電子水準(zhǔn)儀歷史發(fā)展

1963年Fennel廠研制出了編碼經(jīng)緯儀，加上20世紀(jì)40年代已經(jīng)出現(xiàn)的電磁波測距技術(shù)和光電技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和精密機(jī)械的發(fā)展，到80年代已開始普遍使用電子測角和電子測距技術(shù)。然而，到80年代末水準(zhǔn)測量還在使用傳統(tǒng)光學(xué)儀器。這是由于水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)標(biāo)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(shù)上造成了實現(xiàn)數(shù)字化讀數(shù)的困難。

為了現(xiàn)實水準(zhǔn)儀讀數(shù)的數(shù)字化，人們進(jìn)行了近30年的嘗試，如蔡司廠的RENl 002A已使測微器讀數(shù)能自動完成，但粗讀數(shù)還需人工讀出并按鍵輸入，與精讀數(shù)一起存入存儲器，因此還算不上真正的電子水準(zhǔn)儀；又如利用激光掃乎儀和帶探測的水準(zhǔn)標(biāo)尺，可以使讀數(shù)由標(biāo)尺自動記錄，由于這種試驗結(jié)果還不能達(dá)到精密幾何水準(zhǔn)測量的要求，因此也沒有解決水準(zhǔn)測量讀數(shù)自動化的難題。

直到1990年威特廠首先研制出數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000?？梢哉f，從1990年起，大地測量儀器已經(jīng)完成了從精密光機(jī)儀器向光機(jī)電測一體化的高技術(shù)產(chǎn)品的過渡，攻克了大地測量儀器中水準(zhǔn)儀數(shù)字化讀數(shù)的這一最后難關(guān)。

到1994年蔡司廠研制出了電子水準(zhǔn)儀DiNi 10/20，同年拓普康廠也研制出了電子水準(zhǔn)儀DL-101/102，隨后拓普康廠又研制出帶PCMClA卡槽的DL-101C/102C，索佳(SOK-KIA)研制了新型數(shù)字水準(zhǔn)儀POWERLEVEL SDL 30。這意味著電子水準(zhǔn)儀也將普及，但就其精度與穩(wěn)定性電子水準(zhǔn)儀是否能與光學(xué)水準(zhǔn)儀相提并論，則有待實踐進(jìn)一步證明。GPS技術(shù)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(zhǔn)測量。這也是各廠家努力開發(fā)電子水準(zhǔn)儀的原因之一。

目前，電子水準(zhǔn)儀的照準(zhǔn)標(biāo)尺和調(diào)焦仍需目視進(jìn)行。人工調(diào)試后，標(biāo)尺條碼一方面被成像在望遠(yuǎn)鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠(yuǎn)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(shù)。由于各廠家標(biāo)尺編碼的條碼圖案各不相同，因此條碼標(biāo)尺一般不能互通使用。當(dāng)使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行測量時，電子水準(zhǔn)儀也可以像普通自動安平水準(zhǔn)儀一樣使用，不過這時的測量精度低于電子測量的精度，特別是精密電子水準(zhǔn)儀，由于沒有光學(xué)測微器，當(dāng)成普通自動安平水準(zhǔn)儀使用時，其精度更低。

電子水準(zhǔn)儀電子讀數(shù)方法

當(dāng)前電子水準(zhǔn)儀采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數(shù)方法：

1）相關(guān)法(徠卡NA3002/3003)；

2) 幾何法(蔡司DiNi10/20)；

3) 相位法(拓普康DL101C/102C)；

電子水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn)

它與傳統(tǒng)儀器相比有以下特點(diǎn)：

1)讀數(shù)客觀。不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數(shù)誤差。

2)精度高。 視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進(jìn)行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進(jìn)行高精度測量。

3)速度快。由于省去了報數(shù)、聽記、現(xiàn)場計算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。

4)效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強(qiáng)度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機(jī)進(jìn)行后處理，可實線內(nèi)外業(yè)一體化。

此儀器利用近代電子工程學(xué)原理由傳感器識別條形碼水準(zhǔn)尺上的條形碼分畫，經(jīng)信息轉(zhuǎn)換處理獲得觀測值，并以數(shù)字形式顯示在顯示窗口上或存儲在處理器內(nèi)。儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，儀器帶自動安平補(bǔ)償器，補(bǔ)償范圍為±12'。與儀器配套的水準(zhǔn)尺為條紋編碼尺——玻璃纖維塑料或鋼尺。水準(zhǔn)標(biāo)尺為雙面分畫三段折接式，每段長度為1.35m，標(biāo)尺總長為4.05m，其分畫形式為條紋碼和厘米分畫。條紋碼分畫供電子水準(zhǔn)儀觀測時電子掃描用，標(biāo)尺另一面的厘米分畫可供光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測時使用。

觀測時，經(jīng)自動調(diào)焦和自動整平后，水準(zhǔn)尺條紋碼分畫影像映射到分光鏡上，并將它分為兩部分，一部分是可見光，通過十字絲和目鏡，供照準(zhǔn)用；另一部分是紅外光射向探測器，并將望遠(yuǎn)鏡接收到的光圖像信息轉(zhuǎn)換成電影像信號，并傳輸給信息處理器，與機(jī)內(nèi)原有的關(guān)于水準(zhǔn)尺的條紋碼本源信息進(jìn)行相關(guān)處理，于是就得出水準(zhǔn)尺上水平視線處的讀數(shù)。

使用電子水準(zhǔn)儀測量既方便又準(zhǔn)確，實現(xiàn)了水準(zhǔn)測量自動化。近幾年來徠卡公司又推出了更精密的數(shù)字水準(zhǔn)儀NA3000，其觀測精度更高。圖2是NA2002、NA3003的測量原理示意圖。

