CN103837143A - 一种超级测绘机 - Google Patents

Abstract

一种超级测绘机，包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，所述遥感遥测系统包括红外激光光源(2)、搜索成像单元(3)、图像处理单元(4)、天文望远镜成像单元(5)和光敏电阻(1)；所述三维姿态系统包括仰俯姿态单元(6)、横轴(9)、水平姿态单元(7)、航向姿态单元(8)和竖轴(10)；所述中央控制与定位通信系统包括中央处理器(11)、人机交互单元(12)、存储单元(13)、全球定位单元(14)、通信单元(15)、图像识别单元(16)、电源单元(17)。本发明提供了一种能在免测距仪条件下获得大地坐标系下高精度三维影像的野外便携机系统。

Description

一种超级测绘机

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种超级测绘机。

背景技术

地理信息产业有数以万计的应用，全部源于4个核心需求：

1)获取目标物的三维大地坐标；

2)获取三维大地坐标下的地形地物图；

3)获取三维大地坐标下的物方三维影像；

4)获取大地坐标系下基于三维影像的三维导航图。

当前的技术现状是：多组人员使用种类繁多的多组仪器设备以不同方式分段获取上述某一核心需求，形成各种应用。存在的局限是效率低服务耗时、费用昂贵、工作受限(如：具有当前国际领先水平的车载道路摄影测量系统只能用于道路及两侧的近景摄影测量，600-800万元/套)等等。

目前市场上有几类用于野外测绘的相关产品：常规测绘仪器、“精密测量机器人”、用于近景道路摄影测量数据采集的设备集成系统。

包括上述民用设备和各类其它用途的设备在内的各种相关装备都普遍使用了测距仪。近年来，激光测距、微波和雷达测距得到了广泛应用，使现代测量技术得到长足进步。与此同时，使用任何测距仪和测距机都存在使用上的各种局限且都须付出较大的代价。

1、常规测绘仪器：

如测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、全站仪(测距仪+经纬仪)、GPS定位仪以及配套使用的数传电台/GPRS/3G通信设备、超站仪(全站仪+GPS定位仪)等。全球、我国均有多家公司生产销售。常规测绘仪器均无摄影测量功能。常规测绘仪器存在的局限是：

（1）传统设备：测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、标杆、棱镜等传统设备均属单一功能仪器，通过测角、测高、测距、测水准等手段的综合使用来获取测站与被测目标之间在自定义坐标下的相对关系数据。传统设备依靠人工操作，人为误差和分段引入大地坐标的误差均大且无有效的误差改正方法。传统设备效率很低，获取一个低精度的物方三维大地坐标常常需要一队专业技术人员工作很长时间。大量耗费人力和时间，实际工作成本高。

（2）GPS定位仪：须将仪器架设在被测目标上观测，这首先需要被测目标具有架设仪器的条件，在此前提下还需投入较大的人力、物力和较长的时间，而需要测量的目标点常常并不具备架设仪器的条件。

（3）全站仪：只能在自定义坐标系内测角和测距；完全依靠人工操作，人为误差较大且无有效的误差改正方法；测量物方三维坐标时需要同时具备两个以上的已知控制点；确定正北方向须购买当地GPS控制网(如果当地存在这样的网)数据，或借助陀螺仪；引入大地坐标须借助GPS定位仪。

（4）超站仪：除测角、测距之外还能够测定自身的三维大地坐标(日本拓扑康超站仪单价60万元人民币)。超站仪存在与全站仪类似的问题。

2、“精密测量机器人”(全站仪+伺服系统，无摄影功能)：

“精密测量机器人”是新型全站仪，与常规全站仪的唯一区别是具有“ATR功能(棱镜瞄准功能)”：人工瞄准棱镜目标后，按照常规全站仪方法获取并存储这些棱镜在自定义坐标下的三维坐标数据和自身的姿态数据。人工启动伺服系统后，机器参照上次测量获取的坐标数据和姿态数据重新自动瞄准棱镜并再次获取自定义坐标下的三维坐标数据，据此扩展出一个以棱镜为观测目标的可用于形变监测的功能。

