目前衛星定位儀已日益普及， 並取代全站儀成為地面測繪水準定位的主導手段， 然而由於衛星定位儀用於高程系統高差測量的隨機誤差達6~7 cm， 仍無法與毫米級的傳統水準測量相匹敵， 故水準測量依然是精密地面高差測量的唯一手段。
水準儀、水準尺規依然是水準測量的重要儀器裝置。 伴隨著人類科技文明的發展， 水準儀也經歷了由普通光學水準儀向自動安平水準儀及數位水準儀(也稱為電子水準儀)的發展， 18世紀， 人類使用了望遠鏡， 構成初級光學水準儀。 到20世紀初， 將望遠鏡改進為內調焦結構，
儘管電子水準儀已經面世20多年， 然而目前依然是光學水準儀占市場的主導， 電子水準儀的普及增長率卻一直不高， 據統計， 近年來每年中國市場水準儀的銷量為幾十萬台， 電子水準儀的銷量卻不足1%， 這與幾乎同步發展的、電子化數位化的衛星定位產品及全站儀形成了鮮明的反差。 造成電子水準儀普及率低的原因有價格因素和效率因素，
事實上， 水準測量速度慢、效率低， 幾百年來一直是困擾全球測量界的一大難題。 為了攻克這一難題， 以筆者領銜的團隊自2012年首次申請專利起歷時4年， 對水準儀、水準尺的結構功能、作業模式、資料檢核等進行了一系列的改進發明實踐，
1、概念與結構
高速對向觀測數位水準尺儀的主要創新特色為：尺儀合一、2點配置、對偶測量、雙向檢核、智慧控制。 其典型的系統結構及組成配置如圖 1所示， 它直接體現出“尺儀合一”的一體化設計理念。
高速對向觀測數字水準尺儀的上述結構及組成， 經反復實踐論證， 符合有關物理學、力學、機械學、電子學、光學、測量學及人體工程學的基本原理， 能夠滿足快速水準測量的需要。
本文採用“水準尺儀”這一名詞概念是為了突出表明“尺儀合一”的特點， 亦尺亦儀， 儀離不開尺， 尺離不開儀， 這是與傳統水準測量裝置的本質差別之一， 高速對向觀測數位水準尺儀也可簡稱為複合水準儀。類似于“高鐵”的概念，本發明採用“高速”一詞也意味著兩個含義：①直接表明高速的特點；②體現了一系列區別于傳統水準儀的相關技術創新。
2、對偶測量原理
高速對向觀測數位水準尺儀的測量原理如圖 2所示。從數學角度來看，高速對向觀測數位水準尺儀的測量原理屬於對偶測量。圖中水準尺儀A、B分別安置在地麵點1、2，水準尺儀A、B同時調平並瞄準對方進行對向觀測讀數。
用安置在1點的水準尺儀A測得1、2點的高差為
用安置在2點的水準尺儀B測得1、2點的高差為
式中，Δ12A、Δ12B分別為水準尺儀A、B測得的1、2點之間的高差；Ha、Hb分別為水準尺儀A、B的儀高(即水準儀視准軸的高度資料)；A21為水準尺儀A在1點測取的對方尺規高度資料；B12為水準尺儀B在2點測取的對方尺規高度資料；iA和iB分別為水準尺儀A、B的i角值，單位為(″)，並且照準視線位於水準視線上方取正值，照準視線位於水準視線下方取負值；ρ為206 265，單位為(″)；S1為1、2點之間的水準距離。
二者的高差互差δ為
二者的高差均值為
式中，Δ12為水準尺儀A、B聯合測定的1、2點之間的高差。
顯然，二者的互差δ可用來進行資料檢核及控制誤差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速對向觀測數位水準尺儀的對偶測量原理屬於兩點、雙儀、對向、同步觀測系統，而傳統水準測量裝置的測量原理屬於三點、單儀、反向、非同步觀測系統，這也是構成二者本質的差別之一。
3、作業模式
高速對向觀測數位水準尺儀在實際應用中可採用多種作業模式：
(1) 交替式作業模式。如圖 3(a)所示，A、B尺儀交替推進安置，這也是傳統的作業模式，對高速對向觀測數位水準尺儀而言，該模式本質上可理
