摘要：近些年，我国的科学技术水平不断进步。本文基于笔者多年从事建筑物沉降监测的相关工作经验，以DiNi12电子水准仪在建筑物沉降监测中的应用为研究对象，分析了水准仪在建筑物沉降检测中的具体应用方案和数据处理方法，全文是笔者长期工作基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：数字水准仪，沉降观测，观测限差
引言
沉降是指工程建筑物及其基础在垂直方向的变形，其表现为在不同时期高程值H的变化。当建筑物的沉降超过了规定的限度时，会影响正常使用，严重时甚至危及建筑物的安全，因此，对建筑物沉降进行有效地监测与预报，已成为施工期间及竣工后确保建筑物安全的重要工作。自20世纪90年代数字水准仪问世以来，其精确性和高效性已经得到了认可，尤其是近年来，越来越广泛地应用于各项目测绘生产作业中，如地铁沉降监测、煤仓沉降监测、建筑物沉降监测以及等级水准测量等方面。
1数字水准仪工作原理
1.1基本结构
数字水准仪基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（线阵CCD器件）、读取电子元件、单片微处理机、CSI接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等，标尺采用条形码供电子测量使用。
1.2工作原理
虽各厂家的仪器结构和条形码的编码方式不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（CCD）上，随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（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。
2 DINI12数字水准仪简介
DINI12光学系统采用了光学自动安平水准仪的基本形式，具有典型的交叉吊带补偿器，也可以像光学水准仪一样使用。标尺采用条码分划，代替人们眼睛的是光电二级管阵列。在水准测量中，条码的像通过一个分光器，将光线分为两束：一束转射到CCD传感器光电二级管阵列上，另一束转射到观测镜上。信号的分析采用了相关的方法：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，并经过数字图象处理可获得条码中丝读数。
标称精度往返测量标准偏差为0．3mm/km，与传统光学水准仪相比，该仪器具有以下特点：
1）读数客观。不存在误读、误记问题，无人为读数误差。
2）读数精度高。中丝读数和视距读数都是采用大量条码分划图象处理后取平均值，因此减小了标尺分划误差和外界条件的影响。
3）测量速度快。由于省去了报数、听、记、现场计算以及人为出错引起的重测等，测量时间缩短。
4）测量效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。
5）操作简单。仪器实现了读数和记录的自动化，并预存了大量测量和检核程序，在操作中还有适时的提示，使得测量人员可以很快掌握使用方法。
6）自动改正测量误差。仪器可以对条码尺的分划误差、CCD传感器的畸变、数字i角、大气折光等系统误差进行修正。
3数字水准仪的优势
数字水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜中增加了分光镜和探测器（CCD），并采用条码标尺和图像处理电子系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。与传统仪器相比，有以下特点：
1）读数客观。不存在误读、误记问题，无人为读数误差。
2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划经图像处理后取平均得出来的，削弱了标尺分划误差影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可削弱外界条件的影响。
3）速度快。省去报数、听记、现场计算以及人为出错的重复测量，时间与传统仪器相比可节省1/3左右。具有结构清楚、界面友好的操作系统，易学易用，不熟练的作业人员也能进行高精度测量。能自动判断测量限差，并在超限时提示重测。
4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，数据无缝传输，减轻了劳动强度。
4仪器检验与校正
精密水准仪的检验内容有很多项，根据仪器性能和对水准测量的影响程度大小，外业使用过程中应重点对补偿器剩余误差、数字i角等进行检验和校正。
4.1补偿器剩余误差Δa的检验
补偿器剩余误差是指在补偿器正常工作后仍然不能完全补偿产生的差量。由于该仪器产品说明书中Δa0．2″，而规范中明确规定用于一等水准测量的仪器必须满足Δa0．1″，所以应对仪器的补偿器剩余误差进行检验。
1）在平坦的场地上量取距离D（一般取40m～50m），在其两端A，B打下带有圆帽钉的木桩作竖立条码尺之用，在A，B两点中间设置仪器，仪器的两个脚螺旋的连线应尽量与AB垂直。
2）精细的整平仪器，测定A，B两点的高差h作为比较的依据。
3）使用螺旋旋转使仪器向前、后、左、右四个方向倾斜分别测定A，B两点的高差h'。
4）Δh=h－h'，补偿误差Δa=Δh×p/D×a（a为倾斜角）。
5）经计算，前、后、左、右四个方向的Δa均0．1″，满足规范要求。
4.2观测周期
根据建筑物的性质、进度、土质情况及荷载增加情况等决定，有两种方法。①按荷载定，从开工至满荷载为第1阶段，一般为10-20天左右；从满荷载至沉降变化速度趋于稳定为第2阶段，一般在3个月内；从沉降变化速度稳定至基本无变形为第3阶段，一般为半年或1年。
②按沉降速度定，当沉降速度较大，应缩短观测周期，沉降速度放缓时，可适当加长观测周期。还应考虑地下水位、降水、地震等因素的影响，特殊情况下应及时加测一次，如果情况变化异常，应及时向有关部门汇报，采取有效措施。
4.3数据处理分析
此二等水准网，由18个点组成（见图1），布设成多结点闭合水准网。用TrimbleDiNi12数字水准仪外业观测，获得了所需的原始数据，分析数据中无错误或大的粗差，并进行初步的检核。构成该水准网两个大环和一个小环，各环的基本情况如表1所示。从表1可以看出，二等水准的外业观测是合格的，其精度指标远远高于规范所规定的允许误差，说明DiNi12数字水准仪用于本次沉降观测二等水准网的建立可行。
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可以看出，各点的高程中误差控制在1mm以内，精度符合工程要求。平差后的单位权中误差为0.62mm，每公里观测高差之中误差为1.56mm，且通过了置信度评价。本沉降监测控制网是正确，可以采用的。
结语
由于数字水准仪相较于光学水准仪的诸多优点，它已经完全能够取代传统光学水准仪进行高精度沉降观测，数字水准仪代表了精密水准仪的发展方向。在沉降观测应用中，我们应按照JGJ719—2016建筑变形测量规范相关技术指标要求规范数字水准仪的使用。
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论文作者:黄伟,顾惠军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/2/25
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