精密测量机器人是瑞士徕卡公司的独家产品，其航向角和仰俯角的测量精度达到0.5角秒，代表了全站仪的当今全球最高水平；价格适中：当需要扫描的棱镜个数小于10时，单台售价45万元人民币；棱镜个数大于10时另作系统方案，按系统方案另外加价。

精密测量机器人无摄影测量功能且存在与全站仪类似的问题。

3、用于道路摄影测量数据采集的设备集成系统：

目前市场上的道路摄影测量数据采集系统均为设备集成系统。美国谷歌、日本拓扑康的车载道路摄影测量系统是代表。其硬件特征是将位置测量设备(GPS)、姿态测量设备、定位补偿设备(INS或航位推算系统)、视频设备(CCD系统)、激光测距扫描仪、车载计算机系统设备连接在一起，安装在汽车上，在车辆的行进之中采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中；软件特征是基于GPS、RS、GIS、数据的3S集成，将外业采集回来的数据进行事后编辑处理，形成各种有用的专题数据成果，如导航电子地图等等。它的显著特点是：a.针对道路及临近两侧的独立的测成图系统。无需借助任何底图，即可独立完成路网图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，空间坐标数据与包含丰富属性信息的道路及临近两侧之立体影像同时获得，外业与内业紧密衔接，避免了人工方式下的人为误差；b.针对道路的实景三维可视化的数据成果。它以面状的方式快速采集道路及道路临近周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像；c.道路及道路临近周边信息与卫片/航片无缝链接，形成针对道路及临近周边地物的“天地一体化”新一代地理信息系统。

存在的局限是：

(1)工作范围限于道路，无法进行野外作业：移动道路测量系统(道路摄影测量数据采集系统)是将GPS(全球定位系统)、姿态测量系统、CCD(视频系统)、INS(惯性导航系统或航位推算系统)、激光扫描设备、车载计算机系统等先进的传感器和设备装配在汽车上，这就意味着它只能用于道路及其临近两侧的摄影测量，无法进行野外环境的摄影测量。

(2)近景低精度：不带望远镜，广角摄影。只能够对道路两侧200m内的景物进行近景摄影测量数据采集。物方三维大地坐标的解算精度为1米左右。

(3)移动与操作：组成系统的各设备体积大、重量大，系统结构松散，须固定于汽车等大型载体上，多人操作。

(4)外业数据采集、内业事后处理的工作方式导致重复性外业劳动不可避免以致耗时、耗财、耗力。

(5)需要道路沿途有GPS控制网的支持。

(6)价格昂贵：移动道路测量系统的全部组件均系外购，这些高端设备的昂贵价格使得“移动道路测量系统”的成本居高不下，无激光测距扫描仪的国内产品LD2000系列移动道路测量系统(无测距功能的数据采集系统)的价格为400万元人民币/套；有激光扫描测距设备的国外产品价格高于600万元人民币/套；当系统装备的激光测距扫描仪的工作距离超过150m时，移动道路测量系统的价格达到800万元人民币/套左右。

发明内容

本发明的目的有两方面，一是用所述之超视瞄准方法替代测距仪，以克服测距仪的限制、免除测距费用、扩展全新应用；二是将用户对于获取物方三维大地坐标、三维物方影像、地形图、三维导航图的需求融为一体，用多系统一体化方式同步获取按需使用。在创造出全新功能和全新方法的同时统一打破前述相关现有产品存在的局限。

本发明提供一种超级测绘机，包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，

所述遥感遥测系统包括红外激光光源2、搜索成像单元3、图像处理单元4、天文望远镜成像单元5和光敏电阻1；

所述三维姿态系统包括仰俯姿态单元6、横轴9、水平姿态单元7、航向姿态单元8和竖轴10；横轴9的中轴线与竖轴10的中轴线相互正交且交于空间点O，横轴9的中轴线与竖轴10的中轴线所构成的平面垂直于超级测绘机的底座平面；红外激光光源2的光轴、搜索成像单元3的光轴、天文望远镜成像单元5的光轴标定在同一轴线L上，称为三光同轴；轴线L过空间点O与横轴9的中轴线正交；