解為2個水準儀按傳統作業模式的疊加。
(2) 交換式作業模式。如圖 3(b)所示，每一站A、B尺儀均交換位置測量。這是高速對向觀測數位水準尺儀特有的作業模式，該模式可徹底消除i角的影響，故也稱為精密作業模式。
(3) 三角形作業模式。如圖 3(c)所示，同時將3個尺儀安置在3點進行條帶式推進測量，該模式增加了區域三角空間閉合檢核，可進一步提高水準測量的精度和可靠性。
本文前述給出了高速對向觀測數位水準尺儀的基本測量原理及作業模式，有關具體的儀高、i角測定方法及測站資料處理等方法擬另文詳細介紹。
4、技術進步點與應用優勢
4.1 技術進步點
高速對向觀測數位水準尺儀採用雙儀對向同步觀測原理，與傳統水準測量裝置對比，具有以下進步點：
(1) 優化了水準測量結構、改進了高差測量原理，真正實現了點對點的2點配置測量，僅需2人即可作業。
(2) 採用雙系統對偶同步測量原理，提高了測量的可靠性和精度。
(3) 擴展、優化了作業模式，提高了環境應用能力，可以方便地在梯形斷面、陡坡、山區及跨河等複雜地形環境下實施水準測量。
(4) 將尺規、水準儀、腳架、尺墊集成為一體化結構，提高了測點配置、儀器安置及觀測速度，大幅提高了測站作業效率。
(5) 高速對向觀測數字水準尺儀已將現行國家水準測量規範的限差按等級內置於電子手簿，實現了高差數據的自動即時檢核及連續水準測量過程的智慧化控制，並採用配套的後處理軟體實現了測量成果的一體化資料處理和測量成果的輸出列印。
4.2 應用優勢
基於上述進步點，與傳統水準測量裝置相比，高速對向觀測數位水準尺儀的應用優勢表現為：使水準測量的速度和效率(或測量可靠性及精度)提高1倍以上，並可節省人力30%。高速對向觀測數位水準尺儀的應用優勢具體體現為“七不”的特點：①不用往返測量；②不用等距配點；③不用嚴控i角；④不用3人作業；⑤不用非同步觀測；⑥不用人工記錄；⑦不用人工檢核。
5、樣機與試驗
5.1 樣機技術指標
高速對向觀測數位水準尺儀的原理樣機及工程樣機分別於2015年12月及2016年12月在大連研製成功。高速對向觀測數位水準尺儀的工程樣機具體由編碼尺規、電子水準儀、尺規腳架、尺規L型水準器、尺墊、腳輪、控制電子手簿及遙控器組成。其有關技術指標為：編碼尺規為塔尺；電子水準儀測程3~110 m；高程最小顯示讀數單位0.1 mm；距離最小顯示讀數單位1 cm；讀數時間3 s；望遠鏡放大倍數32倍，孔徑40 mm；自動補償器補償範圍±12′；安平精度±0.3″；水準儀圓水準器8′/2 mm；尺規L水準器4′/2 mm；電子手簿的尺規圖像顯示幕為55 mm×73 mm，水準尺儀總重量為5 kg和7 kg(帶移動腳輪)。
5.2 有關試驗
為了驗證高速對向觀測數位水準尺儀的有效性及先進性，本文進行了大量的電腦模擬試驗和外業試驗，限於篇幅，此處給出兩個代表性的試驗結果。
試驗一為四等水準測量，其試驗結果參見表 1、表 2。試驗二為三等水準測量，其試驗結果參見表 3、表 4。其中表 2及表 4中的A(B)高差及互差是分別根據A(B)儀器高與對應的尺規讀數直接計算、未進行i角改正的資料。而表中改正後互差及累計均高程是指經過i角改正後的計算資料。
