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
专题二

数字水准仪及其在CPⅢ测量中的应用
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数字水准仪的概念
数字水准仪(digital level)是用于自动
化水准测量的仪器，它采用CCD阵列传感器
获取编码水准尺的图像，依据图像处理技术
来获取水准标尺的读数，标尺图像处理及其
处理结果的显示均由仪器内置计算机完成。
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电子水准的工作原理?
电子水准其实与光学水准没有多少不同的
地方。在光学水准中用到的许多原理和方法在
电子水准中任然需要用到。
那电子水准到底是如何工作的呢?她是利
用仪器里的十字丝瞄准的电子照相机 。当您按
下了Meas 测量键时，仪器就会把您瞄准并调
焦好的尺子上的条码图片来一个快照，然后把
她和仪器内存中的同样的尺子条码图片进行比
较和计算。这样，一个尺子的读数就可以计算
出来并且保存在内存中了。
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数字水准仪的发展
 1990年Wild厂推出了第一款数字水准仪NA2000，测量
精度为±1.5mm/km，用于普通水准测量，1991年升级为
NA2002；1991年底推出NA3000，测量精度提高到了
±0.4mm/km，达到了精密水准仪的要求，1994年升级为
NA3003。2002年推出的DNA03和DNA10，面向精密水准测量，
精度分别为±0.3mm/km和±0.9mm/km。2004年下半年推出
了面向中低端市场的Sprinter 100/100M/200/200M，精度
分别为±2.0mm/km和±1.5mm/km。
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数字水准仪的发展
 1994年德国Zeiss厂生产出了两种型号的数字水准仪Dini10和
Dini20，测量精度分别到了±0.3mm/km和±0.7mm/km，不久又推
出了带角度测量功能的Dini10（T）。其后又推出了Dini12(T)和
Dini22，精度分别为±0.3mm/km和±0.7mm/km。
 1994年底Topcon也推出了两种型号的数字水准仪DL-101和DL-102，
测量精度分别达到了±0.4mm/km和±1.0mm/km。1997年升级为能
安置PCMCIA卡的DL-101C和DL-102C。
 SOKKIA也推出SDL30M和SDL50M。
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Trimble Zeiss Dini
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DiNi 12 图示
带提把粗瞄准器
的弧型提把
水平微动螺旋
“双动”
调焦旋钮
条码尺图例
目镜对焦
水平气泡
电池锁扣
键盘和
显示面板
360°水平测角环
PCMCIA 卡插槽
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Leica DNA
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SOKKIA SDL
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Topcon DL
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测量原理
编码标尺
望远镜
分光镜
分划板
CCD阵列
键盘
A/D转换
CPU
存储器/串口
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目镜
显示器
与光学水准仪的比较
 相同点：数字水准仪具有与传统水准仪相同的光学、机械
和补偿器结构；光学系统也是沿用光学水准仪；水准标尺一
面具有用于电子读数的条码，另一面具有传统水准标尺的E
型分划，既可用于数字水准测量，也可用于传统水准测量。
 不同点：传统水准仪用人眼观测，数字水准仪用光电传感
器(CCD线阵)代替人眼；数字水准仪与其相应条码水准标尺
配用。仪器内装有图像识别器，采用数字图像处理技术。另
外对于精密水准仪而言，传统的利用测微器读数，而数字水
准仪没有测微器。
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数字水准仪优点
1．速度快：水准仪自动探测读数、记录和检核，不用观测员
人工观测，作业速度快慢取决于仪器整置速度和跑尺人员的速度。
2．精度高：图像处理技术自动判别读数，免除了观测员人工
夹准分划和读数误差的影响。对图形影像多个分划取平均值，有
利于消除标尺分划误差。另外速度的提高，可消除与时间有关的
外界条件的影响，如温度变化引起的视准轴的变化，大气垂直折
光的变化，仪器水准尺升降等的影响。
3．仪器重量轻，操作简便，减轻作业员的劳动强度。
4．易于实现测量内外业一体化。数字水准仪将数据直接记录
在卡或内存中，及时检核，按规定格式输出，便于在计算机上处
理，形成自动流程，不仅大大提高了工作效率，而且避免了由于
人工记录、计算出现的差错。
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数字水准仪用于CPⅢ高程测量

