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[摘 要]随着国民经济发展的需要，工程建设越发增多，国家在工程建设中的精度特别是高程精度的要求越来越高，电子水准仪与传统的光学水准仪相比，它具有测量速度快、操作简单、读数直观、高精度和容易实现内外业一体化的特点，在外业测量过程中大大减轻了几何水准测量的工作量，在国家一、二等水准测量和高精度工程测量中起到了重要作用。电子水准仪测量原理新颖，测量误差来源也有所不同，而且不同厂家的仪器采用了不同的读数原理和标尺编码结构。
[關键词]误差、水准、高程、精度分析
中图分类号：P207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0046-01
水准测量在大地测量中占有相当重要的位置。尽管出现了三角高程测量和GPS高程测量等一些快速确定高程的手段和技术，但是，它们的精度较低，只能达到三、四等水准测量的精度。对于建立国家高精度的大地控制网或用于高精度高程测量领域，如地壳形变监测、大型工程设备的安装等，几何水准测量仍是不可取代的一种测量手段。电子水准仪的出现，继承了几何水准测量精度高的优点，弥补了作业效率低下的不足，是水准测量仪器的重大创新，它具有测量速度快、精度高、操作简单和容易实现内外业一体化的特点，大大减轻了几何水准测量的工作量。因此，电子水准仪自投放市场以来很快受到用户亲睐。
2 电子水准仪构成及测量原理
2.1 电子水准仪的基本组成
电子水准仪又称数字水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。就其基本构造而言由光学机械部分、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（线阵CCD器件）、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。因各厂家条码尺的编码规则各不相同，且采用了不同的数据处理方法，给观测成果的精度也带来不同的影响。
2.2 电子水准仪的测量原理
电子水准仪的测量系统包括采用条码尺，图像传感器和数据处理软件。基本原理是条码尺的一段图像经过望远镜传输到图像传感器，由数据处理软件根据设定的数据对测量信号进行处理，得到仪器视准轴在条码尺上的位置及条码尺距仪器的视距，然后由数据处理软件计算该站的观测数据，并本根据设定的测量等级的施测精度和观测值进行判断，将结果现场提供给施测者，并对满足进度要求的观测值进行存储。
电子水准仪最主要的工作就是对图像进行解码，得出条码尺的位置及条码尺距仪器的视距。在纵多的解码方法中，归结起来主要有二维相关法、相位法、载码相位法等。其中载码相位法又可分为几何法、RAB和叶氏原理等。
3 水准测量的误差分类及分析
数字水准仪测量系统由水准仪主机、条码尺和图像处理软件组成。在测量时，由主机对条码尺图像进行处理，得到视线高和视距。因此，数字水准测量系统的误差源可分为主机误差、条码尺误差和条码尺光电读数误差。
3.1 与仪器有关的误差
电子水准仪的仪器误差主要来源有：圆水准器位置不正确、补偿器误差、视准轴误差（i角误差）、光电两分划板一致性误差等，补偿误差主要来源有补偿器安置误差（视线的安平精度）、补偿器滞后误差、补偿剩余误差、补偿器磁致误差等。
3.2 与条码尺有关的误差
1、尺底面缺陷
尺底面缺陷包括标尺零点误差、尺底面平面度和标尺地面垂直性误差。
（1）标尺零点误差
标尺地面应当是标尺分划的零位置，若不为零，其差值称零点差。两根标尺的零点差一般不会相等，它们的零点差的差值通常简称为一对标尺的零点差。
（2）尺底面平面度和标尺地面垂直性误差
若存在该项误差，当标尺地面的不同部位水准点或尺台接触时，测得的视线高读数将不同，从而对水准测量带来系统性影响。
2、水准尺缺陷
主要缺陷有水准尺上的圆水准器安装不正确、因瓦钢带的拉力不正确、水准尺的比例误差及比例误差的日常变化、标尺的温度膨胀系数、尺面的弯曲和扭曲等。圆水准器的安装不正确将引起水准尺的倾斜，特别是如果在仪器照准方向倾斜，将导致较大系统误差。
3、水准尺分划误差
水准尺分划误差包括标尺条码线的条码分划误差和有缺陷的条码线引起的分划误差。
3.3 与条码尺光电读数有关的误差
1、最小读数及其进位误差
数字水准仪上的最小显示位数为0.1mm或0.01mm，这将导致原始测量值的进位误差，该误差最大可以达到最小显示位数的一半。
2、读数误差
由于测量信号遮挡、标尺照度不均匀、标尺亮度不合适、视线位于顶部或底部导致视场内有效条码个数减少、调焦位置不正确、震动等外界因素，测量信号分析和图像处理误差等内在因素的共同影响，会引起数字水准仪的读数误差。