所述中央控制与定位通信系统包括中央处理器11、人机交互单元12、存储单元13、全球定位单元14、通信单元15、图像识别单元16、电源单元17，中央处理器11与红外激光光源2、搜索成像单元3、图像处理单元4、天文望远镜成像单元5和光敏电阻1、仰俯姿态单元6、水平姿态单元7、航向姿态单元8、人机交互单元12、存储单元13、全球定位单元14、通信单元15、图像识别单元16、电源单元17分别连接。

而且，所述三维姿态系统中，

所述仰俯姿态单元6包括第一离合器6.1、第一同步带放大器6.2、第一编码器6.3、第一蜗轮6.4、第一同步带轮6.5、第一蜗杆6.6、第一弹性机构6.7、第二蜗轮6.8、第二弹性机构6.9、第二蜗杆6.10和第一电机与驱动6.11，第一电机与驱动6.11连接第二蜗杆6.10，第二蜗轮6.8和第二蜗杆6.10经第二弹性机构6.9啮合，第二蜗轮6.8和第一蜗杆6.6经第一弹性机构6.7啮合，第一蜗轮6.4和第一蜗杆6.6之间经第一同步带轮6.5传动，第一蜗轮6.4和第一编码器6.3之间经第一同步带放大器6.2传动，第一蜗轮6.4连接第一离合器6.1，第一离合器6.1闭合时连接横轴9，中央处理器11和第一离合器6.1、第一同步带放大器6.2、第一编码器6.3、第一电机与驱动6.11分别连接；

设第一同步带放大器6.2的传动比为1：H，中央处理器11经第一电机与驱动6.11的输出在传动后在第一蜗轮6.4产生仰俯运动结果，仰俯运动结果由第一同步带放大器6.2放大H倍，放大结果传递给第一编码器6.3并经由第一编码器6.3转换为数字信号上传给中央处理器11，中央处理器11将所得数据除以H倍后得到横轴9真实的位置到达数据；

所述航向姿态单元8包括第二离合器8.1、第二同步带放大器8.2、第二编码器8.3、第三蜗轮8.4、第二同步带轮8.5、第三蜗杆8.6、第三弹性机构8.7、第四蜗轮8.8、第四弹性机构8.9、第四蜗杆8.10、第二电机与驱动8.11，第二电机与驱动8.11连接第四蜗杆8.10，第四蜗轮8.8和第四蜗杆8.10经第四弹性机构8.9啮合，第四蜗轮8.8和第三蜗杆8.6经第三弹性机构8.7啮合，第三蜗轮8.4和第三蜗杆8.6之间经第二同步带轮8.5传动，第三蜗轮8.4和第二编码器8.3之间经第二同步带放大器8.2传动，第三蜗轮8.4连接第二离合器8.1，第二离合器8.1闭合时连接竖轴10，中央处理器11和第二离合器8.1、第二同步带放大器8.2、第二编码器8.3、第二电机与驱动8.11分别连接；

设第二同步带放大器8.2的传动比为1：Z，中央处理器11经第二电机与驱动8.11的输出在传动后在第三蜗轮8.4产生仰俯运动结果，仰俯运动结果由第二同步带放大器8.2放大Z倍，放大结果传递给第二编码器8.3并经由第二编码器8.3转换为数字信号上传给中央处理器11，中央处理器11将所得数据除以Z倍后得到竖轴10真实的位置到达数据。

而且，所述红外激光光源2包括红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4、第一电机2.5、第一驱动电路2.6和第三编码器2.7，红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4依次连接，第一电机2.5与红外激光调焦镜2.2、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接，中央处理器11和泵浦电源2.4、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接；所述天文望远镜成像单元5包括第三电机5.1、第三驱动电路5.2、第五蜗轮5.3、第五蜗杆5.4、第五编码器5.5、第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8和第二双滤光片结构CCD模块5.9，第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8和第二双滤光片结构CCD模块5.9依次连接，第三驱动电路5.2、第三电机5.1、第五蜗杆5.4、第五编码器5.5依次连接，第五蜗杆5.4与第五蜗轮5.3啮合，第五蜗轮5.3连接第二调焦镜5.7，中央处理器11和第三驱动电路5.2、第五编码器5.5、第二双滤光片结构CCD模块5.9分别连接。

