国产高精度数字水准仪在高海拔地区测量性能分析

徐许雄 黄 逢 何亚东 邢超琦

(自然资源部第三大地测量队, 四川 成都 610100)

0 引言

高精度的数字水准仪(DSZ05、DSZ1级别)是光机电一体化的高科技产品,国产仪器一直存在精度不高,可靠性、稳定性不好等问题,国家高等级高程控制网建设、精密工程测量长期依赖Leica DNA03、Trimble Dini03、TOPCON DL-101C等进口品牌的产品[1]。随着“中国制造”战略的实施和我国光学技术、机械技术、电子技术、信息处理技术的发展,国产仪器性能不断精进,但各项仪器检验指标是否满足国家高精度水准测量的规范要求,在高海拔地区,能否顺利开展长距离高等级水准观测工作,观测的成果数据质量如何是值得关注和研究的问题。本文以国产DL-2003A数字水准仪为研究对象,DNA03为对照组,同步进行二等水准观测,并对两组仪器的观测数据进行对比分析,为验证国产高精度数字水准仪在高海拔地区的观测精度、仪器性能提供了依据。

1 数字水准仪的原理及性能指标

1.1 数字水准仪的测量原理

当前各厂家生产的数字水准仪的仪器结构、数据处理原理等方面不完全相同[2],但基本结构和测量原理相似,数字水准仪主要由主机身、条码尺、数据处理软件三部分组成,测量时标尺上的条码图案经过光反射,一部分光束直接成像在望远镜分划板上,供目视观测,另一部分光束通过分光镜转射到线阵电荷耦合组件(charge coupled device,CCD)传感器上,随后转换成电信号,经整形后进入模数转化系统转化为数字信号,输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储,并将其与仪器内存的标准码(参考信号)按一定的方式进行比较,即可获得编码标尺的读数[3-4]。在使用数字水准仪进行水准测量时,为提高测量精度,应当使用与数字水准仪相配套的水准标尺,而且标尺面应该没有破损、污染等情况,确保在进行水准观测时能正常识别读数。

1.2 数字水准仪的性能指标

DNA03是当前世界上测量精度最高的数字水准仪之一,长期作为国家一、二等水准观测的主流仪器,具有操作简便、测量精度高、仪器性能稳定和能适应各种地形、气候等优点,其仪器性能在长期生产时间中得到了充分检验。因此,选取DNA03作为对照组具有较好的可靠性、可信性。DL-2003A是目前国产精度最高的数字水准仪之一,其各项仪器性能指标均达到了与DNA03相当的水平。从标称精度来看,两款仪器均满足DSZ05级,优于二等水准观测所需的DSZ1级要求,主要标称性能指标见表1。

表1 DNA2003、DL-2003A的主要标称性能指标

2 试验方案设计

2.1 试验场地选择

为验证国产仪器在高原地区的生产性能,此次试验选取位于青海省海南藏区自治州共和县境内的Ⅱ大塘线作为观测路线。Ⅱ大塘线全长约150 km,起点为4 509(夏艾里沟),终点为4 553(三塔拉),共由26个各类测量标志组成,路线整体走向为西北向东南,平均海拔约3 100 m。试验区域内分布有G109国道、G225国道、X308县道等主要交通干道,便于开展二等水准观测工作。

2.2 试验方案设计

试验作业流程严格按照《国家一、二等水准测量规范》(以下简称《规范》)[5]相关要求执行,开展资料收集与分析、测前仪器和标尺检查、外业数据采集、数据质量检查、测后仪器和标尺检查、数据对比分析等工作。

2.2.1 资料收集与分析

收集Ⅱ大塘线点之记、检测点点之记、起止点高程成果等资料,作为开展二等水准观测测区分析、数据采集、附合路线平差计算、质量检查等工作的依据。

2.2.2 测前仪器和标尺检查

按照《规范》和《数字水准仪》[6]中有关要求,开始数据采集之前,对水准仪、水准标尺进行检校。为避免水准仪、水准标尺自身存在系统性误差,导致实验结果的不准确[7],水准仪、水准标尺必须各项检校合格后,才能用于试验。

2.2.3 外业数据采集

外业数据采集采用单路线往返观测,数据记录手簿统一采用欧珩杰A380,记录软件采用自然资源部第三大地测量队编制的“水准测量外业记录软件包”,该软件包对观测过程中的视线长度、前后视距差、累计视距差、视线高度、两次读数所测高差之差等指标能严格按照《规范》要求进行控制。

数字水准仪作为精密仪器,外界温度、湿度、光照等条件变化,均可能引起仪器性能的变化[8-9],导致DL-2003A和DNA03观测数据进行对比不能反映真实情况。为真实、客观反映两者之间的观测性能,应该使两款仪器最大限度在相近条件下进行比较,为此,本次实验设计为安排两个观测组进行同步观测,除执行《规范》中相关规定外,还提出如下要求：

