数字水准仪测量精度受空气湿度影响分析.pdf

Mar.2023PLATEAU EARTHOUAKE RESEARCH2023年3月Vol.35 No.第3 5 卷期第高原地震数字水准仪测量精度受空气湿度影响分析郑勇，丁宁，党昊，林鹏（中国地震局第二监测中心，陕西西安710054)摘要：以地震科学考察项目、鄂尔多斯项目、大华北地区项目区域精密水准测量成果为依据，分析数字水准仪在实际测量中的主要误差来源及消除或者减弱的技术措施和方法，重点探讨空气相对湿度对成果精度的影响。分析发现主流数字水准仪测量成果精度在一定程度上受自然条件中的湿度影响，但目前还没找到合适技术手段去削弱，以待后续研究。关键词：数字水准仪；误差；相对湿度中图分类号：P315.72*5文献标识码：A文章编号：1 0 0 5-5 8 6 X(2023)01-0048-060引言在地形变监测研究中，区域精密水准测量是主要观测手段之一，发挥着重要作用。目前区域精密水准测量主流使用数字水准仪包括Trimble（天宝）、Topcon（拓普康）、Sokkia（索佳）等，而影响测量成果精度的误差主要来源有三个方面：系统误差、人为误差、自然环境因素1 等。系统误差、人为误差是研究的热点，自然环境因素影响也有人做过研究，但是不够系统，截止目前还未有做过自然环境因素中空气湿度对测量成果精度影响的分析，因此认为在这方面有必要做一些探究工作。研究中发现湿度是影响观测精度中的一个重要因素，目前积累了很多观测资料，但在这方面还未进行深人研究，因此本文对这项工作进行研究，研究结果为观测资料应用研究提供借鉴。1数字水准仪1.1概述数字水准仪，又称为电子水准仪，是一种集光学、机械、电子、数字图像处理和计算机等多种技术于一体的高科技测绘仪器，具有测量精度高、速度快、操作简便、人工干预少、劳动强度低、自动化程度高和内外业一体化等显著优点。自1 9 9 0 年面世以来，数字水准仪已在测绘生产实践中得到广泛应用。目前，已基本上取代了传统的光学水准仪，成为各等级水准测量的主要仪器。1.2工作原理数字水准仪具有与光学水准仪相同或相似的光学和机械结构，本文以TrimbleDiNi03数字水准仪为例，如图1 所示。数字水准仪测量系统由条码水准标尺、望远镜、补偿器、分光镜、CCD传感器2.3、微处理器、图像和数据处理软件等组成。其工作原理是条码标尺经过光反射，光束经过分光镜后分成两路，一路直接成像在十字丝分划板上供目镜观测，一路成像到线阵CCD传感器上供电子读数。CCD传感器是一种高灵敏度的光敏装置，也是一种图像采集处理系统。传感器接收到光信号后，可将光信号转换成电信号，然后由模数转换器（C/D)将模拟信号转换成数字信号供处理器处理输出。当水准标尺的编码影像被CCD接收到后，将进行阅读和处理，由编码影像一步步转换成测量数据结果。电子读数是将条码标尺的影像作为测量目标，CCD将光学信号转换为模拟电信号，再将模拟信号转换为数字信号，形成的测量信号与CCD内存的参考信号（标准信号）进行比对，从而实现自动测量读数。收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 1作者简介：郑勇（1 9 8 8 一），男，陕西咸阳人，学士，高级工程师，主要从事地震监测工作。E-mail:。期49郑勇，等：数字水准仪测量精度受空气湿度影响分析第物镜调焦透镜组CCD传感器目镜4日0标尺分划补偿器分光镜十字丝图1TrimbleDiNi03数字水准仪光学结构2精密水准测量误差来源及分析2.1系统误差2.1.1i角误差i角是指水准仪的水平视线（视准轴）与水准管轴在垂直面上投影的交角。数字水准仪的i角分为光学i角和电子i角，电子i角对数字水准仪测量精度具有重要影响。i角的检验方法及原理已做过系统分析4，这里不再赘述，日常工作中主要是使用费式（Forstner）法。外业测量中环境变化、磁场、仪器振动、望远镜调焦等都会引起i角的改变。因此，除按照规范要求做每天的i角检验外，观测前应提前将仪器取出，待仪器温度与外界温度相同时再进行观测，最大限度的消除i角误差对成果精度的影响。2.1.2补偿器误差按照国家一、二等水准测量规范5 要求，往返测奇数站照准标尺顺序为：后一前一前一后，偶数站照准标尺顺序为：前一后一后一前,这样观测基本上可以消除补偿器剩余误差。