CN101581580B - 空间数字化大地测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间数字化大地测量方法及装置。其特征是包括在被测空间目标处设置作为确定空间频率的标尺和测量时用的点光源合作目标，在测量处有固定在测量转台上的遥感图像探测处理装置和与数字CCD相连的计算机三部分，其方法是利用与计算机相连的数字CCD靶面上的象元阵网格建立物方空间数字坐标系，根据几何光学共轭成像原理，相应在被测空间目标处建立象方数字空间坐标系，并把空间数字化测量标准-空间频率，设置在被测空间目标处的象方空间数字坐标系上，在象方空间数字坐标系上对空间目标位置直接进行数字化变换测量。本发明具有高精度，而且还能实现多点同步，实时无人监测的大地测量。

Description

空间数字化大地测量方法及装置

技术领域

本发明属于大地测量的技术领域，具体涉及一种空间数字化大地测量方法及装置。

背景技术

现有的大地测量中常用的测量仪器如水平仪、经纬仪、激光测距仪、全站仪等，其设备方法都是一种基于测量远处空间目标的距离和角度的大地测量原理。该测量方法和仪器的优点是测量精度高，缺点是测量效率低、空间各站点测量的数据不具同时性，且不能实现实施无人监测。

近期的一些能自动测量距离角度变化的大地测量方法和仪器，如激光扫描三维建模信息处理测量系统及激光光纤自动测量位移装置和方法等。这类测量设备的测量精度较低，真正实现高精度的自动测量还存在很大困难。如利用上述仪器和方法在地铁、隧道，石油输油管线，铁路等大型建筑物的形变实现无人实时自动监测是难以做到的。更不能同时满足多目标点同步检测近代大规模建筑工程建设中，建筑物的沉降和水平位移等形变测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有大地测量装置和方法存在的缺点，提供一种空间数字化大地测量方法及装置。从而不需要通过测量远处目标角度及距离的方法，就能实现多目标点同步、实时无人监测的空间数字化大地测量方法。

本发明是把日益完善的数字CCD、CMOS等数码摄象摄影技术，成熟的望远镜，照相物镜技术及计算机图像信息处理技术和激光以及大功率高亮度LED近代光源技术有机结合在一起，构建或提供一种实现空间至少一个目标点同步实时，高精度、无人监测的大地测量装置及其测量方法。

为便于理解和实施，简述本发明的测量基本原理、方法和装置结构是必要的。

空间数字化大地测量原理是一种基于建立物象空间数字化坐标系中的目标空间位置的坐标数字值相等的关系，把空间数字化测量标准——即空间频率，设置在被测空间目标处的象方空间数字坐标系上，在数字空间坐标系中进行空间A/D、D/A数字变换计算，直接在象方空间数字坐标系上对空间目标位置的空间坐标进行数字化测量。

本发明包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、有固定间隔标准长度的测量标尺AB和测量时用的点光源合作目标，以及在测量处设有的固定在测量转台上的遥感图像探测装置和与数字CCD用USB接口电缆相连的计算机三部分，其中遥感图象探测装置包括由望远物镜L₁，耦合物镜L₂和固定在座架上的数码相机变焦摄影物镜L₃组成复合的遥感物镜组，该数码相机变焦摄影物镜L₃与相匹配接口的数码相机机身相连，并且分别设置在前机壳和后机壳中，同轴相连接的前机壳和后机壳均密封固定在中间有通孔的座架上，并凭借座架把遥感图象探测装置安装在转台上，且遥感图像探测装置中的望远物镜L₁、数码相机变焦摄影物镜L₃及耦合物镜L₂组成复合的遥感物镜组，该遥感物镜组的合成焦距

且必须满足f_合≥f_定的条件，

其中，δ为CCD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离。

其方法如图1、3所示，首先利用一个处于数码相机机身内且与计算机相连的数字CCD靶面上的象元阵网格建立一个以象元为数字单位，且能在计算机中进行运算、处理，显示的物方空间数字坐标系xoy，根据几何光学共轭成像原理，把上述物方空间数字坐标系xoy安置在遥感图像探测处理装置中的遥感物镜组的一侧物距L处；则相应在遥感物镜组的另一侧象距L’的被测空间目标处建立一象方数字空间坐标系x’o’y，然后把有固定间隔的标准长度AB的标尺安装在象方空间数字坐标系x’o’y’内，凭借象方空间数字坐标系x’o’y’中的目标座标数字值和物方空间目标坐标系xoy中的目标座标数字值相等的关系，便将在物方空间数字坐标系xoy测量到的标尺AB的标准长度的投影象A’B’数字值M，作为象方空间数字坐标系x’o’y’标尺AB的数字值，且AB在物方空间数字坐标系xoy上的投影像A’B’，与X轴或Y轴是重合的，进行A/D数字变换计算，就可确定在被测空间目标点处空间数字坐标系x’o’y’的空间频率