CPⅢ高程控制网测量有两种方法：

“中视”法

“转圈”法
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中视法水准测量方法
BM-2
CP3-1
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
CP3-33
CP3-4
CP3-6
CP3-8
CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
CP3-34
10m
60m
CP3-2
BM-1
BM-2
CP3-1
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
CP3-33
CP3-4
CP3-6
CP3-8
CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
CP3-34
60m
10m
CP3-2
BM-1
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转圈法水准测量方法
CP3-1
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
BM-2
CP3-33
10m
CP3-2
60m
CP3-4
CP3-6
CP3-8
CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
BM-1
CP3-1
CP3-34
BM-2
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
CP3-33
10m
CP3-2
60m
CP3-4
CP3-6
CP3-8
BM-1
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CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
CP3-34
两种测量方法闭合环情况
CP3-1
10m
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
CP3-33
CP3-4
CP3-6
CP3-8
CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
CP3-34
60m
CP3-2
中视法闭合环示意图
CP3-1
10m
CP3-2
CP3-3
CP3-5
CP3-7
CP3-9
CP3-11
CP3-13
CP3-29
CP3-31
CP3-33
CP3-4
CP3-6
CP3-8
CP3-10
CP3-12
CP3-14
CP3-30
CP3-32
CP3-34
60m
转圈法闭合环示意图
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数据处理
数字水准仪能自动采集并将观测数据以一定的记录格式存储
下来，为内外业一体化提供原始数据。虽然数字水准仪生产厂家
也提供了一部分后处理软件，但要么功能过于简单，不能满足实
际生产的需要，要么软件功能强大，价格也较高，一般单位难以
承受。而实际上原始数据皆为可读的文本文件，若能熟悉其数据
组成格式，就可以编写适合本单位生产需要的程序来完成后续数
据处理工作。
测段/测线：水准测量中两个水准点之间或水准点与临时点之
间的水准路线。
 测量方式或程序：水准测量过程中，为减弱或消除多项误差
的影响而采取的观测顺序，如后前、后前前后、后后前前等，常
用B(Back)表示后视，F(Fore)表示前视，a(altering )表示奇偶数站
交替。
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数据读取流程图
打开文件
打开文件
读取数据格式
显示数据格式
按行读取数据
是
RecE文件或
Rec500文件
按行读取数据
再读一行数据
否
For开头？
作废数据？
否
是
开头41还是*41
是
提取后视视距、读
数，根据测量模式
区分两次读数
否
含Rf？
增加一条新Line
是
提取前视视距、读
数，根据测量模式
区分两次读数
按测量模式读取
视距与标尺读数
否
模式最后一个读数？
否
含Rb？
否
是
否
测线结束？
是
提取测量模式，测线号
否
测线开始？
否
否
是
计算并显示测站高
差、距离等信息
测量模式的最
后一个读数
否
是
Dini
保存高差文件
退出程序
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计算并显示高
差、距离等信息
原始文件尾部
是
否 原始文件尾部
是
DNA
保存高差文件
退出程序
假设每个数据文件的多
条Line采用同一种格式
使用注意事项
1．补偿误差
数字水准仪是在光学自动安平水准仪的基础上发展起来的，补偿器
基本上都属于吊带重力补偿器，经过运输、温度变化等，其内应力发生
变化，补偿性能差异较大，必须定期检测，超过限差时应及时调校。另
外应注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不要立即测量，要有1～2秒的
时间延迟。
2．视准线误差(i角)
视准线误差的大小直接影响着水准测量的成果，测量过程中尽量保
证前后视距离差在规定的范围内。数字水准仪一般都有独立的测距功能，
水准尺读数前可以根据距离测量值调整水准尺或水准仪的位置。
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使用注意事项
3．光亮度对测量的影响
数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换
为用于测量的有效电信号，这些有效的信号强度是由时间积分决定的，
象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围
大约为几毫秒到2秒之间。
①采样条码群体中亮度不均匀时（如遇阴影），就会使曝光时间失
控，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。
②在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，既使
传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量
信号的估算产生困难，往往造成测量失败。
③另外在测量中光强发生强烈变化时，此时应停止测量。
④在测量中，若仪器处的亮度大于标尺处的亮度时，光线通过仪器
的物镜和目镜的漫反射，使CCD的本底噪声增大，造成标尺条码曝光不
足，使测量失败或影响测量。这时可将目镜遮住，物镜罩上遮光罩，情
况就会得到改善。
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使用注意事项
4．调焦对测量的影响
但是数字水准仪是依据用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的
平均值，因此调焦对测量的影响远比光学水准仪小得多。若仅是通常调
焦波动，则对测量结果只产生微不足道的影响，测量时间相对延长而已。
若读数时焦距未调整清晰，则易造成测量失败。
5．标尺安置状态对测量的影响
仪器在自动测量过程中对标尺安置状态的监视反映很迟钝，偏离垂
直状态很大范围，仪器仍然测量。因此显得标尺安置更为重要。精密因
瓦条码标尺上都安置了圆水准器，这对提高标尺的安置速度有一定益处。
6．磁致误差
虽然目前数字水准仪的补偿器都是用铝或非磁性材料制造的，在均
匀磁场下检测无显著影响，但在交变磁场中，都能检测到补偿器的偏转
量，因此测区通过大功率的发电厂、变电枢纽或测线沿高压输电线、电
气化铁路时，要谨慎选用仪器，必须检测其磁致误差影响幅度。
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使用注意事项
7．仪器的晾置和预热
由于仪器参数(如i角)受环境温度影响易发生变化，作业前仪器充分
晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致或处于稳定的热交换平衡状态，
避免仪器在初始阶段(温度不稳定阶段)进行测量而影响精度。在结束晾
置时间前3分钟打开电源进行预热，晾置时间与仪器和环境的温差成正比，
对精密测量，晾置时间一般是温差度数的2~3倍。如温差l0℃，则晾置时
间约20~30 min。在潮湿情况下，应擦去水珠，晾干或吹干仪器，及时
烘烤于燥剂，使仪器存放在干燥的箱体内。
8．振动对测量的影响
由于交通、机械、风等产生的振动，影响补偿器致使视准线不稳。
在周围环境恶劣时，如明显的机械振动，载重运输车通过，风力过大等，
应暂停测量。
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Trimble（DINI12）水准仪数据格式



