3、重复测量精度
通常情况下， 仪器的重复测量精度精度与视距、震动、光强和对比度、调焦、气象条件等因素直接相关。
4、周期误差
大量的实测数据表明，在某些特殊视距处及在标尺的不同位置，视线高测量结果中包含有周期误差。
上述误差中有些是可以改正的系统误差，有些事不能够改正的偶然误差，对于不能够改正的偶然误差，只能够在水准测量程序上进行全部或部分消除。
3.4 数字水准测量中的仪器误差
观测过程中三脚架升降引起的误差在水准测量过程中，每一个测站从观测开始到结束，三脚架一直处于升降运动之中。在精密水准测量中，必须选择恰当的水准线路，例如坚固的致密土壤、沥青路面的公路或自行车道等是最佳的水准线路。特别要注意，铺石块的路面不能够作为高等级水准线路，因为观测员及扶尺员的来回走动将水准仪及水准尺处于运动状态中。
3.5 水准尺的误差源
1、标尺倾斜对测量结果的影响
当标尺倾斜时，将会给高程测量带来系统误差，读数始终变大，而且与水准尺的倾斜方向无关。在日常的水准测量工作中，受风及交通等外界因素的影响，要一直保持水准尺处于铅直状态并非易事。这也需要观察员和立尺员相互配合，至少对水准尺进行读数时，水准尺必须处于铅直状态。
2、水准尺（包括尺垫）的垂直运动对水准测量成果的影响
在测站上进行观测，当标尺立于尺桩上时，尺桩总是下沉的；而当从尺桩上拿开时，尺桩总是上升的。故测站永远是由于尺桩下沉所致，而转点误差既可能是由于尺桩下沉，也可能是由于尺桩上升引起。实践表明：下沉现象通常比凸起现象更多些，但土壤弹性越大，凸起出现的次数就越多。由此可知，在十分致密的土壤上，亦即在十分有弹性的土壤上，尺桩通常凸起。
4 结语
数字水准仪具有测量速度快、操作简便、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和易于实现水准测量内外业一体化等优点，是对传统几何水准测量技术的突破，代表了现代水准仪和水准测量技术的发展方向。同时对数字水准仪的工作原理和误差来源进行了重点叙述，例如对于仪器使用的环境限制、温度、大气折光、仪器本身的要求、测量人员的操作步骤等。重点对数字水准仪水准测量产生的误差来源进行了分析，比如大气折光影响，地球本身的曲率影响，仪器自身系统的限制，测量人员操作不规范产生的误差等。
参考文献
[1] 孙坚.数字水准仪的现状与发展[J].北京测绘，1998，03：33-35.
[2] 阙江.数字水准仪电子读数系统误差的检测方法[J]. 测绘通报，2008，02：65-66+69.
[3] 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，2006，09：69-71.
[關键词]误差、水准、高程、精度分析
中图分类号：P207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0046-01
水准测量在大地测量中占有相当重要的位置。尽管出现了三角高程测量和GPS高程测量等一些快速确定高程的手段和技术，但是，它们的精度较低，只能达到三、四等水准测量的精度。对于建立国家高精度的大地控制网或用于高精度高程测量领域，如地壳形变监测、大型工程设备的安装等，几何水准测量仍是不可取代的一种测量手段。电子水准仪的出现，继承了几何水准测量精度高的优点，弥补了作业效率低下的不足，是水准测量仪器的重大创新，它具有测量速度快、精度高、操作简单和容易实现内外业一体化的特点，大大减轻了几何水准测量的工作量。因此，电子水准仪自投放市场以来很快受到用户亲睐。
2 电子水准仪构成及测量原理
2.1 电子水准仪的基本组成
电子水准仪又称数字水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。就其基本构造而言由光学机械部分、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（线阵CCD器件）、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。因各厂家条码尺的编码规则各不相同，且采用了不同的数据处理方法，给观测成果的精度也带来不同的影响。
2.2 电子水准仪的测量原理
电子水准仪的测量系统包括采用条码尺，图像传感器和数据处理软件。基本原理是条码尺的一段图像经过望远镜传输到图像传感器，由数据处理软件根据设定的数据对测量信号进行处理，得到仪器视准轴在条码尺上的位置及条码尺距仪器的视距，然后由数据处理软件计算该站的观测数据，并本根据设定的测量等级的施测精度和观测值进行判断，将结果现场提供给施测者，并对满足进度要求的观测值进行存储。
