0 引言

几何水准测量是古老、耗费大但又精密的高程测量方法。虽然GNSS等空间大地测量技术发展迅猛，但目前几何水准测量在地震监测预报科学实践中仍然发挥着不可替代的作用。几何水准测量是一站一站地传递高程，其主要弱点是：①工序多，涉及量距、打桩、拔桩、扶尺、仪器整平、照准、调焦、观测、观测结果记录、迁站等工序，且绝大部分需要人工完成；②测量视线短、速度慢、劳动强度大、工效低。因而，近几十年来研究人员一直致力于几何水准测量作业效率的提高，追求水准测量的自动化。

水准测量自动化沿2个途径发展，即在仪器或在标尺上实现，或者两者配合共同实现（张伟富，2001）。在20世纪50年代，自动安平水准仪问世，实现了仪器整平的半自动化。在20世纪60年代，由前民主德国大地测量学者开创的机车化水准测量方法，以ZiessNi002系列水准仪为主机的机车化水准测量作业方法曾在欧洲很多国家得到应用。在20世纪70—80年代，前西德先后研制过2种自动化测量系统，即扫平仪Telamat与主动水准标尺构成测量系统和微处理器控制的半自动水准测量系统，二者的致命弱点是标尺构造复杂而娇嫩，易损坏，未能实现商品化生产。在20世纪80年代，欧美等国联合发展了基于双色测角原理基础上的“快速精密水准测量系统”（RPLS），也中途夭折（簿志鹏等，1996）。1990年，徕卡（Leica）公司研制出第一台数字水准仪NA2000，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数这一难关，标志着水准仪在观测自动化方向上的重大突破。但水准测量过程中的量距、打桩、扶尺、照准、调焦、迁站等工序仍基本由人工操作完成，随着现代数字化科技的飞速发展，急需研制水准自动化观测系统。

1 系统目标与结构框架

水准自动化观测系统设计的目标是：①选择适当车辆作为运载工具，实现迁站机械化；②设计一个车载自动调平水准仪观测平台，实现仪器整平自动化；③设计一个车载自动垂直悬挂标尺平台，实现水准标尺的自动垂直，省去人工扶尺，打桩、拨桩等劳动强度大的工作环节。

水准自动化观测系统由汽车（3辆）、车载自动调平水准观测平台（1个）和车载自动悬挂标尺平台（2个）组成，其结构框架及组成配置见图 1。

2 系统设计 2.1 车载自动调平水准仪观测平台 2.1.1 平台设计方案论证

车载自动调平水准仪观测平台设计方案有：①液压推杆方案。利用陀螺仪（或双轴倾角传感器）检测，用液压杆推动调节平台，使其水平；②固定推杆方案。利用陀螺仪（或双轴倾角传感器）检测水平位置，使用机械固定伸缩杆做调节整平机构，手动调节使平台稳定处于水平位置；③步进电动推杆方案。利用陀螺仪（或双轴倾角传感器）检测水平位置，利用控制器判断调节方式，使用步进电动推杆调节整平观测平台；④悬挂式方案。应用龙门架、旋转吊环构建悬挂式平台，利用平台自重达到自动水平。

比较上述4种方案，可知：①使用液压推杆价格昂贵且效果不好；②使用固定推杆，需要手动整平，无法满足自动整平要求；③三轴陀螺仪（或双轴倾角传感器）对倾向检测精度高，控制器对实时处理能力强，调节迅速，使用电动推杆调节整平快速且精确，故选用方案3；④方案4也不失为一种精确快速的方法。

2.1.2 步进电动推杆设计方案

选用步进电动推杆方案设计车载自动调平水准仪观测平台，调平方式可为三点式或四点式。理论上三点即可确定一个平面，且三点调平成本低，但稳定性和抗倾覆能力较差。结合水准测量的实际应用情况，采用四点调平方式，其稳定性和抗倾覆能力更强，比三点调平精度更高（李晓松等，2010）。

