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摘要：本文详细分析了数字水准仪的原理、优点、使用注意事项及其在铁路路基和桥梁墩台沉降监测的方法、基准点和监测点的位置设计与埋设、观测路线设计、观测周期、相对沉降量和累计沉降量的计算。
关键词：数字水准仪；变形监测；沉降量
Abstract: this paper analyses the principle of digital levels, merit, and matters need attention and in railway roadbed and bridge pier subsidence monitoring method, and the position of the benchmark monitoring point design and embedment, observation route design, observation period, relative settlement and total settlement calculation.
Keywords: digital levels; Deformation monitoring; settlement
中图分类号：P224.1 文献标识码：A文章编号：
0 引言
随着铁路建设的快速发展，我国新建了许多铁路和高铁，这些铁路带给我们便捷的同时。交通安全也越来越受到人们的重视，为保证铁路建设和运行的安全，就必须在整个施工和运营阶段对它们实施系统的变形监测。数字水准仪以其时尚的外观设计、操作方便、高精度等优点，得到广大测绘工作者的青睐。下面就介绍一下数字水准仪的原理及在铁路变形监测中的应用
数字水准仪(digital level)是用于自动化水准测量的仪器，它采用CCD阵列传感器获取编码水准尺的图像，依据图像处理技术来获取水准标尺的读数，标尺图像处理及其处理结果的显示均由仪器内置计算机完成。测量原理如图：
1 数字水准仪优点
（1）速度快：水准仪自动探测读数、记录和检核，不用观测员人工观测，作业速度快慢取决于仪器整置速度和跑尺人员的速度。
（2）精度高：图像处理技术自动判别读数，免除了观测员人工夹准分划和读数误差的影响。对图形影像多个分划取平均值，有利于消除标尺分划误差。另外速度的提高，可消除与时间有关的外界条件的影响，如温度变化引起的视准轴的变化，大气垂直折光的变化，仪器水准尺升降等的影响。
（3）仪器重量轻，操作简便，减轻作业员的劳动强度。
（4）易于实现测量内外业一体化。数字水准仪将数据直接记录在卡或内存中，及时检核，按规定格式输出，便于在计算机上处理，形成自动流程，不仅大大提高了工作效率，而且避免了由于人工記录、计算出现的差错。
2 使用注意事项
（1）补偿误差
数字水准仪是在光学自动安平水准仪的基础上发展起来的，补偿器基本上都属于吊带重力补偿器，经过运输、温度变化等，其内应力发生变化，补偿性能差异较大，必须定期检测，超过限差时应及时调校。另外应注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不要立即测量，要有1～2秒的时间延迟。
（2）视准线误差(i角)
视准线误差的大小直接影响着水准测量的成果，测量过程中尽量保证前后视距离差在规定的范围内。数字水准仪一般都有独立的测距功能，水准尺读数前可以根据距离测量值调整水准尺或水准仪的位置。
（3）光亮度对测量的影响
数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为用于测量的有效电信号，这些有效的信号强度是由时间积分决定的，象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围大约为几毫秒到2秒之间。
①采样条码群体中亮度不均匀时（如遇阴影），就会使曝光时间失控，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。
②在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，既使传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量信号的估算产生困难，往往造成测量失败。
③另外在测量中光强发生强烈变化时，此时应停止测量。
④在测量中，若仪器处的亮度大于标尺处的亮度时，光线通过仪器的物镜和目镜的漫反射，使CCD的本底噪声增大，造成标尺条码曝光不足，使测量失败或影响测量。这时可将目镜遮住，物镜罩上遮光罩，情况就会得到改善。
（4）调焦对测量的影响
但是数字水准仪是依据用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值，因此调焦对测量的影响远比光学水准仪小得多。若仅是通常调焦波动，则对测量结果只产生微不足道的影响，测量时间相对延长而已。若读数时焦距未调整清晰，则易造成测量失败。