表 1、表 2是按國家四等水準測量規範中測站高差互差≤5 mm要求測定的，共設36站37個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站36的終止測點37與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1.3 km。由表 2可知：高差閉合差為-2.2 mm。由表 1、表 2可知：A儀的i角為-1.2″，而B儀的i角達到了3′(這對使用傳統水準儀進行測量是不可想像的)，特別是第4站i角改正前兩儀高差互差達68.2 mm，但經過i角改正後兩儀高差互差降至1.4 mm，這充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文還進一步統計計算了終止測點37處兩儀累計高程的互差為3.3 mm，符合規範中左右路線的互差限差要求，這意味著使用高速對向觀測數位水準尺儀進行水準測量只需單程往測即可，而無需返測。
表 3、表 4是按國家三等水準測量規範中測站高差互差≤3 mm要求測定的，共設28站29個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站28的終止測點29與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1 km。由表 4可知：高差閉合差為0.4 mm。由表 3可知：A儀的i角為9.3″，B儀的i角為61.4″，雖然B儀的i角同樣超出了使用傳統水準儀測量的限差，但使用高速對向觀測數位水準尺儀經過i角改正後仍然可得到可靠的測量結果。本文同樣還統計計算了終止測點29處兩儀累計高程的互差為0.8 mm，符合規範中左右路線的互差限差要求。
另外，試驗還表明：正交尺規腳架、L型水準器及電子目鏡的使用確實能加快水準尺儀的安置、照準調焦速度，智慧尺墊確實能即時監測尺墊的位移，重要的是：高速對向觀測數位水準尺儀採用2點互動配置而非傳統的3點互動配置，不再苛求前後距大致相等，這也極大地加快了測站水準測量的速度，因此，高速對向觀測數位水準尺儀擁有比傳統水準尺儀更高的測站測量速度。更進一步，由於高速對向觀測數位水準尺儀採用了對向雙觀測系統，可不再進行傳統水準測量時的返測工作，故高速對向觀測數位水準尺儀可使水準測量整體效率直接提高1倍以上。
6、結論及展望
本文的理論分析及試驗表明：由於採用了更加科學合理的一體化結構、更加嚴密可靠的對偶測量原理和適應性更強的作業模式，高速對向觀測數位水準尺儀擁有比傳統水準儀更高的水準測量速度和效率。此外，高速對向觀測數字水準尺儀可方便、有效地用於國家三、四等水準測量(關於用於國家一、二等水準測量的相關試驗另文介紹)。高速對向觀測數位水準尺儀，與傳統水準儀相比，可使水準測量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智慧、最精密的電子水準測量系統，同時可節省人力30%以上，具有更高的性價比。
高速對向觀測數位水準尺儀成功解決了水準測量速度慢、效率低這一困擾全球測量界幾百年的大難題，將對全球大地及工程測量界產生重大及顛覆性的影響，必將開啟人類社會普及電子水準儀的新時代。
高速對向觀測數位水準尺儀也可簡稱為複合水準儀。類似于“高鐵”的概念，本發明採用“高速”一詞也意味著兩個含義：①直接表明高速的特點；②體現了一系列區別于傳統水準儀的相關技術創新。2、對偶測量原理
高速對向觀測數位水準尺儀的測量原理如圖 2所示。從數學角度來看，高速對向觀測數位水準尺儀的測量原理屬於對偶測量。圖中水準尺儀A、B分別安置在地麵點1、2，水準尺儀A、B同時調平並瞄準對方進行對向觀測讀數。
用安置在1點的水準尺儀A測得1、2點的高差為
用安置在2點的水準尺儀B測得1、2點的高差為
