安平水准仪的操作程序来使用。
不过由于没有光学测微器,当成普通自动安平水准仪使用时,其精度不如电子测量的精度高,特别是精密电子水准仪。
条形编码
数字图像
光电传感器
图像处理
计算
锁定译码
数据液晶显示
结果
数据查核
图1电子水准仪测量原理流程图
3.2DL-201电子水准仪的结构部件及技术指标
3.2.1DL-201电子水准仪的结构部件
图2DL-201电子水准仪
1.电池2.粗瞄器3.液晶显示屏4.面板5.按键6.目镜7.目镜护罩8.数据输出插口9.圆水准器反射镜10.圆水准器11.基座12.提柄13.型号标贴14.物镜15.调焦手轮16.电源开关17.水平微动手轮18.水平度盘19.脚螺旋
3.2.2DL-201电子水准仪的技术指标
表3DL-201电子水准仪技术参数
高程测量精度(每公里往返测)
电子读数
1.0mm
光学读数
2.0mm
距离测量精度
电子读数
D≤10m:
10mm;D>10m:
D*0.001
测程
电子读数
1.5m~100m
最小显示
高差
1mm/0.1mm
距离
0.1/1cm
望远镜
放大倍率
32×
分辨率
3″
视场角
1°20′
视距乘常数
100
视距加常数
0
补偿器
类型
磁阻尼摆式补偿器
补偿范围
>±12′
补偿精度
0.30″/1′
数据储存
内存
16MB
点号
递增/递减/自定义
接口
USB
外部存储
SD卡
圆水准器灵敏度
8′/2mm
自动断电
5分钟/OFF
水平度盘
刻度值
1
显示器
带照明的160*64点阵液晶
测量时间
一般条件下小于3秒
尺寸
230mm(长)×150mm(宽)×210mm(高)
重量
2.5kg
工作温度
-20℃~50℃
3.3电子水准仪的特点
3.3.1电子水准仪的共同特点
1)读数比较客观。
消除了误读、误记等人为读数误差对测量成果的影响。
2)精度高。
标尺读数和视距读数都是采用条码分划影像经图像处理后取平均值得出来的,因此削弱了标尺分划误差的影响。
一般电子水准仪都有进行多次读数取平均值的功能,可以使显示读数更加准确。
3)速度快。
由于省去了读、记、检核计算的步骤以及人为操作失误或计算错误导致重测的情况,测量时间与传统仪器相比可以节省1/2左右。
4)效率高。
只需瞄准调焦和按键就可以自动读数、记录,检核,并能使用自带程序进行现场计算,使劳动强度大大减小,实现了内外业一体化。
5)自动存储。
观测数据可存储到仪器内存或SD卡中,无需纸质记录。
3.3.2DL-201电子水准仪的具体特点
DL系列造型轻巧便捷、内置功能齐全、操作界面易于识别,有各种信息提示,很大程度方便了实际测量中的操作。
1)可切换输入法。
在输入状态下,可输入数字、大小写字母及常用标点符号。
2)测量模式分为标准测量模式、高程放样模式、线路测量模式,线路测量模式又可分为后前前后、后后前前、后前等几种顺序的测量。
在仪器中设置规范要求的测量限差值,仪器可自动判断是否超过限差,超限时,提示重测,能自动计算线路闭合差、视距累计差等。
3)可以设置观测次数、自动求平均值,具有统计测量误差功能。
4)DL系列有两种记录模式:
即直接存入仪器自身内存中,也可存入仪器可插拔的SD卡中。
5)不但可以进行自动测量(用条码标尺),而且可以进行人工读数(普通标尺)。
6)保存在仪器内部的测量结果可以在仪器上用上下翻页键进行查阅,屏幕亮度可按情况进行调整。
7)具有高程放样和测量水准支点的功能。
8)有倒置标尺功能,适合于天花板、地下水准测量。
9)当测量键不能使用时,可输入人工测量的高程和平距读数,以使线路水准测量程序能继续进行。
10)DL系列具有独立的测距功能可方便地用于前、后视距离测量。
11)标尺为等间距分划,可以对照普通水准标尺一样,检验它的分划误差。
12)仪器自身带有i角检验程序,可在测量过程中实时进行i角检验。
3.4电子水准仪使用范围
电子水准仪主要用于高等级水准测量和高精度的工程测量。
其主要应用范围如下表:
表4电子水准仪的主要应用范围
测量内容
应用范围
国家级一、二等水准测量
固定高程测量
检测构筑物负荷精密量测及沉降观测
变形观测
机器、轴颈、轴承、底座表面、地基及设备安装等
工业精密设备安装测量
实时联机操作,连线自动测量
控制精密连续测量
3.5电子水准仪在测量中的误差来源
3.5.1视准轴与水准轴不平行的误差(i角误差)
光学水准仪和电子水准仪在测量中都存在着i角误差对成果精度的影响。