（5）标尺安置状态对测量的影响
仪器在自动测量过程中对标尺安置状态的监视反映很迟钝，偏离垂直状态很大范围，仪器仍然测量。因此显得标尺安置更为重要。精密因瓦条码标尺上都安置了圆水准器，这对提高标尺的安置速度有一定益处。
（6）磁致误差
虽然目前数字水准仪的补偿器都是用铝或非磁性材料制造的，在均匀磁场下检测无显著影响，但在交变磁场中，都能检测到补偿器的偏转量，因此测区通过大功率的发电厂、变电枢纽或测线沿高压输电线、电气化铁路时，要谨慎选用仪器，必须检测其磁致误差影响幅度。
（7）仪器的晾置和预热
由于仪器参数(如i角)受环境温度影响易发生变化，作业前仪器充分晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致或处于稳定的热交换平衡状态，避免仪器在初始阶段(温度不稳定阶段)进行测量而影响精度。在结束晾置时间前3分钟打开电源进行预热，晾置时间与仪器和环境的温差成正比，对精密测量，晾置时间一般是温差度数的2~3倍。如温差l0℃，则晾置时间约20~30 min。在潮湿情况下，应擦去水珠，晾干或吹干仪器，及时烘烤于燥剂，使仪器存放在干燥的箱体内。
（8）振动对测量的影响
由于交通、机械、风等产生的振动，影响补偿器致使视准线不稳。在周围环境恶劣时，如明显的机械振动，载重运输车通过，风力过大等，应暂停测量。
3 铁路路基和桥梁墩台沉降监测的方法与应用
（1）沉降监测的方法、仪器和工具
根据目前的技术和手段，通常采用精密几何水准测量的方法，即用精密数字水仪（DiNi12）及其配套的精密铟钢条码水准尺和标准尺垫、扶尺架等，按照某一精度等级水准测量的施测要求，以往返附合水准路线或闭合水准路线的形式，定期地从基准点对布设在路基基础和桥梁墩台基础上的监测点进行观测，则不同周期观测的监测点的高程变化量，就是由于路基基础和桥梁墩台基础在时间作用下和动静荷载作用下所引起的监测点的沉降量。
（2）基准点和监测点的位置设计与埋设
基准点----对铁路路基和桥梁墩台基础沉降监测基准点的位置和数量要求是：①稳定--作为变形监测的基准点，一定要远离建筑物荷载的影响区域，并有一定的埋设深度和不易遭受破坏；②联测方便；③在数量上至少有三个，以便通过基准点的联测，监测和检验基准点的稳定性。
（3）沉降监测观测路线设计
基准点之间的水准联测，应采用闭合水准路线的形式；监测点之间的水准观测，既可采用附合水准路线的形式，也可采用闭合水准路线的形式；而基准点与监测点之间的水准联测，应采用往返附合水准路线的形式，之所以设计这样的水准观测路线，是因为闭合环或附合水准路线，都具有多余观测，有利于检测外业观测中的粗差和错误，提高外业观测数据采集的质量和可靠性，同时还有利于数据的严密平差和提高精度。
（4）沉降监测的观测周期
监测点沉降监测的观测频率即观测周期，应根据运营的时间、监测的目的和沉降量的大小决定。对于新运营的铁路，监测的频率应大一些，如第一年，可每个月观测一次，第二年可每季度观测一次，第三年可每半年观测一次，以后则每年观测一次。若监测到的沉降量大，则应加密观测次数，反之则应减少观测次数。若监测的目的是为了研究路基和桥梁基础沉降变形的详细过程，也应加密监测的次数。
（5）相对沉降量和累计沉降量的计算
相对沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的上一次观测高程
累计沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的第一次观测高程
4 结束语
根据监测得到的相对沉降量和累计沉降量的变化规律，可以反映路基纵横方向或桥梁墩台的沉降变形规律，从而有针对性地对路基或桥梁墩台进行养护，以避免过大的沉降情况发生而导致行车的不平顺。
[1] 康红星,高志超;电子水准仪在沉降观测中的应用[J];工程设计与建设;2004年04期
[2] 尤宝平,聂群;DiNi11/12电子水准仪及其使用[J];海洋测绘;2004年04期
[3 ]邹积亭;江恒彪;DiNi12数字水准仪数据文件格式与读取算法[J];北京测绘;2006年01期
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：数字水准仪；变形监测；沉降量
Abstract: this paper analyses the principle of digital levels, merit, and matters need attention and in railway roadbed and bridge pier subsidence monitoring method, and the position of the benchmark monitoring point design and embedment, observation route design, observation period, relative settlement and total settlement calculation.