式中，Δ12A、Δ12B分別為水準尺儀A、B測得的1、2點之間的高差；Ha、Hb分別為水準尺儀A、B的儀高(即水準儀視准軸的高度資料)；A21為水準尺儀A在1點測取的對方尺規高度資料；B12為水準尺儀B在2點測取的對方尺規高度資料；iA和iB分別為水準尺儀A、B的i角值，單位為(″)，並且照準視線位於水準視線上方取正值，照準視線位於水準視線下方取負值；ρ為206 265，單位為(″)；S1為1、2點之間的水準距離。
二者的高差互差δ為
二者的高差均值為
式中，Δ12為水準尺儀A、B聯合測定的1、2點之間的高差。
顯然，二者的互差δ可用來進行資料檢核及控制誤差，二者的均值又可提高精度和可靠性。由上述可知，高速對向觀測數位水準尺儀的對偶測量原理屬於兩點、雙儀、對向、同步觀測系統，而傳統水準測量裝置的測量原理屬於三點、單儀、反向、非同步觀測系統，這也是構成二者本質的差別之一。
3、作業模式
高速對向觀測數位水準尺儀在實際應用中可採用多種作業模式：
(1) 交替式作業模式。如圖 3(a)所示，A、B尺儀交替推進安置，這也是傳統的作業模式，對高速對向觀測數位水準尺儀而言，該模式本質上可理
解為2個水準儀按傳統作業模式的疊加。
(2) 交換式作業模式。如圖 3(b)所示，每一站A、B尺儀均交換位置測量。這是高速對向觀測數位水準尺儀特有的作業模式，該模式可徹底消除i角的影響，故也稱為精密作業模式。
(3) 三角形作業模式。如圖 3(c)所示，同時將3個尺儀安置在3點進行條帶式推進測量，該模式增加了區域三角空間閉合檢核，可進一步提高水準測量的精度和可靠性。
本文前述給出了高速對向觀測數位水準尺儀的基本測量原理及作業模式，有關具體的儀高、i角測定方法及測站資料處理等方法擬另文詳細介紹。
4、技術進步點與應用優勢
4.1 技術進步點
高速對向觀測數位水準尺儀採用雙儀對向同步觀測原理，與傳統水準測量裝置對比，具有以下進步點：
(1) 優化了水準測量結構、改進了高差測量原理，真正實現了點對點的2點配置測量，僅需2人即可作業。
(2) 採用雙系統對偶同步測量原理，提高了測量的可靠性和精度。
(3) 擴展、優化了作業模式，提高了環境應用能力，可以方便地在梯形斷面、陡坡、山區及跨河等複雜地形環境下實施水準測量。
(4) 將尺規、水準儀、腳架、尺墊集成為一體化結構，提高了測點配置、儀器安置及觀測速度，大幅提高了測站作業效率。
(5) 高速對向觀測數字水準尺儀已將現行國家水準測量規範的限差按等級內置於電子手簿，實現了高差數據的自動即時檢核及連續水準測量過程的智慧化控制，並採用配套的後處理軟體實現了測量成果的一體化資料處理和測量成果的輸出列印。
4.2 應用優勢
基於上述進步點，與傳統水準測量裝置相比，高速對向觀測數位水準尺儀的應用優勢表現為：使水準測量的速度和效率(或測量可靠性及精度)提高1倍以上，並可節省人力30%。高速對向觀測數位水準尺儀的應用優勢具體體現為“七不”的特點：①不用往返測量；②不用等距配點；③不用嚴控i角；④不用3人作業；⑤不用非同步觀測；⑥不用人工記錄；⑦不用人工檢核。
5、樣機與試驗
5.1 樣機技術指標
高速對向觀測數位水準尺儀的原理樣機及工程樣機分別於2015年12月及2016年12月在大連研製成功。高速對向觀測數位水準尺儀的工程樣機具體由編碼尺規、電子水準儀、尺規腳架、尺規L型水準器、尺墊、腳輪、控制電子手簿及遙控器組成。其有關技術指標為：編碼尺規為塔尺；電子水準儀測程3~110 m；高程最小顯示讀數單位0.1 mm；距離最小顯示讀數單位1 cm；讀數時間3 s；望遠鏡放大倍數32倍，孔徑40 mm；自動補償器補償範圍±12′；安平精度±0.3″；水準儀圓水準器8′/2 mm；尺規L水準器4′/2 mm；電子手簿的尺規圖像顯示幕為55 mm×73 mm，水準尺儀總重量為5 kg和7 kg(帶移動腳輪)。