For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
For
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
M5|Adr
155|TO Start-Line
156|KD1
A5
157|KD1
A5
158|KD1
Z
159|KD1
Z
160|KD1
Z
161|KD1
A6
162|KD1
A6
163|KD1
A6
164|KD1
A7
165|KD1
A7
166|KD1
A7
167|KD1
A8
168|KD1
A8
169|KD1
A8
170|KD1
A09
171|KD1
A09
172|KD1
A09
173|KD1
A10
BF
14:51:052
14:51:262
14:51:26
14:52:142
14:52:392
14:52:39
14:53:252
14:53:552
14:53:55
14:54:272
14:54:412
14:54:41
14:55:182
14:55:552
14:55:55
14:56:402
14:57:032
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5|
5|
5|Rb
5|Rf
5|
5|Rb
5|Rf
5|
5|Rb
5|Rf
5|
5|Rb
5|Rf
5|
5|Rb
5|Rf
5|
5|Rb
5|Rf
|
|
0.51518 m
1.39704 m
|
1.35669 m
0.31679 m
|
0.32519 m
0.35876 m
|
0.37931 m
0.38016 m
|
0.36996 m
0.40854 m
|
0.40051 m
0.33499 m
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|HD
|
|
|Z
0.00000 m
12.427 m |
12.783 m |
|Z
-0.88186 m
6.549 m |
7.362 m |
|Z
0.15804 m
11.111 m |
9.957 m |
|Z
0.12447 m
15.760 m |
14.218 m |
|Z
0.12362 m
14.373 m |
15.427 m |
|Z
0.08504 m
17.634 m |
16.752 m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Leica（DNA03）水准仪数据格式
410001+?......4

110002+000000A1 83..58+00000000

110003+000000A1 32...8+02131312 331.28+00124641 390...+00000003 391.28+00000003

110004+000000Z1 32...8+02203064 332.28+00138141 390...+00000003 391.28+00000002

110005+000000Z1 32...8+02204457 336.28+00138117 390...+00000003 391.28+00000002

110006+000000A1 32...8+02130350 335.28+00124635 390...+00000003 391.28+00000001

110007+000000Z1 571.28-00000017 572.28-00000017 573..8-00072930 574..8+04334592
83..28-00013491

110008+000000Z2 32...8+01866411 332.28+00126780 390...+00000003 391.28+00000002

110009+000000Z1 32...8+01889078 331.28+00140066 390...+00000003 391.28+00000003

110010+000000Z1 32...8+01888071 335.28+00140097 390...+00000003 391.28+00000003

110011+000000Z2 32...8+01866826 336.28+00126781 390...+00000003 391.28+00000001

110012+000000Z2 571.28-00000031 572.28-00000048 573..8-00050975 574..8+08089785
83..28-00000190




11:Pointnumber（点号）
83：Target Elevation (H)（高程）
32：Horizontal distance（平距）
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高差文件格式
测站 后视 前视 后尺读数 n后视距 前尺读数 前视距 视距长 累计视距长 测站高差 累计高差


















