電子水準儀

1963年Fennel廠研製出了編碼經緯儀，加上20世紀40年代已經出現的電磁波測距技術和光電技術、計算機技術和精密機械的發展，到80年代已開始普遍使用電子測角和電子測距技術。然而，到80年代末水準測量還在使用傳統光學儀器。這是由於水準儀和水準標尺不僅在空間上是分離的，而且兩者的距離可以從1m多變化到100m，因此，在技術上造成了實現數字化讀數的困難。

為了現實水準儀讀數的數字化，人們進行了近30年的嘗試，如蔡司廠的RENl 002A已使測微器讀數能自動完成，但粗讀數還需人工讀出並按鍵輸入，與精讀數一起存入存儲器，因此還算不上真正的電子水準儀；又如利用激光掃乎儀和帶探測的水準標尺，可以使讀數由標尺自動記錄，由於這種試驗結果還不能達到精密幾何水準測量的要求，因此也沒有解決水準測量讀數自動化的難題。

直到1990年威特廠首先研製出數字水準儀NA2000。可以説，從1990年起，大地測量儀器已經完成了從精密光機儀器向光機電測一體化的高技術產品的過渡，攻克了大地測量儀器中水準儀數字化讀數的這一最後難關。

到1994年蔡司廠研製出了電子水準儀DiNi 10/20，同年拓普康廠也研製出了電子水準儀DL-101/102，隨後拓普康廠又研製出帶PCMClA卡槽的DL-101C/102C，索佳(SOK-KIA)研製了新型數字水準儀POWERLEVEL SDL 30。這意味着電子水準儀也將普及，但就其精度與穩定性電子水準儀是否能與光學水準儀相提並論，則有待實踐進一步證明。GPS技術只能確定大地高，大地高換算成工程上實用的正高，還需要知道高程異常，確定高程異常還少不了精密水準測量。這也是各廠家努力開發電子水準儀的原因之一。 ^[2] 

目前，電子水準儀的照準標尺和調焦仍需目視進行。人工調試後，標尺條碼一方面被成像在望遠鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，又被成像在光電傳感器（又稱探測器）上，供電子讀數。由於各廠家標尺編碼的條碼圖案各不相同，因此條碼標尺一般不能互通使用。當使用傳統水準標尺進行測量時，電子水準儀也可以像普通自動安平水準儀一樣使用，不過這時的測量精度低於電子測量的精度，特別是精密電子水準儀，由於沒有光學測微器，當成普通自動安平水準儀使用時，其精度更低。

當前電子水準儀採用了原理上相差較大的三種自動電子讀數方法：

1）相關法(徠卡NA3002/3003)；

2) 幾何法(蔡司DiNi10/20)；

3) 相位法(拓普康DL101C/102C)；

它與傳統儀器相比有以下特點：

1)讀數客觀。不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數誤差。

2)精度高。 視線高和視距讀數都是採用大量條碼分劃圖象經處理後取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業人員業也能進行高精度測量。

3)速度快。由於省去了報數、聽記、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與傳統儀器相比可以節省1/3左右。

4)效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理並能輸入電子計算機進行後處理，可實線內外業一體化。 ^[3] 

此儀器利用近代電子工程學原理由傳感器識別條形碼水準尺上的條形碼分畫，經信息轉換處理獲得觀測值，並以數字形式顯示在顯示窗口上或存儲在處理器內。儀器的結構如圖1所示，儀器帶自動安平補償器，補償範圍為±12'。與儀器配套的水準尺為條紋編碼尺——玻璃纖維塑料或鋼尺。水準標尺為雙面分畫三段折接式，每段長度為1.35m，標尺總長為4.05m，其分畫形式為條紋碼和釐米分畫。條紋碼分畫供電子水準儀觀測時電子掃描用，標尺另一面的釐米分畫可供光學水準儀觀測時使用。

觀測時，經自動調焦和自動整平後，水準尺條紋碼分畫影像映射到分光鏡上，並將它分為兩部分，一部分是可見光，通過十字絲和目鏡，供照準用；另一部分是紅外光射向探測器，並將望遠鏡接收到的光圖像信息轉換成電影像信號，並傳輸給信息處理器，與機內原有的關於水準尺的條紋碼本源信息進行相關處理，於是就得出水準尺上水平視線處的讀數。