2.1.3调焦透镜运行误差观测过程中应对准标尺准确调焦（部分仪器自动调焦已消除此误差），以便图像传感器接收到清晰的图像编码，调焦不足或者过度都会延长测量时间，产生较大系统误差6 2.1.4圆水准器居中误差包括仪器圆水准器和标尺圆水准器，要求居中，观测期间经常检校可以有效的消除2.1.5标尺弯曲差观测期间按照规范要求测定。2.1.6一对标尺零点不等差可通过总观测站数为偶数站来消除。2.2人为误差2.2.1仪器架设误差现如今水准路线一般都沿主要交通线路布设，道路硬化率高，有效避免了仪器观测期间的沉降误差，即使这样观测期间仪器架设也要避开软塌路面，做到踩实脚架，以提高稳定性。2.2.2承载物下沉误差通用承载物包括：尺台、尺桩、铆钉。放置承载物时也要选择坚硬的地方，踩实放稳，避免转站转动标尺时下沉带来的误差。2.2.3水准标尺倾斜误差要求扶尺员利用辅助工具尺杆，将标尺圆水准器严格居中后观测员才能开始读数，减少标尺倾斜引起的误差2.3自然环境因素2.3.1太阳光平射引起的误差太阳直射光与水平视线近乎平行时引起的读数误差。可通过选取合适的行进路线、给仪器打遮阳伞或者安装遮阳罩来消除。2.3.2强磁场引起的误差由于数字水准仪是由电子元件组成，易受强磁场影响，会导致往返测观测成果不合限，严重偏离真值。如若遇到切记请重新规划观测路线绕行或使用光学仪器完成2.3.3大气折光误差由于空气中温度和湿度的不同，导致观测环境不稳定，使光线发生不规律折射，仪器的水平视线发生改变,读数有偏差。但是对于湿度是否会影响大地原震高50第3 5 卷气折光误差还没有成型的理论，下文将做具体分析。3精密区域水准测量及精度控制一、二等水准测量采用单路线往返观测，同一区段的往返测，要求使用同一类型的仪器和转点尺承沿同一道路进行。每完成一条水准路线的测量，应进行往返测高差不符值及每千米水准测量的偶然中误差M的计算（小于1 0 0 km或测段数不足2 0 个的路线，可纳人相邻路线一并计算），计算结果并应符合表1 规定。表1每千米水准测量的偶然中误差测量等级一等二等MA0.45 mm1.00 mm每千米水准测量的偶然中误差M按式（1）计算：M=/R/(4:n)(1)式中：一测段往返测高差不符值,单位为毫米(mm）；R一测段长度,单位为千米（km）；n一测段数。4空气相对湿度与成果精度关系为了保证研究结果的真实准确性，统计了2013年2 0 1 7 年在西北、西南、华北、中原地区完成的大华北项目、鄂尔多斯项目、地震监测项目、地震科考项目区域精密水准测量数据为参考，来探究相对湿度与观测成果精度间的关系。为了避免单个仪器成果的片面性，选了3台具有连续性观测成果的仪器作以研究。相对湿度数据来源于“统计年鉴分享平台”，较准确（表2）。表2区域精密水准测量成果统计施测年份施测地区观测量/km中误差/mm相对湿度/%仪器1:7 347 7 8雅安、成都222.50.36742013洛阳、三门峡388.10.40532014包头、巴彦淖尔525.20.41482015合肥518.10.30752016济宁580.00.31652017西安554.50.4159仪器2：7 338 8 72013西安111.4 0.4458包头347.6 0.42482014西安186.90.41592015蚌埠470.60.36762016徐州、宿迁528.00.33672017鄂尔多斯426.5 0.4048仪器3：7 340 2 52013阿坝260.90.4474雅安165.8 0.36802014榆林349.00.40502015合肥、六安468.80.36752016徐州、济宁528.00.33672017西安468.30.4059期51郑勇，等：数字水准仪测量精度受空气湿度影响分析第800.45混度变化精度变化700.4图例%/wu/中600.35500.3400.252012101320142015201620172018年份/年图2湿度一精度折线从表2 和图2 不难看出，仪器1 的中误差随相对湿度的变大而变小，成果精度越来越好。同一个湿度会出现不同的观测结果精度，但相差都不大，总的趋势是相对湿度越高成果精度就越高。那么我们是否可以认定湿度对数字水准仪的观测精度有重要影响呢？为了验证以上结论，根据表2 成果绘制出仪器2 湿度一精度变化关系的折线图（图2）。800.45混度变化精度变化700.4图例%/wu/中600.35500.3400.252012101320142015201620172018年份/年图3湿度一精度折线仪器2 湿度与精度折线变化遵从了假设的变化规律，湿度与成果精度相离，湿度越大成果精度越高。