Keywords: digital levels; Deformation monitoring; settlement
中图分类号：P224.1 文献标识码：A文章编号：
0 引言
随着铁路建设的快速发展，我国新建了许多铁路和高铁，这些铁路带给我们便捷的同时。交通安全也越来越受到人们的重视，为保证铁路建设和运行的安全，就必须在整个施工和运营阶段对它们实施系统的变形监测。数字水准仪以其时尚的外观设计、操作方便、高精度等优点，得到广大测绘工作者的青睐。下面就介绍一下数字水准仪的原理及在铁路变形监测中的应用
数字水准仪(digital level)是用于自动化水准测量的仪器，它采用CCD阵列传感器获取编码水准尺的图像，依据图像处理技术来获取水准标尺的读数，标尺图像处理及其处理结果的显示均由仪器内置计算机完成。测量原理如图：
1 数字水准仪优点
（1）速度快：水准仪自动探测读数、记录和检核，不用观测员人工观测，作业速度快慢取决于仪器整置速度和跑尺人员的速度。
（2）精度高：图像处理技术自动判别读数，免除了观测员人工夹准分划和读数误差的影响。对图形影像多个分划取平均值，有利于消除标尺分划误差。另外速度的提高，可消除与时间有关的外界条件的影响，如温度变化引起的视准轴的变化，大气垂直折光的变化，仪器水准尺升降等的影响。
（3）仪器重量轻，操作简便，减轻作业员的劳动强度。
（4）易于实现测量内外业一体化。数字水准仪将数据直接记录在卡或内存中，及时检核，按规定格式输出，便于在计算机上处理，形成自动流程，不仅大大提高了工作效率，而且避免了由于人工記录、计算出现的差错。
2 使用注意事项
（1）补偿误差
数字水准仪是在光学自动安平水准仪的基础上发展起来的，补偿器基本上都属于吊带重力补偿器，经过运输、温度变化等，其内应力发生变化，补偿性能差异较大，必须定期检测，超过限差时应及时调校。另外应注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不要立即测量，要有1～2秒的时间延迟。
（2）视准线误差(i角)
视准线误差的大小直接影响着水准测量的成果，测量过程中尽量保证前后视距离差在规定的范围内。数字水准仪一般都有独立的测距功能，水准尺读数前可以根据距离测量值调整水准尺或水准仪的位置。
（3）光亮度对测量的影响
数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为用于测量的有效电信号，这些有效的信号强度是由时间积分决定的，象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围大约为几毫秒到2秒之间。
①采样条码群体中亮度不均匀时（如遇阴影），就会使曝光时间失控，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。
②在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，既使传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量信号的估算产生困难，往往造成测量失败。
③另外在测量中光强发生强烈变化时，此时应停止测量。
④在测量中，若仪器处的亮度大于标尺处的亮度时，光线通过仪器的物镜和目镜的漫反射，使CCD的本底噪声增大，造成标尺条码曝光不足，使测量失败或影响测量。这时可将目镜遮住，物镜罩上遮光罩，情况就会得到改善。
（4）调焦对测量的影响
但是数字水准仪是依据用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值，因此调焦对测量的影响远比光学水准仪小得多。若仅是通常调焦波动，则对测量结果只产生微不足道的影响，测量时间相对延长而已。若读数时焦距未调整清晰，则易造成测量失败。
（5）标尺安置状态对测量的影响