而且，所述搜索成像单元3包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第六蜗轮3.3、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5、第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10、第七蜗轮3.11、第七蜗杆3.12、第六编码器3.13、第四电机3.14和第四驱动电路3.15，第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第六蜗杆3.4与第六蜗轮3.3啮合，第六蜗轮3.3连接第一调焦镜3.8，第四驱动电路3.15、第四电机3.14、第七蜗杆3.12、第六编码器3.13依次连接，第七蜗杆3.12与第七蜗轮3.11啮合，第七蜗轮3.11连接变焦镜组3.7，中央处理器11和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第六编码器3.13、第四驱动电路3.15、第一双滤光片结构CCD模块3.10分别连接。

而且，基于光敏电阻1进行自主成像过程，包括根据白光光通量，光敏电阻1发出信号控制中央处理器11关闭或打开泵浦电源2.4，对应白光光源或红外激光光源；搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5分别与图像处理单元4连接，成像结果由图像处理单元4判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器11打开泵浦电源2.4提供红外激光光源。

而且，所述自主成像过程的工作步骤如下，

步骤1，进行成像光源初始选择，实现如下，

在白光光通量足以使第二双滤光片结构CCD模块5.9白光成像时，光敏电阻1的信号口处于闭合状态，中央处理器11关闭泵浦电源2.4，进入步骤2；白光光通量不足以第二双滤光片结构CCD模块5.9白光成像时，光敏电阻1的信号口处于常开状态，中央处理器11开启泵浦电源2.4，红外激光光源2照射目标，搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5接受自目标返回的红外激光，进入步骤4；

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下，

中央处理器11读取变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8的调焦标定值驱动第二电机3.1和第三电机5.1依次到达各相应标定位置，在每个相应标定位置，白光信号经由搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5转换为数字信号后到达图像处理单元4，图像处理单元4获取图像值并比较，记录使图像值最大的第二电机3.1位置为使来自搜索成像单元3的图像最清晰处，记录使图像值最大的第三电机5.1位置为使来自天文望远镜成像单元5的图像最清晰处；

中央处理器11对目标景物的所有图像值进行分析处理，

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于预设正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，进入步骤3；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q1大于预设正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，进入步骤4；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器11报警，停止流程；

其中，预设正实数Q1大于预设正实数Q2；

步骤3，基于白光光源，在自动调焦后进行自动成像，

针对搜索成像单元3的实现如下，

自动调焦时，中央处理器11向第二驱动电路3.2发出指令，使第二电机3.1、第六蜗杆3.4转动，第四编码器3.5实时记录第六蜗杆3.4的运动状态同步反馈给中央处理器11，中央处理器11算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆3.4转动到设定的位置并通过第六蜗轮3.3完成对第一调焦镜3.8的焦距调整；

自动成像时，白光信号经过第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8和第一成像镜组3.9到达第一双滤光片结构CCD模块3.10，第一双滤光片结构CCD模块3.10将白光信号转换成数字信号后到达图像处理单元4，图像处理单元4得到清晰的景物图像并上传至中央处理器11，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

针对天文望远镜成像单元5的实现如下，

自动调焦时，中央处理器11向第三驱动电路5.2发出指令，使第三电机5.1、第五蜗杆5.4转动，第五编码器5.5实时记录第五蜗杆5.4的运动状态同步反馈给中央处理器11，中央处理器11算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第五蜗杆5.4转动到设定的位置并通过第五蜗轮5.3完成对第二调焦镜5.7的焦距调整；

自动成像时，白光信号经过第二物镜5.6、第二调焦镜5.7和第二成像镜组5.8到达第二双滤光片结构CCD模块5.9，第二双滤光片结构CCD模块5.9将白光信号转换成数字信号后传至图像处理单元4，图像处理单元4得到清晰的景物图像并上传至中央处理器11，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

