CN101968356B - 数字水准仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工作效率较高、可靠性较好的自动跟踪水准尺并自动完成测量的数字水准仪，其特点是：标尺上设有闪烁发光的指示灯；该水准仪包括：闪烁光源定向装置，用于获取移动中的标尺所在的方位；广角摄像处理系统，用于根据标尺所在的方位而调整朝向并适于实时跟踪移动中的标尺，且每当标尺固定后获取标尺所在的精确方位和距离；望远镜调焦系统，用于根据所述标尺的精确方位和距离对准标尺并自动调焦；CCD装置，用于通过望远镜调焦系统获取固定后的标尺的图像，然后由CPU单元计算出标尺的高程及距离，并存储到存储器中。

Description

数字水准仪

技术领域

本发明涉及一种数字水准仪，具体涉及一种能自动跟踪水准尺并自动完成测量的数字水准仪。

背景技术

水准测量的基本原理是用水准仪的水平视线照准垂直竖立在两点上的水准尺读数来测定两点间的高差。

水准测量有光学水准测量和数字水准测量两种方法。

光学水准测量是目前使用的最多、可满足各种等级的水准测量方法，测量时使用光学水准仪和水准尺。光学水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、外壳和基座组成，望远镜由物镜、调焦透镜、目镜构成，自动安平水准仪还带有自动安平装置。分划板上在垂直方向平行等间隔刻有三根水平丝，分别称为上丝、中丝和下丝。光学水准测量用的水准尺是在尺身上制有等间隔刻划和对刻划的高度的数字标注，为了便于识别等间隔刻划又有几种不同的图案．用光学水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器调平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，根据水准仪分划板上的中丝在水准尺上的位置，按数字标注读取高度的大的读数部分(米和分米)，再根据中丝与水准尺刻划的距离读取小的读数部分(厘米和毫米，以及小于毫米的部分)．根据水准仪分划板上的上丝和下丝读取的读数，按相似三角形的原理即可计算水准仪与水准尺的距离。根据不同位置的水准尺的中丝的读数就可获得不同位置高度的差值．光学水准测量主要山人工完成读数，因此测量的结果会带有观测者造成的误差，而且速度较慢。由于测量结果记录在纸介质上，这样一方面需要山人工将数据录入计算机进行计算，这样费时又费力，而且容易出现记录差错。

数字水准测量可满足各种等级的水准测量，测量时使用数字水准仪和条码水准尺（即标尺）。数字水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、自动安平装置、图像采集装置、CPU单元、电源、外壳和基座组成。条码水准尺在尺身上制有按某种方案编码的非等间隔的条码刻划，而且没有数字标注。用数字水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器调平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，由CPU单元控制图像采集装置获得视场中的水准尺的图像，根据获得的图像、水准尺的编码方案以及相应的处理方法求得高度和距离。由于其测量是由机器自动完成的，因此结果稳定，速度较快。

上述现有技术的不足之处在于：现有的水准仪需要至少两个人才能完成测量，其中一个人负责水准仪的转向、瞄准和调焦等工作，另一人负责将水准尺从一点移动至另一点上。在人工成本日益高涨的今天，研究一种可以实现单人操作并自动完成测量的数字水准仪，有其重要的价值。

中国专利申请公开号CN101666642A公开了一种自动测量的数字水准仪，其采用广角摄像处理系统寻找标尺，然后计算出标尺所在的方位和距离；其不足之处在于：在实际实施过程中，通过在摄取的图像中获取标尺，并计算出该标尺的方位和距离的步骤较繁琐，且实际的准确性或可靠性不理想；此外，由于图像处理和计算的步骤较复杂，导致获取标尺所在的方位和距离的这一步骤的耗时较长，影响了测量效率。

如何提高自动测量的数字水准仪的工作效率和可靠性，是本领域的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工作效率较高、可靠性较好的自动跟踪水准尺并自动完成测量的数字水准仪。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自动跟踪标尺并自动测量的数字水准仪，其特点是：使用的标尺上设有适于闪烁发光的指示灯；该水准仪包括：CPU单元；水平旋转基座，由CPU单元经电动传动装置控制其转向；闪烁光源定向装置，设于水平旋转基座上并与CPU单元相连，用于获取移动中的标尺所在的方位；广角摄像处理系统，设于水平旋转基座上并与CPU单元相连，用于根据标尺所在的方位而调整朝向并适于实时跟踪移动中的标尺，且每当标尺固定后获取标尺所在的精确方位和距离；望远镜调焦系统，设于水平旋转基座上并与CPU单元相连，用于根据所述标尺的精确方位和距离对准标尺并自动调焦；CCD装置，与CPU单元相连，用于通过望远镜调焦系统获取固定后的标尺的图像，然后由CPU单元计算出标尺的高程及距离，并存储到存储器中。