电子水准仪最主要的工作就是对图像进行解码，得出条码尺的位置及条码尺距仪器的视距。在纵多的解码方法中，归结起来主要有二维相关法、相位法、载码相位法等。其中载码相位法又可分为几何法、RAB和叶氏原理等。
3 水准测量的误差分类及分析
数字水准仪测量系统由水准仪主机、条码尺和图像处理软件组成。在测量时，由主机对条码尺图像进行处理，得到视线高和视距。因此，数字水准测量系统的误差源可分为主机误差、条码尺误差和条码尺光电读数误差。
3.1 与仪器有关的误差
电子水准仪的仪器误差主要来源有：圆水准器位置不正确、补偿器误差、视准轴误差（i角误差）、光电两分划板一致性误差等，补偿误差主要来源有补偿器安置误差（视线的安平精度）、补偿器滞后误差、补偿剩余误差、补偿器磁致误差等。
3.2 与条码尺有关的误差
1、尺底面缺陷
尺底面缺陷包括标尺零点误差、尺底面平面度和标尺地面垂直性误差。
（1）标尺零点误差
标尺地面应当是标尺分划的零位置，若不为零，其差值称零点差。两根标尺的零点差一般不会相等，它们的零点差的差值通常简称为一对标尺的零点差。
（2）尺底面平面度和标尺地面垂直性误差
若存在该项误差，当标尺地面的不同部位水准点或尺台接触时，测得的视线高读数将不同，从而对水准测量带来系统性影响。
2、水准尺缺陷
主要缺陷有水准尺上的圆水准器安装不正确、因瓦钢带的拉力不正确、水准尺的比例误差及比例误差的日常变化、标尺的温度膨胀系数、尺面的弯曲和扭曲等。圆水准器的安装不正确将引起水准尺的倾斜，特别是如果在仪器照准方向倾斜，将导致较大系统误差。
3、水准尺分划误差
水准尺分划误差包括标尺条码线的条码分划误差和有缺陷的条码线引起的分划误差。
3.3 与条码尺光电读数有关的误差
1、最小读数及其进位误差
数字水准仪上的最小显示位数为0.1mm或0.01mm，这将导致原始测量值的进位误差，该误差最大可以达到最小显示位数的一半。
2、读数误差
由于测量信号遮挡、标尺照度不均匀、标尺亮度不合适、视线位于顶部或底部导致视场内有效条码个数减少、调焦位置不正确、震动等外界因素，测量信号分析和图像处理误差等内在因素的共同影响，会引起数字水准仪的读数误差。
3、重复测量精度
通常情况下， 仪器的重复测量精度精度与视距、震动、光强和对比度、调焦、气象条件等因素直接相关。
4、周期误差
大量的实测数据表明，在某些特殊视距处及在标尺的不同位置，视线高测量结果中包含有周期误差。
上述误差中有些是可以改正的系统误差，有些事不能够改正的偶然误差，对于不能够改正的偶然误差，只能够在水准测量程序上进行全部或部分消除。
3.4 数字水准测量中的仪器误差
观测过程中三脚架升降引起的误差在水准测量过程中，每一个测站从观测开始到结束，三脚架一直处于升降运动之中。在精密水准测量中，必须选择恰当的水准线路，例如坚固的致密土壤、沥青路面的公路或自行车道等是最佳的水准线路。特别要注意，铺石块的路面不能够作为高等级水准线路，因为观测员及扶尺员的来回走动将水准仪及水准尺处于运动状态中。
3.5 水准尺的误差源
1、标尺倾斜对测量结果的影响
当标尺倾斜时，将会给高程测量带来系统误差，读数始终变大，而且与水准尺的倾斜方向无关。在日常的水准测量工作中，受风及交通等外界因素的影响，要一直保持水准尺处于铅直状态并非易事。这也需要观察员和立尺员相互配合，至少对水准尺进行读数时，水准尺必须处于铅直状态。
2、水准尺（包括尺垫）的垂直运动对水准测量成果的影响
在测站上进行观测，当标尺立于尺桩上时，尺桩总是下沉的；而当从尺桩上拿开时，尺桩总是上升的。故测站永远是由于尺桩下沉所致，而转点误差既可能是由于尺桩下沉，也可能是由于尺桩上升引起。实践表明：下沉现象通常比凸起现象更多些，但土壤弹性越大，凸起出现的次数就越多。由此可知，在十分致密的土壤上，亦即在十分有弹性的土壤上，尺桩通常凸起。
4 结语
数字水准仪具有测量速度快、操作简便、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和易于实现水准测量内外业一体化等优点，是对传统几何水准测量技术的突破，代表了现代水准仪和水准测量技术的发展方向。同时对数字水准仪的工作原理和误差来源进行了重点叙述，例如对于仪器使用的环境限制、温度、大气折光、仪器本身的要求、测量人员的操作步骤等。重点对数字水准仪水准测量产生的误差来源进行了分析，比如大气折光影响，地球本身的曲率影响，仪器自身系统的限制，测量人员操作不规范产生的误差等。
参考文献
[1] 孙坚.数字水准仪的现状与发展[J].北京测绘，1998，03：33-35.
[2] 阙江.数字水准仪电子读数系统误差的检测方法[J]. 测绘通报，2008，02：65-66+69.
[3] 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，2006，09：69-71.