$F\left(L^{\′}\right)=\frac{M}{\mathrm{AB}},$ 最后移去标尺AB，且在被测空间目标点更换安装一被测点光源合作目标C，用同样方法在物方空间数字坐标系xoy中，测出点光源合作目标在象方空间坐标系x’o’y’中被测点光源合作目标C的座标数字值N’_X和N’_y，据此，在空间目标所在的象方空间数字坐标系x’o’y’中利用空间频率F(L’)直接在计算机中进行D/A变换计算，其中点光源合作目标位置座标计算公式如下：

$X^1=\frac{N_X^1}{F\left(L^{\′}\right)}=\frac{N_x^{\′}}{M}\·\mathrm{AB}$

$Y^{\′}=\frac{{\mathrm{Ny}}^{\′}}{F\left(L^{\′}\right)}=\frac{{\mathrm{Ny}}^{\′}}{M}\·\mathrm{AB}$

由此确定空间单个点光源合作目标点的空间位置的坐标值即得。

如图1-3所示，在上述单目标点测量方法基础上，下面就多空间目标点的空间数字化大地测量方法说明如下，首先把相互不遮挡的m个点光源合作目标和标尺AB的测量点(安装点)布置在建筑物(如隧道壁)上，测量时，同样将标尺AB由远到近逐一测量在空间各测量点对应的各象方空间数字坐标系上的空间频率，再在各测量点上以点光源合作目标置换标尺AB后，把上述的遥感图像探测装置的遥感物镜组对焦到各被测空间合作目标中最远的空间合作目标，然后在遥感物镜组前固定一可更换孔径的旁轴光栏，并且调整旁轴光栏的孔径值，使各被测空间合作目标中最近空间合作目标的成象光束进入作为成象物镜的遥感物镜组后的旁轴光束在CCD靶面上形成对称的小弥散圆，用计算机分别确定各弥散圆中心点在CCD靶面构成的空间数字坐标系xoy上的座标数字值，最后仍然以下列计算公式就可以确定空间任意一点光源合作目标的位置坐标，其计算公式为：

$X^1=\frac{N_X^1}{F\left(L^{\′}\right)}=\frac{N_x^{\′}}{M}\·\mathrm{AB}$

$Y^{\′}=\frac{{\mathrm{Ny}}^{\′}}{F\left(L^{\′}\right)}=\frac{{\mathrm{Ny}}^{\′}}{M}\·\mathrm{AB}$

利用上述公式在计算机中就可以同时确定分布在空间各点光源合作目标的全部空间位置坐标值。依此就建立一种多空间目标点的同步实时无人监测信息系统。

另外，把本发明中的遥感图象探测处理装置和点光源合作目标与激光测距装置相结合即可构成三维大地监测信息系统或装置。

上述的点光源合作目标是由前后为小孔光栏与密封板的外壳，外壳内的光源与前方的玻璃窗五部分组成有自主发光的主动型式的点光源合作目标。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的被动型点光源合作目标示意图。

图3为本发明的原理结构示意图。

图4为本发明计算机显示屏上的坐标显示的示意图。

其中，1.前机壳；2.后机壳；3.座架；4数字CCD；5.数码相机机身；6.计算机；7.点光源合作目标；8.旁轴光栏；9.玻璃窗口；10.密封垫；11.转台；12.遥感图像探测装置；13.电缆头；14.USB接口电缆；15.外壳；16.玻璃窗；17.小孔栏；18.光源；19.密封板；20.反射

镜；21.激光器；22.遥感物镜组；C为点光源合作目标位置坐标；C’为点光源合作目标在坐标xoy上的象；AB-在合作目标处的测量标尺；A’B’为AB在坐标xoy上的象。

具体实施方式

如图1、图2所示，建立在上述空间数字化大地测量方法上的装置如下：

本发明包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、有固定间隔标准长度的测量标尺AB和测量时用的点光源合作目标7，以及在测量处设有的固定在测量转台11上的遥感图像探测装置12和与数字CCD4用USB接口电缆14相连的计算机6三部分，其中遥感图象探测装置12包括由望远物镜L₁，耦合物镜L₂和固定在座架3上的数码相机变焦摄影物镜L₃组成的复合遥感物镜组22，该数码相机变焦摄影物镜L₃与相匹配接口的数码相机机身5相连，并且分别设置在前机壳1和后机壳2中，同轴相连接的前机壳1和后机壳2均密封固定在中间有通孔的座架3上，并凭借座架3把遥感图象探测装置12安装在转台11上，且遥感图像探测装置12中的望远物镜L₁、数码相机变焦摄影物镜L₃及耦合物镜L₂组成复合的遥感物镜组22，其合成焦距且必须满足f_合≥f_定的条件，