(1)两个观测组分别使用DL-2003A、DNA03沿同一路线进行二等水准观测,每一个测段的开始、结束时间不大于1 d,保证在观测期间各项环境因素基本一致。

(2)为对两款水准仪每一测站的观测数据进行研究,选取部分测段,沿测量路线布设测钉,每一测站水准标尺都放置在布设好的测钉上,使两个观测组在同一时间内沿测钉依次观测,两个观测组开始、结束时间间隔不超过20 min,严格消除环境、温度、尺承等因素的影响。

(3)两个观测组每天开始进行二等水准观测之前,都需要测定仪器i角,确保在试验期间仪器性能稳定、良好,减小i角对观测成果的影响[10]。

(4)观测过程中,如遇到观测温度、道路土质、天气、风力情况、太阳方向、观测环境发生异常或者仪器、标尺出现故障的情况时,要准确、详细记录相关情况,对于有问题的观测测段,两个款仪器要一并重新测量。

2.2.4 测后仪器和标尺检查

在完成全部二等水准观测后,需要对水准仪进行测后i角检验、对水准标尺进行分划面弯曲差测定,以确认DL-2003A、DNA03在试验过程中的稳定性。同时,还需要对水准标尺进行一对标尺米间隔长度平均值测定,以消除标尺尺长差异带来的误差[11]。

2.2.5 数据质量检查

按照《规范》要求,对测段、区段、路线的往返测高差和附合路线闭合差按照二等水准观测要求进行检查,计算两款仪器的每千米偶然中误差,由于未构成20个以上的水准环,不计算全中误差。本文在进行测段、区段、路线的往返测高差中数、不符值、高差偏离等指标分析时,均是采用经正常水准面不平行改正、水准标尺长度改正的数据,后续章节不再做特殊说明。

2.2.6 数据比较分析

数据对比分析过程中,以测段、区段、路线的往返测高差中数、点位高程作为数据分析单元,以DNA03观测成果为基准,分析DL-2003A的高差偏离Δh,将二等往返测高差不符值限差作为Δh的限差,Δh在限差内时,表明DL-2003A观测成果与DNA03观测成果一致性较好,其观测成果具有较好的可靠性。

(1)

式中,Δh为高差偏离值;HDL-2003A、HDNA03分别为DL-2003A、DNA03的测段、区段、路线往返测高差中数。

在进行测站数据分析时,还要进行平均每站、平均每千米、平均每米高差的高差偏离值,具体为

(2)

为量化两款仪器观测成果的符合性,计算两款仪器测站、测段观测成果的相关系数r,相关系数越高,表明两款仪器观测数据的符合性越好,计算方法如式(3)所示[12]。

(3)

式中,r为两种不同类型仪器的相关系数;HDL-2003A、HDNA03为两种不同类型仪器的高差观测数据;Cov(HDL-2003A,HDNA03)为HDL-2003A与HDNA03的协方差;Var[HDL-2003A]为HDL-2003A的方差;Var[HDNA03]为HDNA03的方差。

3 仪器检验结果

按照《规范》和《数字水准仪》中相关规定,对DL-2003A、DNA03相关指标进行检查,检查结果为DL-2003A、DNA03两款仪器外观完好、性能正常、没有明显的物理缺陷,能够与A380手簿和水准测量外业记录软件包有效兼容,实现数据的观测、传输、存储等功能,仪器、标尺的各项指标结果均满足一等水准观测要求,即满足DSZ05级要求,优于二等水准观测要求,可以用于本次试验。

4 数据比较分析

4.1 测站数据分析

选取4509(夏艾里沟)-Ⅱ大塘02(13)为试验区进行同步观测,同步观测期间天气云量、成像状况、太阳方向、风速风向、道路土质、温度等信息均一致,每一测站仪器安放位置基本一致,从而确保两款仪器每一测站前后视距一致,每一测站放置标尺时,扶持人员都要检查测钉的稳定性,确认测钉稳定后,再放置标尺,最终两个测段同步完成的最大时间间隔为14 min。 同步观测的高差偏离值见图1。

图1 测站往返测高差偏离值图

最大测站高差偏离、最小测站高差偏离、平均每站高差偏离、平均每千米高差偏离、平均每米高差的高差偏离见表2。

表2 测站高差偏离统计表

按照《规范》中对于数字水准仪两次读数所测高差的差执行基辅分化所测高差之差的限差这一规定,以二等水准观测基辅分化所测高差的差的限差Δ=0.6 mm作为测站高差偏离的限差,统计分析结果见表3。