为了消除i角误差对后视读数减去前视读数所得的高差的影响,可保持前后视距基本相等,DL-201水准仪可以自动控制前后视距差及累计差限差,即:
输入各项限差及当超限时可以提示。
3.5.2大气折光对测量的影响
如前后方向视线距离地面的高度不同,则视线所在空气层的密度也不一样,导致前后视线弯曲程度也就不同,前后视读数相减所得到的高差就会受到大气折光的影响,尤其是在一个坡度较长的路段时,由于前后视线距离地面的高度相差更大,大气折光对观测质量的影响尤其明显。
保持前后视距尽量相等并且使视线离地面有足够的高度,可以有效减弱大气折光对观测高差的影响。
DL-201电子水准仪可以在条件参数中设置最低视线高,在测量过程中如果视线高低于设置的最低视线高时会出现超限提示,从而提醒测量员架高仪器,增加仪器距离地面的高度。
3.5.3光线强弱变化对测量的影响
水准测量的过程中,电子水准仪观测质量受光线强弱变化的影响很大。
电子水准仪内部元件不但对光线变化要求较高,对光线强度也十分敏感,测量过程中受太阳光线、空气、云层密度及瞄准方位等因素的影响,条形码尺的尺面反射光和仪器单位时间内接收的光通量是随时变化的。
由于电子水准仪的CCD图像传感器有效将图像转换为点信号的光线强度范围有限制,对采样范围内的亮度不均匀的条形码群体来说,很容易影响测量精度。
因此,利用电子水准仪进行测量时,要充分考虑到环境周围光线强度变化对仪器的影响,要选择时间对称的上午、下午,光线相对温和、均匀的时段进行观测,尽量避免在强光、逆光的情况下进行观测,防止光线太强或太弱给测量精度带来的影响。
3.5.4调焦质量对测量的影响。
水准测量过程中,也必须注意物镜、目镜调焦质量对测量的影响。
只有将标尺影像准确的成像在分划板或CCD传感器上,才能准确地反映读数值,不管是电子水准仪或光学水准仪。
否则,如果调焦不清晰,导致影像模糊,电子水准仪自动测量就会发生测量错误或无信号。
3.5.5震动对测量的影响
电子水准仪内部安有自动安平装置,补偿器的有效使用容易受到由于交通、天气状况等影响,导致视准线和标尺的不稳定。
电子水准仪内部元件对周围环境震动非常敏感,当周围环境发生震动时,视准线会变得非常不稳定,造成目镜内影像跳动。
所以,测量时尽量要选择地面基础稳定的地方架设仪器和标尺,等到仪器沉降稳定后才能进行观测,避免在大型车辆通过或空气流动强烈引起空气振动时进行测量。
3.5.6标尺安置质量对测量的影响
在观测过程中,当条形码标尺位于望远镜可观测范围内的尺面刻划被障碍物遮挡后,CCD的传感器就因为采样数据不足而产生读数不够精确或出现无信号的状况。
所以在观测过程中应尽量避免标尺被障碍物遮挡的现象。
另外,立尺不正也会对测量精度产生影响。
水准测量中标尺安置必须与水平面垂直是基本要求,但是实际作业中却无法完全做到,为此条形码标尺在上、中、下分别安置了与水准仪精度相匹配的水准仪,以水准器泡位于水准环范围内为参考,保证标尺的垂直程度,以减少对测量精度的影响。
3.5.7磁场对测量的影响。
电子水准仪为电子仪器,仪器内部的电子元件或多或少会受到周围磁场的干扰影响,导致观测过程中产生误差,所以在进行路线水准测量时,尽量避开强磁场区域。
3.5.8正确使用、保养和检查仪器对测量的影响。
使用电子水准仪时,不仅要按照说明书规范要求作业,还要定期对仪器进行保养和检查,常规的检查有i角检验、圆气泡检验、十字丝检验等,还必须对电子元件完好性、安全性进行定期检验。
另外对标尺的保养也是必不可少的的,一旦条形码标尺的条形码刻划受到损坏,观测过程中测量读数就会产生误差。
因此,若要正确使用电子水准仪,就必须熟悉电子水准仪使用要求,熟练掌握仪器的操作步骤,同时注重仪器的保养和检验。
4.利用电子水准仪进行二、四等闭合水准路线测量
4.1二等水准路线测量
4.1.1水准路线
二等水准路线:
工程学院—同志街—自由大路—新民广场-工农大路—同志街—工程学院
在工程学院一教左上角、工程学院正门口、新民广场、工农大路与同志街交汇处各设一个水准点,以一教左上角水准点作为起始点。
4.1.2准备工作
测量工具准备及人员配置
测量工具:
DL-201电子水准仪一台仪器脚架一个尺垫两个条码尺一套钢尺一把
人员配置:
四人为一组两人立尺一人观测一人量距
4.1.3仪器的校检
1)在距离50m两端立尺,标记为A、B,中间架设三脚架安置仪器。