步骤4，基于红外激光光源，在红外激光照射范围准确覆盖搜索成像单元3的视场后进行自动成像，

针对搜索成像单元3的实现如下，

首先，中央处理器11同时完成两项工作，一是开启第四驱动电路3.15，使第四电机3.14带动第七蜗杆3.12运动到Pi位置，第七蜗杆3.12带动涡轮3.11使变焦镜组3.7将搜索成像单元3的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第六编码器3.13将第七蜗杆3.12的实际到达位置上传给中央处理器11；二是向第一驱动电路2.6发出指令使第一电机2.5带动红外激光调焦镜2.2运动到Qi位置，使红外激光光源2的照射范围正好覆盖搜索成像单元3的视场；其中，标定常数Pi是搜索成像单元3执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场i=1,2,3,.....J，J为总类数，标定常数Qi是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜2.2处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合，Pi被标定后，Qi根据Pi标定；

然后，从目标景物返回的红外激光信号通过第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9到达第一双滤光片结构CCD模块3.10，第一双滤光片结构CCD模块3.10将红外激光信号转换成数字信号后传至图像处理单元4，图像处理单元4得到清晰景物图像并上传至中央处理器11，完成基于红外激光光源的自动成像任务；

针对天文望远镜成像单元5的实现如下，

首先，中央处理器11向第一驱动电路2.6发出指令使第一电机2.5带动红外激光调焦镜2.2运动到位置v。，红外激光光源2的照射范围正好覆盖天文望远镜成像单元5的视场；

其中，v。是标定常数，按天文望远镜成像单元5的视场角u。标定红外激光光源2的相应常数v。；

然后，从目标景物返回的红外激光信号通过第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8到达第二双滤光片结构CCD模块5.9；第二双滤光片结构CCD模块5.9将红外激光信号转换成数字信号并将数字信号后传至图像处理单元4，图像处理单元4得到清晰景物图像并上传至中央处理器11，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

而且，用于超视瞄准，包括利用超级测绘机在所在测位上瞄准目标得到的瞄准参数和其它测站的三维大地坐标，获得其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数，所述瞄准参数为三维姿态数据；

所述超视瞄准的原理是，将大地坐标系下的三维空间和全球定位系统时间定义的时空称为现实世界，从超级测绘机的三维大地坐标数据、瞄准参数和其它测站的三维大地坐标数据出发构造流形结构与流形，将现实世界映射到一个称之为像空间的集合中去并在像空间中完成像点之间的关联和像网格之间的关联；通过相关数学方法，将这种像空间中像网格之间的相互表达1-1对应现实世界中不同的测站瞄准同一目标时得到的不同的瞄准参数之间的关系，并逆映射回到现实世界，进而得到超级测绘机之外的其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数；

所述超视瞄准的过程包括以下步骤，

1）构建像空间S如下，

其中，

是全体实数构成的集合，

是三维实空间，P_k是

的子集合；k是距离符号，代表从超级测绘机全球定位单元14的天线相位中心到被测目标形成的三维矢量在大地水准面上的投影，具有三重涵义，包括k是S中元素的下标，k是任意实数，k代表了一个S到

的1-1的映上的满射，从而也是S到

上的1-1的映上的满射；像空间与大地坐标系下所有空间点构成的集合之间存在1-1对应的关系k；

2）构建像曲面P_k如下，

设

f是定义在P_k上的运算；

b∈P_k和c∈P_k而言，P_k和f同时满足如下各条，

(i)f与k无关；

(ii)f：

(iii)f(a,b)＞0，当且仅当a＝b时f(a,b)＝0；

(iv)f(a,b)＝f(b,a)；

(v)f(a,b)+f(b,c)≥f(a,c)，当且仅当a＝b=c时等式成立；

(vi)f无量纲；

则P_k是一个以f为尺度的尺度空间，称为像曲面；在大地坐标系中，存在一个由三维空间点构成的集合D，D具有与P_k完全相同的势和拓扑性质；

3）现实测站、虚拟测站、像点和像网格定义如下，

现实测站是所述超级测绘机，虚拟测站是基于全球定位系统时间的任意一个已知的大地坐标点，两者之间无距离限制、无通视要求、无相对位置限制；在同一大地坐标系中，实体测站、虚拟测站和被测目标在D中有各不相同的坐标；