表3 测站高差偏离精度统计表

在水准观测过程中,水准路线的不同走向会引起测量精度的轻微变化[13],往测为从北至南走向、返测为从南至北走向,分别对DL-2003A、DNA03测站数据进行线性相关性分析和协方差量化分析。为使相关性分析的结果更加显著,需要先对测站观测高差去大数,例如某一测站DL-2003A、DNA03观测高差分别为-1.297 70 m、-1.297 77 m,去大数后为-0.70 mm、-0.77 mm,然后再对去大数后的数值进行线性相关性分析和协方差量化分析。经计算得到往测相关系数为r往测=0.94,返测相关系数为r返测=0.91,均大于0.85,表明观测结果具有强相关性。由此可以看出,在测站层面上,无论水准路线走向是从北向南,还是从南向北,DL-2003A、DNA03观测结果的一致性、吻合性都较好。

4.2 测段数据分析

Ⅱ大塘线共计25个测段,测段走向丰富,包括南-北走向2个、东-西走向2个、东北-西南走向5个、西北-东南走向16个,同步观测的最大时间间隔为2 d。通过分析DL-2003A、DNA03两种仪器25个测段的测段不符值(图2),可以看出DL-2003A、DNA03的测段往返测不符值均满足限差要求。测段高差偏离值最大为-7.57 mm,最小为-0.12 mm,测段高差偏离值在0.5倍限差内的测段有23个,占比92%。同样,对测段高差中数进行去大数处理后,计算相关系数r测段=0.87,大于0.85,表明在测段层面上,DL-2003A、DNA03观测的高差成果具有强相关性,而且在不同走向的测段观测成果上,具有较好的一致性。

图2 测段高差和高差偏离值图

4.3 区段数据分析

Ⅱ大塘线分为4个区段,区段同步观测最大时间间隔为2 d,以区段高差中数作为研究对象,分析4个区段的区段往返测不符值、区段高差偏离值,具体见表4。可以看出,DL-2003A、DNA03的区段不符值均满足限差要求,而且均小于0.5倍限差;区段高差偏离值也全部满足限差要求,最大为20.35 mm,最小为4.85 mm。由于区段数据量较少,在此不做相关性分析。

表4 区段不符值、区段高差偏离值表

4.4 路线数据分析

Ⅱ大塘线整体同步观测最大时间间隔为2 d,以路线往返测高差中数为研究对象,可以得出,DL-2003A、DNA03的路线往返测不符值、路线高差偏离均满足限差要求,具体见表5。在路线层面上,DL-2003A与DNA03观测成果高度吻合,其路线高差偏离值在限差的10%以内。

表5 路线不符值、路线高差偏离值表

对Ⅱ大塘线两款仪器观测结果进行重力异常改正、固体潮改正后,DL-2003A、DNA03观测结果的附合路线闭合差分别为-5.83 mm、4.63 mm,满足限差要求。计算DL-2003A、DNA03观测成果的每千米偶然中误差MΔ[14-15]为

(4)

式中,Δ为测段往返测高差不符值,单位为毫米;R为测段长度,单位为千米;n为测段数。

求得DL-2003A、DNA03每千米偶然中误差分别为MΔDL-2003A=0.71 mm,MΔDNA03=0.58 mm,均满足二等水准观测每千米偶然中误差小于1.0 mm的要求,但DNA03每千米偶然中误差优于DL-2003A。

5 结束语

通过开展同步试验的方式,可以科学、准确评估国产高精度数字水准仪与进口仪器在高海拔地区同等条件下的综合性能,实验结果表明：

(1)DL-2003A的主要仪器检验指标实测结果与DNA03相当,DL-2003A仪器检验指标达到DSZ05级别。

(2)在高海拔地区DL-2003A、DNA03能进行同步观测,而且没有出现重大仪器故障,表明DL-2003A仪器性能良好,观测效率与DNA03相当。

(3)对测站、测段、区段、路线的往返测高差不符值、高差偏离值等指标进行分析,可以看出DL-2003A、DNA03观测的高差成果具有强相关性,不同走向的测段观测成果没有明显的系统性误差,附合路线闭合差、每千米偶然中误差均满足二等水准观测要求,表明DL-2003A可以满足高海拔地区二等水准观测要求。

此次研究也存在一些不足：①本文仅选用DL-2003A作为国产高精度数字水准仪的代表进行研究,其他品牌、型号的水准仪是否满足高等级精密水准测量需要进一步研究验证;②本文仅在高海拔环境下进行了试验,在高温、高寒、高湿度、大高差等环境下,国产高精度数字水准仪的性能需要进一步验证;③本文的观测时间较短、观测数据量不大,国产高精度数字水准仪在长时间、大量观测的情况下,其仪器性能的稳定性有待进一步验证。