Leica DNA03数字水准仪及其精度测试
张志勇
（嘉兴市规划设计研究院 浙江嘉兴 314001）
摘 要 对数字水准仪的原理进行了阐述。介绍了Leica DNA03数字水准仪的主要技术指标、特点及各种测量功能，并对仪器进行了野外精度测试，得出了Leica DNA03数字水准仪适用于精密水准测量的结论。 关键词 数字水准仪；精度测试
DNA03数字水准仪是徕卡公司继NA3003数字水准仪后于2002年5月向中国市场投放的新型数字水准仪。仪器极具特色，测量性能佳，中文菜单显示，操作方便，符合中国国家水准测量规范，增加了数据加密、间歇测量等功能。本文对数字水准仪的原理进行了阐述，介绍了Leica DNA03数字水准仪的主要技术指标、特点及各种测量功能，通过对仪器进行野外精度测试，说明Leica DNA03数字水准仪完全适用于精密水准测量。
1 数字水准仪的基本原理
数字水准仪又称电子水准仪，具有与自动安平水准仪相同的光学机械结构，采用了典型的交叉吊带光学机械补偿器（如图1—1所示），它融光机电技术、图象处理技术、计算机技术于一体，以条码间隔影像信息与参考信号进行数字图像处理的原理，自动采集数据、信息处理和获取自动记录观测值，从而实现了水准测量的自动化。
数字水准仪水准标尺采用条形码分划，代替人们眼睛读数的是光电二极管阵列（CCD探测器）。在水准测量中，仪器完成照准调焦之后，条形码的象通过一个分光器，将光线分为两束，一束转射到传感器光电二极管阵列上，供电子读数，另一束转射到观测望远镜的分划板上，供目视观测。目前标尺条码信号的分析和处理采用的方法（也就是自动电子读数方法）有相关法、几何法和相位法三种，三种方法在原理上有较大差别，Leica公司的数字水准仪均采用的是相关法，将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较，仪器和标尺之间的高差即是标尺条形码象的位移量和因仪器、标尺间距离而产生的条形码象的大小的二维相关函数。二维相关是在标尺条形码影像上先确定一个待定点，称之为目标点，以
此待定点为中心选取m ? n个像素的灰度阵列作为目标区，为了在储存在仪器内的基准码影像中搜索同名影像，必须估计出该同名影像可能存在的范围，建立一个k ? l个像素的灰度阵列作为搜索区，相关的过程就是依次在搜索区中取出m ? n个像素灰度阵列，计算其与目标区的相似测度?ij，将仪器的调焦透镜位置参数作为相关搜索的初始值，当?取最大时，认为是最佳相关，该搜索窗口的条形码影像被认为是同名影像，这时标尺读数就可以确定（如图1—2所示）。
图1—2
2 DNA03数字水准仪的技术指标及特点
DNA03是Leica第二代数字水准仪。1990年徕卡测量系统（Leica Geosystems）的前身—瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说从1990年起，大地测量仪器全面完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数这一最后难关。2002年5月徕卡公司又推出了新型
的DNA03数字水准仪，该仪器外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有符合中国国家水准测量规范的丰富的机载软件，这意味着数字水准仪真正地为中国用户所接受。
2．1主要技术指标
重量：2.8kg（含GEB111电池） 大小：168?240?210mm
水准测量精度（每公里双次观测标准偏差）：
电子测量 铟钢条码尺——0.3 mm/km 普通尺——1.0mm/km 光学测量 普通尺2.0mm/km
距离测量精度： 标准偏差 5mm/10m 电子测距范围：
标尺长度3m 1.8m—110m 推荐的3m铟瓦标尺 1.8m—60m 标尺长度=2.7m 1.8m—100m 标尺长度=1.82m/2m 1.8m—60m 所需测量时间：3秒 望远镜
放大倍率 24? 物镜自由孔径 36mm 孔径角 2?