使用電子水準儀測量既方便又準確，實現了水準測量自動化。近幾年來徠卡公司又推出了更精密的數字水準儀NA3000，其觀測精度更高。圖2是NA2002、NA3003的測量原理示意圖。 ^[4] 

作為一種新型的電子水準儀，它改變了傳統的野外高差測量靠人工讀數和手工記錄的現實。電子水準儀採用REC模塊存儲數據和信息，將模塊插入水準儀的插槽中，自動記錄外業觀測數據，用GIF 10或GIF 12閲讀器讀取內容並與外設(計算機、打印機)進行數據交換。

REC模塊存儲兩種類型的信息單元：測量模塊和信息模塊。測量模塊包括測過的數據和點數，信息模塊包括外加的數據和手段。NA系列數字水準儀的數據式為GSI數據格式，數據按觀測順序以行形式記錄。一行由幾個數據段組成，每個數據段的長度固定為16個字符，最後一位為空格。

NA3003數字水準儀測量模塊中每個數據行通常由2～6個數據段組成，每個數據行開始的第一個數據都存放數據行的編碼號和點號，第二個數據段開始存放其它測量數據和信息。針對不同的測量程序、觀測方法、測量內容，數據行中的數據段有不同的組合，這由程序自行設定。

數據通訊是指將數據在不同設備之間進行傳輸的過程，計算機的通訊採用美國標準信息轉換碼(ASCII碼)作為數據傳輸碼。通訊方式有串行通訊和並行通訊兩種。REC模塊通過GIF₁₀閲讀器與計算機之間的數據傳輸就是採用串行通訊方式。因此，在數據通訊前除了用通訊電纜將GIF₁₀閲讀器與計算機串行口連接之外，還需要對通訊參數進行設置。只有雙方參數設置一致，數據通訊才能順利的進行，微機的通訊參數是通過通訊程序來進行設置。而GlF₁₀閲讀器是通過COMM功能來設置，要進行設置的通訊參數主要有以下幾個部分：

(1)波特率 以每秒傳送的位數表示數據傳送速度。一般設置為2400；

(2)奇偶性檢查 奇偶性檢查是一種檢驗已傳送的數據是否正確接收的方法；

(3)協議(也叫回答方式) 由於有多個數據模塊需要傳輸，通常需要接收機來調節數據傳送速度，它決定是否可以接收和處理更多的數據；

(4)結束符 發送機可在每個數據末尾發送一個結束符，GIF₁₀發送一個CD或CD/LF結束符標記在數據、命令和信息的末尾，我們選擇CD作為結束符；

(5)停止位 由於採用串行通訊方式，其數據傳送將一位接一位順序傳送。因此停止位選擇1Bit：

(6)連接 一個RS₂₃₂接口使用兩條數據線，一條用於發送數據(TXD)，一條用於接收數據(RXD)。這裏有兩種情況，數據通訊設備(DCE)或終端設備(DTE)重要的是GIF₁₀數據輸出要連到計算機上的數據接收(RXD)。 ^[5] 

1)安置儀器：電子水準儀的安置同光學水準儀。

2)整平：旋動腳螺旋使圓水準盒氣泡居中。

3)輸人測站參數：輸入測站高程。

4)觀測：將望遠鏡對準條紋水準尺，按儀器上的測量鍵。

5)讀數：直接從顯示窗中讀取高差和高程。此外，還可獲取距離等其它數據。 ^[4] 

在使用電子水準儀之前必須注意以下幾點：

1)不要將鏡頭對準太陽，將儀器直接對準太陽會損傷觀測員眼睛及損壞儀器內部電子

元件。在太陽較低或陽光直接射向物鏡時，應用傘遮擋。 ’

2)條紋編碼尺表面保持清潔，不能擦傷，儀器是通過讀取尺子黑白條紋來轉換成電信

號的，如果尺子表面粘上灰塵、污垢或擦傷，會影Plan量精度或根本無法測量。 ^[2]