由不难看出，仅仪器3在阿坝地区的观测成果精度有波动。经核实该地区观测路线翻越巴朗山垭口，海拔高达448 0 m，观测期间雾浓风大，观测条件恶劣，这可能是导致成果偏大的主要原因。除此之外，其他数据变化均遵从了我们假设的变化规律，即湿度与成果精度相离，湿度越大成果精度越高。地原震第35 卷高52800.45混度变化精度变化700.4图例%wu/中600.35500.3400.252012101320142015201620172018年份/年图4湿度一精度折线5结论与讨论本文选取了3台数字水准仪在西北、西南、华北、华中等地区相对湿度差异较大、连续观测成果超5 年、每台仪器观测总里程达2 0 0 0 余公里的成果精度数据与相对应湿度进行研究，通过对比分析，初步得出空气相对湿度对成果精度的影响关系：数字水准仪成果精度与相对湿度相关，在观测条件、气象环境相对稳定的情况下，成果精度与相对湿度相离，即相对湿度越高，中误差越小,相对湿度越低，中误差越大。因为空气中相对湿度无法通过外界手段干扰而大面积提高，所以仅仅只能作为影响成果精度因素分析,是否能影响、怎么去影响以提高成果精度有待后续研究。参考文献：1耿晓民，颜小平地震监测中的精密水准测量误差分析J.测绘与空间地理信息，2 0 1 0,33（0 3）：234-235+239.2胡琳.CCD图像传感器的现状及未来发展J.电子科技,2 0 1 0,2 3(0 6):8 2-8 5.3孙莉，邓敏.CCD图像传感器的现状及未来发展J.现代制造技术与装备,2 0 1 7(0 8)：1 6 0-1 6 1.4郑勇，党昊，操聪，等.TrimbleDiNi03电了水准仪i角随温度变化影响分析J.高原地震，2 0 1 8，30(01):46-51.广5 75中国国家标准化管理委员会.GB/T12897-2006国家一、二等水准测量规范S.北京：中国标准出版社，2 0 0 6.6岳建平，秦茂芬。观测条件对数字水准仪读数的影响试验J.测绘通报，2 0 0 6，（0 9）：6 9 7 1.期郑勇，等：数字水准仪测量精度受空气湿度影响分析53第ANALYSIS ON THE INFLUENCE OF AIR HUMIDITY ONTHE MEASURING ACCURACY OF DIGITAL LEVELZHENG Yong,DING Ning,DANG Hao,LIN Peng(The Second Monitoring and Application Center,CEA,Xi an 710054,China)Abstract:Based on the regional precision leveling survey results of seismic scientific investigation project,Or-dos project and Great North China project,this paper analyzes the main error sources of digital level in actualmeasurement and the technical measures and methods to eliminate or weaken the error,and focuses on the in-fluence of air relative humidity on the accuracy of the results.Through the study,it is found that the accuracyof measurement results of mainstream digital level is affected by humidity in natural conditions to a certain ex-tent,but appropriate technical means have not been found to eliminate it,waiting for subsequent research.Key words:Digital level instrument;Error;Relative humidity