步进电动推杆设计方案调平系统由检测装置、执行机构和控制系统组成，具体包括陀螺仪（或双轴倾角传感器）、支撑柱（腿）、步进电动推杆和可编程计算机控制器等（图 2）。

（1）检测装置为陀螺仪（或双轴倾角传感器），用于检测观测平台的倾斜程度。其检测值的大小是系统判断观测平台是否水平的标志，传感器在全温段的精度直接决定了调平系统的调平精度。调平精度优于5′。

（2）执行机构由一个支撑柱和3条支撑腿、3个连杆组成。支撑柱（腿）内安装步进电动推杆。通过步进电动推杆推动支撑柱（腿）的升降，完成观测平台的调平。

（3）控制系统由完成调平控制的PCC（可编程计算机控制器）和控制步进电动推杆模块组成。

2.1.3 调平过程

调平主要分为3个过程，首先通过控制器向电动推杆发出指令，步进电动推杆推动平台支撑柱沿直线往地下滑动。支撑柱接触地面后，步进电动推杆再推进20 mm，使车载观测墩和水准仪观测平台分离，步进电动推杆停止。此时，车载自动调平水准仪观测平台独立于车辆直立于地面。

其次，在调平之前，保证支撑腿全部落地，见图 3(a)。落地检测主要通过电动推杆电流的大小来判断。当按下自动调平按钮时，PCC向CAN总线发送查询电动推杆电流的报文，控制步进电动推杆模块会将电动推杆电流的大小通过报文的形式送到总线。在支撑柱（腿）没落地前（空载），电动推杆有一个空载电流值，在支撑柱（腿）落地后，随着支撑柱（腿）承载的大小，电动推杆电流发生变化，但是电流值肯定大于空载电流。所以，在调平过程中，需要在自动调平程序执行的每个周期去检测4个支撑柱（腿）电动推杆的电流。

最后，在确认无虚腿前提下，采用最高点不动、其他三点向最高点看齐的调平方法。该调平方法简单，通过三轴陀螺仪（或双轴倾角传感器）测出的倾角找出平台最高点，保持最高点不动，把低点调高，这样平台就只有上升运动。观测完成后，收起支撑柱（腿），使水准仪观测平台复原到车载观测墩上，见图 3(b)。

2.2 车载自动悬挂水准标尺平台 2.2.1 设计方案

车载自动悬挂水准标尺平台由龙门架、旋转吊环、标尺限位卡环、车载支撑架、支撑柱、步进电动推杆及底座等组成（图 4）。在步进电动推杆推动下，底座接触地面后，悬挂在龙门架上的水准标尺自然处于垂直状态。设计要求标尺倾斜度不大于30″。

2.2.2 平台工作流程

车载自动悬挂水准标尺平台工作流程为：①载有水准标尺的车辆前行至立尺点后停止；②通过控制器给步进电动推杆发出指令，步进电动推杆推动平台支撑柱沿直线往地下滑动。支撑柱接触地面后，步进电动推杆再推进20—30 mm使车载观测墩和车载自动悬挂水准标尺平台分离后，步进电动推杆停止。此时，车载自动悬挂水准标尺平台独立于车辆直立于地面，见图 5(a)；③观测完成后，收起支撑柱，使车载自动悬挂水准标尺平台复原到车载观测墩上，见图 5(b)、图 5(c)。

3 结束语

从仪器发展史来看，测量自动化是必经之路，不仅可以提高作业效率，降低作业成本，减轻作业人员的劳动强度，也降低了对作业人员操作技能方面的要求（簿志鹏等，1996）。本研究设计的水准自动化观测系统将推进传统地震监测业务的现代化进程，实现了：水准仪调平、水准标尺扶尺自动化，水准测量站间迁移机械化，省去了打桩、拔桩工序。如配置测距装置，该系统便可实现自动测量视距功能。

目前地震区域水准测量一个作业组至少需要7名工作人员（1名观测员，1名记簿员，2名立尺员，1名量距员，1名打桩员，1名起桩员），改用该水准自动化观测系统，可将作业组成员降至3名，并可节约成本，提高工作效率，值得推广。

感谢天津理工大学中环信息学院刘欢欢老师、中国地震局第一监测中心陈聚忠研究员提供专业技术指导。