5.2 有關試驗
為了驗證高速對向觀測數位水準尺儀的有效性及先進性，本文進行了大量的電腦模擬試驗和外業試驗，限於篇幅，此處給出兩個代表性的試驗結果。
試驗一為四等水準測量，其試驗結果參見表 1、表 2。試驗二為三等水準測量，其試驗結果參見表 3、表 4。其中表 2及表 4中的A(B)高差及互差是分別根據A(B)儀器高與對應的尺規讀數直接計算、未進行i角改正的資料。而表中改正後互差及累計均高程是指經過i角改正後的計算資料。
表 1、表 2是按國家四等水準測量規範中測站高差互差≤5 mm要求測定的，共設36站37個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站36的終止測點37與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1.3 km。由表 2可知：高差閉合差為-2.2 mm。由表 1、表 2可知：A儀的i角為-1.2″，而B儀的i角達到了3′(這對使用傳統水準儀進行測量是不可想像的)，特別是第4站i角改正前兩儀高差互差達68.2 mm，但經過i角改正後兩儀高差互差降至1.4 mm，這充分表明了i角改正的重要性和有效性。本文還進一步統計計算了終止測點37處兩儀累計高程的互差為3.3 mm，符合規範中左右路線的互差限差要求，這意味著使用高速對向觀測數位水準尺儀進行水準測量只需單程往測即可，而無需返測。
表 3、表 4是按國家三等水準測量規範中測站高差互差≤3 mm要求測定的，共設28站29個測點，為了形成閉合差檢驗，特使測站28的終止測點29與測站1的起始測點1重合，水準測量路線總長度為1 km。由表 4可知：高差閉合差為0.4 mm。由表 3可知：A儀的i角為9.3″，B儀的i角為61.4″，雖然B儀的i角同樣超出了使用傳統水準儀測量的限差，但使用高速對向觀測數位水準尺儀經過i角改正後仍然可得到可靠的測量結果。本文同樣還統計計算了終止測點29處兩儀累計高程的互差為0.8 mm，符合規範中左右路線的互差限差要求。
另外，試驗還表明：正交尺規腳架、L型水準器及電子目鏡的使用確實能加快水準尺儀的安置、照準調焦速度，智慧尺墊確實能即時監測尺墊的位移，重要的是：高速對向觀測數位水準尺儀採用2點互動配置而非傳統的3點互動配置，不再苛求前後距大致相等，這也極大地加快了測站水準測量的速度，因此，高速對向觀測數位水準尺儀擁有比傳統水準尺儀更高的測站測量速度。更進一步，由於高速對向觀測數位水準尺儀採用了對向雙觀測系統，可不再進行傳統水準測量時的返測工作，故高速對向觀測數位水準尺儀可使水準測量整體效率直接提高1倍以上。
6、結論及展望
本文的理論分析及試驗表明：由於採用了更加科學合理的一體化結構、更加嚴密可靠的對偶測量原理和適應性更強的作業模式，高速對向觀測數位水準尺儀擁有比傳統水準儀更高的水準測量速度和效率。此外，高速對向觀測數字水準尺儀可方便、有效地用於國家三、四等水準測量(關於用於國家一、二等水準測量的相關試驗另文介紹)。高速對向觀測數位水準尺儀，與傳統水準儀相比，可使水準測量效率提高1倍以上，是目前世界上最快速、最智慧、最精密的電子水準測量系統，同時可節省人力30%以上，具有更高的性價比。
高速對向觀測數位水準尺儀成功解決了水準測量速度慢、效率低這一困擾全球測量界幾百年的大難題，將對全球大地及工程測量界產生重大及顛覆性的影響，必將開啟人類社會普及電子水準儀的新時代。