视场 3.5m ati 100m 最短标尺距离 0.6m 乘常数 100 加常数 0 水准仪灵敏度
圆水准器 8?/2mm 补偿器
用电子跟踪的磁阻尼摆补偿器 倾斜角（补偿范围） ?10? 补偿精度： 0.3? 显示
LC显示 8行，每行24个字符，144?64象素
照明 节电模式/永久模式/只照明圆水准器模式 加热 开/关 在-5度以下设置 测量值改正
倾斜误差改正 自动
地球曲率改正 开/关；水准仪检验改正值 记录
内存 约6000个测量成果，或大约1650站观测成果（BF），从“测
量与记录“，经RS232串行接口以GSI—8/GSI—16格式输出
数据积累 PCMCIA卡（电讯，SRAM），可达16MB的能力 温度范围
存贮 -40?C ~ +70?C 操作 -20?C ~ +50?C
环境条件
防水、防灰尘 IP53(Gem.IEC60529) 湿度 湿度达95%时不凝聚
磁场灵敏度
在水平面上0u Tup的野外长度不变 电池电量
电池(NiMH) GEB111 GEB121 电压 6V 6V 能力 1800mAh 3600mAh DNA03操作时间 12h 12h 2． 2仪器的主要特点
1）超大的存储容量。可支持最大容量达32MB的PCMCIA卡； 2）大屏幕的LCD，中文菜单显示，方便了操作； 3）极快的测量速度。单次测量需时约3秒；
4）选超大容量的镍氢电池。可支持6节AA干电池供电，给测量供电多了一种保障，
少了一份顾虑；
5）用户可自由定义输出数据格式，还用户多一点自主； 6）现代时尚的流线型外观，减低了风阻的影响；
7）徕卡独特的粗调焦功能，既省去了因前后视距不等而需要频繁调焦，也有效地去除
了调焦误差的影响。方便了操作，提高了精度；
8）符合中国水准测量规范，更有特别为中国用户设计的软件功能。如数据加密功能、
间歇检查；
9）全电子测量，超限自动停测报警； 10） 独特的相关测量原理，使得水准标尺刻划误差的影响降低到几乎可以忽略的程
度；
11） 12） 13） 14）
小视场读数，充分考虑了折光影响；
多达5种测量模式，能及时有效地确定和剔除周围环境如汽车行驶（震动）对水准测量的影响，从而确保了测量成果的质量。
标准化的GSI指令，使联机测量方便易行。用户使用仪器多了一种方式； 采用新型CCD，既提高了测量精度，又提高了测程。
3 DNA03数字水准仪的主要功能 3．1线路测量
在[PROG]功能选择“线路测量”，在“线路测量”菜单下有三项“设置作业”、“设置线路”、“设置限差”，在“设置作业”里可以命名作业名称(Job)、输入观测者姓名(Oper)等；在“设置线路”里输入线路名称(Name)、观测方法（Method），观测方法有BF、BFFB、aBF、aBFFB四种方法可供选择，各种测量方法的意义如下表；在“限差设置”里可以设置前后视距差（DistBal）、视线长度（MaxDist）、视线高度（StafLow）、测站高差之差（StaDif）、同一标尺两次读数之差（B-B/F-F），设置的限差是否要遵守，取决于应用需要，仪器设置了可以检查限差也可以不检查限差的功能（用定位键选择检查（on）或不检查（off）限差），如果要检查限差，只要测量成果超限，就立即报警并显示一条信息说明哪项限差超限，而且允许立即重新测量。
各种观测方法（Method）说明
方法 BF aBF BFFB aBFFB 奇数站 BF（后—前） BF（后—前） BFFB（后—前—前—后） BFFB（后—前—前—后）
3． 2水准仪i角检校
众所周知，水准测量中采用前、后视距相等的方法，以消除仪器i角对观测数据的影响， 但在实际测量中，由于地形和丈量等客观条件的限制，不可能完全遵守前后视距相等的原则。因此，对水准测量特别是精密水准测量，仪器i角的大小和稳定性是保证水准测量精度的一个重要条件。虽然数字水准仪具有将测定的i角存入机内并对所测数据按该i角进行自动修正的功能，但仪器i角受外界温度、湿度、振动的影响而瞬时变化仍然存在，所以用数字水准仪进行水准测量时也必须经常对仪器i角进行检测。Leica DNA03数字水准仪提供了i角检测的方法和程序。
在Leica DNA03数字水准仪i角检测程序中，提供了两种不同的检测方法供选择：“A?B?”法和“A??B”法（A和B是标尺位置，?是仪器位置），每种方法又各有两种方法：
偶数站 BF（后—前） FB（前—后） BFFB（后—前—前—后） FBBF（前—后—后—前）