，其中，δ为CCD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离。

根据测量距离和精度要求，f_合可以从0.5米～12米以上内选取。

上述遥感物镜组22还可由焦距为f₀的单个定焦物镜构成，且f₀≥f_定，

其中，δ为CCD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离。

考虑到多目标点的空间数字化大地测量和克服空间强背景的需要，在前机壳1的窗口玻璃9外面又设置一个旁轴光栏8，以便于获得空间各目标点的清晰对称小弥散圆的图象，提高测量精度和保证位移的测量范围。

为实现照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测，则只要把遥感物镜组22中的望远物镜组L₁或定焦物镜f₀，用照相物镜来替代，构成照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

为了实现显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测，则只要把遥感物镜组22中的望远物镜组L₁或定焦物镜f₀，用显微镜物镜来替代，构成显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

点光源合作目标7可以有主动发光型和被动发光型两种型式：

其中主动型点光源合作目标7是由前后为小孔光栏17与密封板19的外壳15，外壳15内的光源18与前方的玻璃窗五部分组成。光源18是发光二极管LED或小功率激光器。高亮度合作目标7主体通常是由作为光源的1～3瓦光电二极管LED及其后的密封板构成的外壳，外壳前端平面开一小孔直径为ф＝0.5～2mm作为小孔光栏17，适合测量的工作距离在100～200米范围内使用，更远距离时小孔直径及发光二极管功率相应增大。

点光源合作目标7的主动发光型和被动发光型在结构上基本相同。不同的是被动型点光源合作目标7的光源是用外部激光器21或其它窄光束光源照明。外部的照明光源如激光器，可以设置在遥感图象探测装置12上，且在主动型点光源合作目标7的光源18处是用反射

镜或反馈性反光膜替代原光源18的LED即可。点光源合作目标7是被动型，其组成包括设置在前机壳1上激光器21，和设置在被测量处的由前后为小孔光栏17与密封板19的外壳15，以及外壳15内的反射镜或反馈性反光膜20与前方的玻璃窗16。通常被动型用在无电源供电的测量处。

把本发明中的遥感图象探测处理装置12和点光源合作目标7与激光测距装置相结合即可构成三维大地监测信息系统或装置，该激光测距装置可以设置在前机壳1上，也可以分体单独设置。

空间数字大地测量方法及装置在隧道位移形变监测中的应用实例：

根据位移沉降测量精度要求在200米为±1mm；且在200米中有20个测量点；并且实现无人实时多点同步自动监测。

先在200米内布置在隧道壁上相互不遮挡的20个主动发光型点光源合作目标7和标尺AB的安装点，最远200米，最近20米，间隔为9米；又在测量处安装遥感物镜组距为6米的遥感图像探测装置12及其相连的计算机6，把标尺AB从远到近逐个安装在安装点上，以确定空间20个空间点光源合作目标7安装点的空间频率并贮存在计算机中，再移走标尺AB把20个点光源合作目标7安装在上述安装点上，把上述的遥感物镜组对焦到最远的空间合作目标7，又在遥感图像探测装置12的遥感物镜组前调整或直接安装一孔径ф＝5mm的旁轴光栏8，在计算机显示屏上观察20个点光源合作目标7基本均匀分布，并使最近空间点光源合作目标7的成象光束在计算机显示屏观察到一对称性很好的小弥散圆斑，设置摄象时间间隔及暴光时间，该装置就能对隧道的位移形变实现无人多点同步实时自动监测。

标尺AB的长度可取测量精度要求的1-100倍的范围内，通常可取数十倍，如本实施例中，其测量精度要求为±1mm，选用标尺AB的长度是25mm。

Claims (9)

1.空间数字化大地测量装置，其特征是包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、有固定间隔标准长度AB的测量标尺和安装在建筑物的点光源合作目标(7)，以及在测量处的固定在测量转台(11)上的遥感图像探测装置(12)和与数字CCD(4)用USB接口电缆(14)相连的计算机(6)四部分，其中遥感图象探测装置(12)包括有望远物镜(L₁)，耦合物镜(L₂)和固定在座架(3)上的数码相机变焦摄影物镜(L₃)组成复合的遥感物镜组(22)，该数码相机变焦摄影物镜(L₃)与相匹配接口的数码相机机身(5)相连，并且分别设置在前机壳(1)和后机壳(2)中，同轴相连接的前机壳(1)和后机壳(2)均密封固定在中间有通孔的座架(3)上，并凭借座架(3)把遥感图象探测装置(12)设置在转台(11)上，且遥感图像探测装置(12)中的望远物镜(L₁)、数码相机变焦摄影物镜(L₃)及耦合物镜(L₂)组成复合的遥感物镜组(22)，其合成焦距 