Start-Line
27
A5
28
Z
29
BM1
30
Z
End-Line
Start-Line
31
BM1
32
Z
33
106
34
105
35
104
36
Z
37
103
38
102
39
101
40
Z
End-Line
Z
BM1
Z
A5
0.64606 21.473 1.18273 25.281 46.7540 711.0460 -0.53667 -0.53665
1.32782 28.665 1.41044 21.983 50.6480 761.6940 -0.08262 -0.61927
1.42024 21.983 1.33978 29.612 51.5950 813.2890 0.08046
-0.53881
1.18146 24.205 0.64264 21.612 45.8170 859.1060 0.53882
0.00001
Z
106
105
104
Z
103
102
101
Z
BM1
1.45133 31.255
1.41892 18.993
1.00894 10.656
0.93331 8.261
0.95154 13.443
1.40633 11.576
1.04896 11.004
1.06026 13.814
0.70802 16.599
1.33934 32.987
中铁十一局CPⅢ培训
1.30094 32.132
0.64779 16.396
0.92204 12.227
0.95156 13.443
1.28215 11.975
1.04902 11.004
1.06926 11.828
0.90051 5.022
1.71617 23.701
1.48472 31.692
63.3870 922.4930 0.15039
35.3890 957.8820 0.77113
22.8830 980.7650 0.0869
21.7040 1002.4690 -0.01825
25.4180 1027.8870 -0.33061
22.5800 1050.4670 0.35731
22.8320 1073.2990 -0.0203
18.8360 1092.1350 0.15975
40.3000 1132.4350 -1.00815
64.6790 1197.1140 -0.14538
0.15040
0.92153
1.00843
0.99018
0.65957
1.01688
0.99658
1.15633
0.14818
0.00280
平差文件格式





















A5,500
A5,A6,0.15804,0.0391
A6,A7,-0.03357,0.0211
A7,A8,-0.00085,0.03
A8,A09,-0.03858,0.0298
A09,A10,0.06552,0.0344
A10,A11,-0.06965,0.0148
A11,A12,-0.00011,0.0206
A12,A13,0.04014,0.0198
A13,A14,0.01424,0.0178
A14,A15,0.09924,0.0174
A15,A16,-0.14008,0.0451
A16,A17,0.06385,0.0207
A17,A18,-0.05595,0.0283
A18,A19,0.06126,0.0226
A19,A20,-0.01891,0.0245
A20,A21,-0.01838,0.0348
A21,A22,0.00333,0.0337
A22,A23,-0.01436,0.0362
A23,A24,0.02471,0.047
A24,A1,-0.07525,0.0256
中铁十一局CPⅢ培训
闭合差计算

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
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
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高差闭合差计算结果
-----------------------------------------------------------------------------------闭 合 环 号:
1
线 路 点 号: 205 206 207 201 202 203 302 204
高 差 闭 合 差:
-0.5800(mm)
总
长
度:
0.345(km)
闭 合 环
线 路 点
高 差 闭 合
总
长
号:
号:
差:
度:
闭 合 环
线 路 点
高 差 闭 合
总
长
号:
号:
差:
度:
闭 合 环
线 路 点
高 差 闭 合
总
长
号:
号:
差:
度:
301
406
BM2
2
307 306 305
1.6000(mm)
0.412(km)
3
405 404 403
-2.3800(mm)
0.262(km)
304
406
303
402
401
407
302
4
BM1 BM3 403
0.3400(mm)
0.468(km)
-----------------------------------------------------------------------------------由闭合差计算的观测值精度
-----------------------------------------------------------------------------------每公里水准测量的全中误差：
2.697(mm/km)
多边形个数：
4
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网平差计算
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







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







高程平差值及其精度
---------------------------------------------------------------------------序号
点号
高程(m)
中误差(mm)
---------------------------------------------------------------------------1
BM1
500.00000
2
BM2
500.02140
3
A5
500.61929
0.21
4
106
500.92070
0.34
5
105
501.00742
0.94
6
104
500.98899
0.27
7
103
501.01529
0.67
8
102
500.99480
0.84
9
101
501.15440
0.24
10
BM3
500.27479
0.27
11
A6
500.77732
0.37
12
A7
500.74375
0.67
13
A8
500.74290
0.18
14
A09
500.70432
0.15
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