2)开机进入校检模式,选择方法类型,输入作业号按【ENT】。
3)瞄准A尺按测量键,显示“Aa”,在瞄准B尺按测量键,显示“Ab”。
4)将仪器迁至离A尺3m处,照准A尺测量显示“Ba”,照准B尺显示“Bb”。
5)显示改正值。
继续校检按【ENT】。
4.1.4仪器参数设置
开机按【SET】进入参数设置模式,按提示选择并输入各种限差数值。
仪器设置:
1)设置测量高程单位为“m”。
2)设置最小读数单位:
二等水准测量为“0.1mm”。
3)设置点号模式为“递增”。
4)设置时间格式为“24h制”。
5)求平均数测量次数设置为“3次”。
仪器限差参数设置:
1)视距限长:
,二等水准为“50m”。
2)视线高最低为“0.8m”。
3)前后视距差限差:
二等水准为为“1m”。
4)前后视距差累积限差:
二等水准为“3m”。
5)两次读数高差之差限差:
二等水准为“0.0005m”。
作业设置:
1)建立作业文件名:
二等水准测量文件名“1142”。
2)测量模式为“线路测量模式“中的“aBFFB”模式。
(二等水准测量应进行返测)
3)起始点参考高程为“220m”。
4)起始点名“B01”。
4.1.5观测步骤
1)在测站架立仪器,整平使圆水准气泡符合圆水准气泡符合。
2)瞄准后视标尺,用竖丝照准标尺条码中央,精确调焦使条码影像清晰,按测量键(MEAS)开始读数。
3)照准前视标尺调焦,按测量键读数。
4)再照准前视标尺调焦,按测量键读数。
5)照准后视精确调焦,按测量键读数。
此为奇数站观测顺序,偶数站观测应将前后视对调。
4.1.6观测要求及注意事项
观测要求:
1)观测前,应将仪器放置到露天荫凉下,使仪器与外界气温趋于一致;设站时,须打伞遮挡阳光;迁站时,应将仪器罩以仪器罩。
2)电子水准仪带有自动安平的圆水准器,须将其严格置平。
在各测站上架设水准仪的三脚架时,应使其中两脚与水准路线的方向平行,而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。
3)路线转弯处除外,每一测站上仪器与前后视标尺的三个点,应尽量接近一条直线。
禁止为了使标尺读数增大,而把尺垫安置在壕坑中。
4)同一测站上观测时,不得进行二次调焦。
转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋时,其最后旋转方向,均应为旋进。
5)二等水准测量往返测应沿相同道路进行。
先进行所有测段的往测,然后再进行所有测段的返测,每测段往返测测站数均应为偶数。
由往测转为返测时,应将两尺位置对调,并重新架设仪器并整平。
6)在点位高差较大的地区,应选用材料性能稳定、偏差较小的水准标尺作业。
7)观测间歇时,测量工作尽量在固定水准点上结束。
如不可能,应在最后一站选择两个固定可靠,易于立尺的固定点作为间歇点。
如无固定点,则将对最后两站的转点做妥善处理,作为间歇点。
间歇结束应对间歇点进行检查,看是否符合限差要求,如果超出限差,可重新整置仪器再检查,若仍超出限差,则比须从前一固定水准点起测。
8)在观测水准点以及其他固定点时,须仔细查对该点的位置、编号和点名是否与计划的点信息相符。
注意事项:
避免望远镜迎强光或逆光进行观测;尽量避免视线被其他物体遮挡,遮挡不要超过标尺在望远镜中长度的百分之二十;测量时避免周围环境强烈的震动。
在使用说明规定的环境范围内使用仪器,
4.2四等水准路线测量
4.2.1水准路线
四等水准路线:
工程学院-同志街-工农大路-南湖大路-延安大街-新民广场-自由大路-工程学院
在工程学院一教左上角、工程学院正门口、新民广场、工农大路与同志街交汇处各设一个水准点,以工农大路与同志街交汇处水准点作为起始点。
4.2.2准备工作
测量工具准备及人员配置
测量工具:
DL-201电子水准仪一台仪器脚架一个尺垫两个条码尺一套
人员配置:
四人为一组两人立尺一人观测一人量距
4.2.3仪器的校检
1)在距离50m两端立尺,标记为A、B,中间架设三脚架安置仪器。
2)开机进入校检模式,选择方法类型,输入作业号按【ENT】。
3)瞄准A尺按测量键,显示“Aa”,在瞄准B尺按测量键,显示“Ab”。
4)将仪器迁至离A尺3m处,照准A尺测量显示“Ba”,照准B尺显示“Bb”。
5)显示改正值。
继
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