进一步，所述广角摄像处理系统实时跟踪移动中的标尺的方法包括：在标尺移动过程中，广角摄像处理系统实时连续拍摄多张照片，CPU单元通过比较相邻时间摄取的多个图像而确定所述闪烁发光的指示灯在图像中的坐标，并通过连接不同时间的所述指示灯在图像中的坐标而生成标尺的实时移动轨迹；CPU单元根据该实时移动轨迹实时调整所述广角摄像处理系统的朝向。

进一步，每当通过比较在预设时间（一般为3-10秒）内拍摄的各张照片而得出所述指示灯在图像中的坐标不变，则确定标尺被固定；此时，CPU单元控制CCD装置通过望远镜调焦系统获取标尺的图像，然后CPU单元控制所述广角摄像处理系统继续实时跟踪所述标尺。

进一步，所述闪烁光源定位装置包括：置于同平面上的光线传感器阵列，CPU单元通过该光线传感器阵列获取闪烁光源的所在方位。

进一步，为较低周围环境光线对所述闪烁光源定位装置工作的影响，所述光线传感器阵列的前方设有喇叭式遮光罩，该遮光罩使闪烁光源定位装置获取的闪烁光源的所在方位被限定在遮光罩开口角的范围内，利于广角摄像处理系统较快找到标尺，因此提高了水准仪的工作效率和测量的可靠性。 

本发明具有积极的效果：（1）本发明的水准仪在使用时，闪烁光源定向装置适于获取移动中的标尺所在的大致方位（一般存在5°以内的误差），虽然该方位是不精确的，但适于给广角摄像处理系统提供大致的方位，故而利于广角摄像处理系统较快找到标尺，避免了现有技术中由广角摄像处理系统通过四周寻找的方式获取标尺的方位所造成的低效率，从而提高了本水准仪的工作效率；广角摄像处理系统通过图像比较法获取标尺的实时移动轨迹，当标尺固定在A位置后获取标尺所在的精确方位和距离（水准仪与标尺的距离）。然后通过水平旋转基座控制远镜调焦系统对准标尺后自动调焦；CPU单元通过获取在CCD装置中形成标尺的图像，计算出该标尺的精确的位置信息（包括高程及距离信息），并存储到存储器中；在将标尺移到B位置后，采用同样的方式获取标尺在B位置的位置信息，最后通过比较A、B两点上的相关数据即可得出两点间的高差。（2）为得到最佳的调焦位置，CPU单元多次驱动水平旋转基座，以连续微调望远镜调焦系统对准标尺的角度，并通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，如图4，此时准标尺的图像在CCD的中央处成像，从而将测量误差降至最低。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为实施例中的数字水准仪和将标尺从A位置移到B位置的示意图；

图2为实施例中的数字水准仪的结构框图；

图3为实施例中的广角摄像处理系统的成像示意图；

图4为实施例中望远镜调焦系统调焦到最佳位置时在CCD装置中形成的图像；

图5为实施例中的数字水准仪的高程、距离的计算流程图；

图6为实施例中的视距L的计算的参考图。

具体实施方式

（实施例1）

见图1-6，本发明的一种自动跟踪标尺并自动测量的数字水准仪，包括：使用的标尺a上设有适于闪烁发光的指示灯；该水准仪b包括：CPU单元2；水平旋转基座3，由CPU单元2经电动传动装置控制其转向；闪烁光源定向装置，设于水平旋转基座3上并与CPU单元2相连，用于获取移动中的标尺a所在的方位；广角摄像处理系统1，设于水平旋转基座3上并与CPU单元2相连，用于根据标尺a所在的方位而调整朝向并适于实时跟踪移动中的标尺a，且每当标尺a固定后获取标尺a所在的精确方位和距离；望远镜调焦系统4，设于水平旋转基座3上并与CPU单元2相连，用于根据所述标尺a的精确方位和距离对准标尺a并自动调焦；CCD装置5，与CPU单元2相连，用于通过望远镜调焦系统4获取固定后的标尺a的图像，然后由CPU单元2计算出标尺a的高程及距离，并存储到存储器中。

所述广角摄像处理系统1实时跟踪移动中的标尺a的方法包括：在标尺a移动过程中，广角摄像处理系统1实时连续拍摄多张照片，CPU单元2通过比较相邻时间摄取的多个图像而确定所述闪烁发光的指示灯在图像中的坐标，并通过连接不同时间的所述指示灯在图像中的坐标而生成标尺a的实时移动轨迹；CPU单元2根据该实时移动轨迹实时调整所述广角摄像处理系统1的朝向。

每当通过比较在30-60秒内拍摄的各张照片而得出所述指示灯在图像中的坐标不变，则确定标尺a被固定；此时，CPU单元2控制CCD装置5通过望远镜调焦系统4获取标尺a的图像，然后CPU单元2控制所述广角摄像处理系统1继续实时跟踪所述标尺a。

所述闪烁光源定位装置包括：置于同平面上的光线传感器阵列8，CPU单元2通过该光线传感器阵列8获取闪烁光源的所在方位。

所述光线传感器阵列8的前方设有喇叭式遮光罩9。

所述广角摄像处理系统1包括：广角透镜系统、通过广角透镜系统获取图像的图像传感器和与图像传感器相连的中央处理器DSP；

当标尺a固定后,广角摄像处理系统1获取标尺a所在的精确方位和距离的方法如下：所述中央处理器通过图像传感器获取标尺a所在的方位上的图像，所述中央处理器DSP通过图像匹配算法找到标尺a并得到其在照片中的位置坐标：