其中，f₁、f₂、f₃分别代表望远物镜(L₁)、耦合物镜(L₂)和数码相机变焦摄影物镜(L₃)的焦距，且必须满足f_合≥f_定的条件，其中 δ为CCD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，lmax为最大测量距离；

上述点光源合作目标(7)是由前后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，外壳(15)内的光源(18)与前方的玻璃窗(16)三部分组成，所述光源(18)是发光二极管LED或小功率激光器；

或者上述点光源合作目标(7)是被动型，即该点光源合作目标(7)的光源(18)是用激光器(21)照明，以及前后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，和外壳(15)内的反射棱镜或反馈性反光膜与前方的玻璃窗(16)组成，其中激光器(21)设置在前机壳(1)上方。

2.空间数字化大地测量装置，其特征是包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、有固定间隔标准长度AB的测量标尺和安装在建筑物的点光源合作目标(7)，以及在测量处的固定在测量转台(11)上的遥感 图像探测装置(12)和与数字CCD(4)用USB接口电缆(14)相连的计算机(6)四部分，其中遥感图象探测装置(12)包括由焦距为f₀的单个定焦物镜构成的遥感物镜组(22)，同轴相连接的前机壳(1)和后机壳(2)均密封固定在中间有通孔的座架(3)上，并凭借座架(3)把遥感图象探测装置(12)设置在转台(11)上，且f₀≥f_定，其中 δ为CCD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，lmax为最大测量距离；且

上述点光源合作目标(7)是由前后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，外壳(15)内的光源(18)与前方的玻璃窗(16)三部分组成，所述光源(18)是发光二极管LED或小功率激光器；

或者上述点光源合作目标(7)是被动型，即该点光源合作目标(7)的光源(18)是用激光器(21)照明，以及前后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，和外壳(15)内的反射棱镜或反馈性反光膜与前方的玻璃窗(16)组成，其中激光器(21)设置在前机壳(1)上方。

3.如权利要求1或2所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述前机壳(1)的窗口玻璃(9)外面又设置一个旁轴光栏(8)。

4.如权利要求1或2所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述的遥感图象探测处理装置(12)和点光源合作目标(7)与激光测距装置相结合而构成三维大地监测信息系统，该激光测距装置设置在前机壳(1)上方。

5.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述的遥感图象探测装置(12)中的望远物镜(L₁)是照相物镜，而构成照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

6.如权利要求2所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述的遥感图象探测装置(12)中的焦距为f₀的单个定焦物镜是照相物镜，而构成照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

7.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述的遥感图象探测装置(12)中的遥感物镜组中的望远物镜(L₁)是显微镜物镜，而构成显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

8.如权利要求2所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述的遥 感图象探测装置(12)中的遥感物镜组的焦距为f₀的单个定焦物镜是显微镜物镜，而构成显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。

9.利用权利要求1或2所述的空间数字化大地测量装置测量空间单个目标点的方法，其特征在于：首先利用一个位于数码相机机身(5)内且与计算机相连的数字CCD靶面上的象元阵网格建立一个以象元为数字单位，且能在计算机中进行运算、处理，显示的物方空间数字坐标系(xoy)，根据几何光学共轭成像原理，把上述物方空间数字坐标系(xoy)安置在遥感图像探测处理装置(12)中的遥感物镜组的一侧物距L处；则相应在遥感物镜组的另一侧象距L’的被测空间目标处建立一象方空间数字坐标系(x’o’y’)，然后把有固定间隔的标准长度AB的标尺安装在象方空间数字坐标系(x’o’y’)内，凭借象方空间数字坐标系(x’o’y’)中的目标坐标数字值和物方空间数字坐标系(xoy)中的目标坐标数字值相等的关系，便将在物方空间数字坐标系(xoy)测量到的标尺的标准长度投影象(A’B’)数字值M作为象方空间数字坐标系(x’o’y’)具有标准长度AB的标尺的数字值，且标尺在物方空间数字坐标系(xoy)上的投影像(A’B’)，与X轴或Y轴是重合的，就可确定及设置在被测空间目标处象方空间数字坐标系(x’o’y’)的空间频率 

最后移去标尺在该处更换安装被测点光源合作目标，用同样方法在物方空间数字坐标系(xoy)中，以测出点光源合作目标在象方空间数字坐标系(x’o’y’)中被测点光源合作目标的坐标数字值N’_X和N’_y，据此，在空间目标所在的象方空间数字坐标系(x’o’y’)中利用空间频率F(L’)直接在计算机中进行D/A变换计算，点光源合作目标位置坐标计算公式如下：

由此确定空间单个点光源合作目标点的空间位置的坐标值。 

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