仪器在自动测量过程中对标尺安置状态的监视反映很迟钝，偏离垂直状态很大范围，仪器仍然测量。因此显得标尺安置更为重要。精密因瓦条码标尺上都安置了圆水准器，这对提高标尺的安置速度有一定益处。
（6）磁致误差
虽然目前数字水准仪的补偿器都是用铝或非磁性材料制造的，在均匀磁场下检测无显著影响，但在交变磁场中，都能检测到补偿器的偏转量，因此测区通过大功率的发电厂、变电枢纽或测线沿高压输电线、电气化铁路时，要谨慎选用仪器，必须检测其磁致误差影响幅度。
（7）仪器的晾置和预热
由于仪器参数(如i角)受环境温度影响易发生变化，作业前仪器充分晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致或处于稳定的热交换平衡状态，避免仪器在初始阶段(温度不稳定阶段)进行测量而影响精度。在结束晾置时间前3分钟打开电源进行预热，晾置时间与仪器和环境的温差成正比，对精密测量，晾置时间一般是温差度数的2~3倍。如温差l0℃，则晾置时间约20~30 min。在潮湿情况下，应擦去水珠，晾干或吹干仪器，及时烘烤于燥剂，使仪器存放在干燥的箱体内。
（8）振动对测量的影响
由于交通、机械、风等产生的振动，影响补偿器致使视准线不稳。在周围环境恶劣时，如明显的机械振动，载重运输车通过，风力过大等，应暂停测量。
3 铁路路基和桥梁墩台沉降监测的方法与应用
（1）沉降监测的方法、仪器和工具
根据目前的技术和手段，通常采用精密几何水准测量的方法，即用精密数字水仪（DiNi12）及其配套的精密铟钢条码水准尺和标准尺垫、扶尺架等，按照某一精度等级水准测量的施测要求，以往返附合水准路线或闭合水准路线的形式，定期地从基准点对布设在路基基础和桥梁墩台基础上的监测点进行观测，则不同周期观测的监测点的高程变化量，就是由于路基基础和桥梁墩台基础在时间作用下和动静荷载作用下所引起的监测点的沉降量。
（2）基准点和监测点的位置设计与埋设
基准点----对铁路路基和桥梁墩台基础沉降监测基准点的位置和数量要求是：①稳定--作为变形监测的基准点，一定要远离建筑物荷载的影响区域，并有一定的埋设深度和不易遭受破坏；②联测方便；③在数量上至少有三个，以便通过基准点的联测，监测和检验基准点的稳定性。
（3）沉降监测观测路线设计
基准点之间的水准联测，应采用闭合水准路线的形式；监测点之间的水准观测，既可采用附合水准路线的形式，也可采用闭合水准路线的形式；而基准点与监测点之间的水准联测，应采用往返附合水准路线的形式，之所以设计这样的水准观测路线，是因为闭合环或附合水准路线，都具有多余观测，有利于检测外业观测中的粗差和错误，提高外业观测数据采集的质量和可靠性，同时还有利于数据的严密平差和提高精度。
（4）沉降监测的观测周期
监测点沉降监测的观测频率即观测周期，应根据运营的时间、监测的目的和沉降量的大小决定。对于新运营的铁路，监测的频率应大一些，如第一年，可每个月观测一次，第二年可每季度观测一次，第三年可每半年观测一次，以后则每年观测一次。若监测到的沉降量大，则应加密观测次数，反之则应减少观测次数。若监测的目的是为了研究路基和桥梁基础沉降变形的详细过程，也应加密监测的次数。
（5）相对沉降量和累计沉降量的计算
相对沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的上一次观测高程
累计沉降量=监测点的本次观测高程--监测点的第一次观测高程
4 结束语
根据监测得到的相对沉降量和累计沉降量的变化规律，可以反映路基纵横方向或桥梁墩台的沉降变形规律，从而有针对性地对路基或桥梁墩台进行养护，以避免过大的沉降情况发生而导致行车的不平顺。
[1] 康红星,高志超;电子水准仪在沉降观测中的应用[J];工程设计与建设;2004年04期
[2] 尤宝平,聂群;DiNi11/12电子水准仪及其使用[J];海洋测绘;2004年04期
[3 ]邹积亭;江恒彪;DiNi12数字水准仪数据文件格式与读取算法[J];北京测绘;2006年01期
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。