X1=n1×P，

Y1=n2×P，

其中，P为图像传感器的一个像素宽度，则可以计算出标尺a在水平方向上的方位角即所述方位：β=[(X1-0.5×N×P)/(0.5×N×P)]×α，其中，N是图像传感器的水平像素数，α为广角透镜系统中镜头的广角角度；根据标尺a的图像在照片中的长宽所占的像素n3，n4可以计算出标尺a所在的距离：L=[H/(n3×P)]×L'，其中：H为标尺实际高度，L'为摄像机光学系统的放大系数。

使用的标尺a上的图案是黑白相间的条码；CPU单元2控制准标尺a调焦时，CPU单元2多次驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统4，并在CCD装置5中得到相对应的图像，CPU单元2通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将望远镜调焦系统4调焦到最佳位置。

见图2，使用时广角摄像处理系统1可在0.5~500m的范围识别出水准仪的标尺，并计算出其所在的位置（包括距离、方位角），并将位置数据传输给CPU单元2，CPU单元2输出信号，驱动水平旋转基座3旋转并对准水准仪标尺，同时驱动望远镜调焦系统4到相应的距离上，此时在CCD装置5中就会形成标尺a的图像，通过放大器6、模数转换器7将信号传输到CPU单元2，CPU单元2可以通过计算多次驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统（4）以得到最佳的图像，然后再计算处标尺处的高程及距离存储到存储器中。通过比较A、B两点上的相关数据即可得出两点间的高差，并通过显示器显示。

图3是广角摄像机中的图像，可以根据此图像计算出标尺a的方位角α及距离L；见图4是CCD装置5中的图像，可以根据该图像计算对焦的精度、距离L及高程H。其中，视距计算公式：L=(f×H)/(X+C)，式中，L：仪器至标尺的距离；f：水准仪望远镜的焦距；H：条码的宽度；X：条码在CCD上的成像宽度；C：修正常数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种数字水准仪，其特征在于：使用的标尺（a）上设有适于闪烁发光的指示灯；

该水准仪（b）包括：

CPU单元（2）；

水平旋转基座（3），由CPU单元（2）经电动传动装置控制其转向；

闪烁光源定向装置，设于水平旋转基座（3）上并与CPU单元（2）相连，用于获取移动中的标尺（a）所在的方位；所述闪烁光源定位装置包括：置于同平面上的光线传感器阵列（8），CPU单元（2）通过该光线传感器阵列（8）获取闪烁光源的所在方位；

广角摄像处理系统（1），设于水平旋转基座（3）上并与CPU单元（2）相连，用于根据标尺（a）所在的方位而调整朝向并适于实时跟踪移动中的标尺（a），且每当标尺（a）固定后获取标尺（a）所在的精确方位和距离；

望远镜调焦系统（4），设于水平旋转基座（3）上并与CPU单元（2）相连，用于根据所述标尺（a）的精确方位和距离对准标尺（a）并自动调焦；

CCD装置（5），与CPU单元（2）相连，用于通过望远镜调焦系统（4）获取固定后的标尺（a）的图像，然后由CPU单元（2）计算出标尺（a）的高程及距离，并存储到存储器中。

2.根据权利要求1所述的数字水准仪，其特征在于：所述广角摄像处理系统（1）实时跟踪移动中的标尺（a）的方法包括：在标尺（a）移动过程中，广角摄像处理系统（1）实时连续拍摄多张照片，CPU单元（2）通过比较相邻时间摄取的多个图像而确定所述闪烁发光的指示灯在图像中的坐标，并通过连接不同时间的所述指示灯在图像中的坐标而生成标尺（a）的实时移动轨迹；CPU单元（2）根据该实时移动轨迹实时调整所述广角摄像处理系统（1）的朝向。

3.根据权利要求2所述的数字水准仪，其特征在于：每当通过比较在预设时间内拍摄的各张照片而得出所述指示灯在图像中的坐标不变，则确定标尺（a）被固定；此时，CPU单元（2）控制CCD装置（5）通过望远镜调焦系统（4）获取标尺（a）的图像，然后CPU单元（2）控制所述广角摄像处理系统（1）继续实时跟踪所述标尺（a）。

4.根据权利要求1所述的数字水准仪，其特征在于：所述光线传感器阵列（8）的前方设有喇叭式遮光罩（9）。

5.根据权利要求1所述的数字水准仪，其特征在于：所述标尺（a）上具有黑白相间的条码；

CPU单元（2）控制望远镜调焦系统（4）对准标尺（a）并调焦时，CPU单元（2）多次驱动水平旋转基座（3）及望远镜调焦系统（4），并在CCD装置（5）中得到相对应的图像，CPU单元（2）通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将望远镜调焦系统（4）调焦到最佳位置。

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