作為一種新型的電子水準(zhǔn)儀，它改變了傳統(tǒng)的野外高差測量靠人工讀數(shù)和手工記錄的現(xiàn)實。電子水準(zhǔn)儀采用REC模塊存儲數(shù)據(jù)和信息，將模塊插入水準(zhǔn)儀的插槽中，自動記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，用GIF 10或GIF 12閱讀器讀取內(nèi)容并與外設(shè)(計算機(jī)、打印機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

電子水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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(shù)據(jù)和點(diǎn)數(shù)，信息模塊包括外加的數(shù)據(jù)和手段。NA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)式為GSI數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)按觀測順序以行形式記錄。一行由幾個數(shù)據(jù)段組成，每個數(shù)據(jù)段的長度固定為16個字符，最后一位為空格。

電子水準(zhǔn)儀存儲格式

NA3003數(shù)字水準(zhǔn)儀測量模塊中每個數(shù)據(jù)行通常由2～6個數(shù)據(jù)段組成，每個數(shù)據(jù)行開始的第一個數(shù)據(jù)都存放數(shù)據(jù)行的編碼號和點(diǎn)號，第二個數(shù)據(jù)段開始存放其它測量數(shù)據(jù)和信息。針對不同的測量程序、觀測方法、測量內(nèi)容，數(shù)據(jù)行中的數(shù)據(jù)段有不同的組合，這由程序自行設(shè)定。

電子水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊是指將數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間進(jìn)行傳輸?shù)倪^程，計算機(jī)的通訊采用美國標(biāo)準(zhǔn)信息轉(zhuǎn)換碼(ASCII碼)作為數(shù)據(jù)傳輸碼。通訊方式有串行通訊和并行通訊兩種。REC模塊通過GIF₁₀閱讀器與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸就是采用串行通訊方式。因此，在數(shù)據(jù)通訊前除了用通訊電纜將GIF₁₀閱讀器與計算機(jī)串行口連接之外，還需要對通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。只有雙方參數(shù)設(shè)置一致，數(shù)據(jù)通訊才能順利的進(jìn)行，微機(jī)的通訊參數(shù)是通過通訊程序來進(jìn)行設(shè)置。而GlF₁₀閱讀器是通過COMM功能來設(shè)置，要進(jìn)行設(shè)置的通訊參數(shù)主要有以下幾個部分：

(1)波特率 以每秒傳送的位數(shù)表示數(shù)據(jù)傳送速度。一般設(shè)置為2400；

(2)奇偶性檢查 奇偶性檢查是一種檢驗已傳送的數(shù)據(jù)是否正確接收的方法；

(3)協(xié)議(也叫回答方式) 由于有多個數(shù)據(jù)模塊需要傳輸，通常需要接收機(jī)來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳送速度，它決定是否可以接收和處理更多的數(shù)據(jù)；

(4)結(jié)束符 發(fā)送機(jī)可在每個數(shù)據(jù)末尾發(fā)送一個結(jié)束符，GIF₁₀發(fā)送一個CD或CD/LF結(jié)束符標(biāo)記在數(shù)據(jù)、命令和信息的末尾，我們選擇CD作為結(jié)束符；

(5)停止位 由于采用串行通訊方式，其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線，一條用于發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)，一條用于接收數(shù)據(jù)(RXD)。這里有兩種情況，數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)或終端設(shè)備(DTE)重要的是GIF₁₀數(shù)據(jù)輸出要連到計算機(jī)上的數(shù)據(jù)接收(RXD)。

1)安置儀器：電子水準(zhǔn)儀的安置同光學(xué)水準(zhǔn)儀。

2)整平：旋動腳螺旋使圓水準(zhǔn)盒氣泡居中。

3)輸人測站參數(shù)：輸入測站高程。

4)觀測：將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)條紋水準(zhǔn)尺，按儀器上的測量鍵。

5)讀數(shù)：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(shù)據(jù)。

在使用電子水準(zhǔn)儀之前必須注意以下幾點(diǎn)：

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

元件。在太陽較低或陽光直接射向物鏡時，應(yīng)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(zhuǎn)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。

1距離測量方法：（1）直接丈量（2）間接視距測量（3）物理測距

2高程測量方法：（1）幾何水準(zhǔn)測量（2）三角高程測量（3）液體靜力水準(zhǔn)測量（4）GPS高程測量

3電子水準(zhǔn)儀優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）讀數(shù)客觀（2）精度高（3）速度快（4）效率高（5）操作簡單

缺點(diǎn)：（1）電子水準(zhǔn)儀對標(biāo)尺讀數(shù)時不如光學(xué)水準(zhǔn)儀靈活，且它要求有一定的視場范圍。（2）電子水準(zhǔn)儀受外界條件影響較大。

4全站儀又稱全站型電子測速儀，是一種兼有電子測距、電子測角、計算和數(shù)據(jù)自動記錄及傳輸功能的自動化、數(shù)字化的三維坐標(biāo)測量與定位系統(tǒng)。

分類（1）按外觀結(jié)構(gòu)分：積木類，整體型

（2） 按測距儀測程分：短程、中程和高程測距全站儀

（3）按測角、測距準(zhǔn)確度分：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ等

5全站儀的發(fā)展趨勢

（1）小型化，系列化發(fā)展趨勢

（2）功能不斷增加，操作系統(tǒng)和軟件本地化

（3）功能集成化發(fā)展趨勢

6儀器：投影儀，激光掃平儀，手持式激光測距儀，激光掃描儀，激光跟蹤儀，GPS，全站儀，經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀，螺旋經(jīng)緯儀，超站儀。