在D和像曲面P_k之间建立1-1对应的映射A_k，使得实体测站、虚拟测站和被测目标的三维大地坐标分别对应像曲面P_k中的三个唯一确定的各不相同的像点；

以实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像点为两个像网格原点，以f为尺度，通过A_k映射得到像曲面P_k中的两个像网格，分别为实体测站像网格与虚拟测站像网格，它们是相互独立、相互覆盖的；在像网格中，每一格的长度各不相同，且这种长度是无量纲的；

4）像网格的归一方程与像网格之间的相互关联建立如下，

在映射A_k之上叠加归一条件即归一方程，得到归一映射Ｂ；归一映射Ｂ是大地坐标系中三维空间点构成的集合D与像曲面P_k之间的1-1映射，在归一映射Ｂ的意义下，像曲面P_k中的实体测站像网格和虚拟测站像网格被赋予了相同的相对伸缩比例，所谓相对伸缩比例系指这种比例与像曲面中的像坐标原点和像网格的格数相关，这种源于归一条件的关联使得实体测站像网格和虚拟测站像网格不再相互独立；

5）实测数据在像曲面P_k中的度量转换与无量纲化如下，

归一映射Ｂ将大地坐标系中集合D的每一个有量纲数据都1－1映射到无量纲的像曲面P_k中，实体测站和虚拟测站的每一次测位变化都会在像曲面P_k中产生一组像测位量，不同的测位对应了不同的像测位量；在同一测位上，实体测站的每一次观测又会在像曲面P_k中产生一组像观测量，不同的观测对应了不同的像观测量；

度量转换与无量纲化参数，是指在归一映射Ｂ意义下，同一测站的像测位量与像观测量处于同一像网格中，存在一组度量转换参数使得两者之间得以相互表达，这样的度量转换参数是有量纲的，它的参与使得大地坐标系中的每一个有量纲数据都被转换为像曲面P_k中像网格的格数，同步完成从现实世界到像空间的度量转换与无量纲化；

6）实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像协同如下，

利用归一映射Ｂ将被测目标纳入实体测站像网格，利用像曲面P_k中的度量转换与无量纲化，在尺度f下定义运算，将实体测站像网格中的数据转换为虚拟测站像网格数据，在虚拟测站像网格中读出被测目标的格数；

7）返回大地坐标系，获得虚拟测站在已知大地坐标点上的瞄准参数如下，

在4）中，归一映射Ｂ将大地坐标系中三维空间点构成的集合D中的元1-1映射到了像曲面P_k中，5）和6）实现了像网格之间的数据转换，以下通过像网格之间的数据转换实现实体测站和虚拟测站在大地坐标系中的协同；

综合2）、3）和5），通过归一映射Ｂ的逆映射将虚拟测站像网格中的被测目标格数还原成虚拟测站在大地坐标系中虚拟测位上的瞄准参数，包括虚拟测站瞄准被测目标时的水平位数据、航向角数据和仰俯角数据。

而且，基于超视瞄准的过程得到虚拟测站瞄准参数后，在无测距仪条件下进行距离测量，包括根据实体测站的三维大地坐标、虚拟测站的三维大地坐标、实体测站的三维大地坐标和虚拟测站的三维大地坐标构成的基准线、实体测站瞄准被测目标的三维姿态数据及虚拟测站瞄准被测目标的三维姿态数据，根据欧氏几何方法，得到所有虚拟测站到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据、实体测站到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据。

而且，在无测距仪条件下遥测获得目标的三维大地坐标，实现如下，

中央处理器11根据实体测站正北方向、实体测站三维大地坐标、虚拟测站三维大地坐标、实体测站和虚拟测站之间的距离、实体测站和虚拟测站瞄准目标的三维姿态数据、实体测站和虚拟测站到目标之间的距离计算得到目标的三维大地坐标。

而且，基于遥感影像和精确瞄准的遥测获取目标点三维大地坐标，步骤如下，

1)精准确定测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元12的触摸屏在搜索成像单元3获取的大视场实景影像中点击选取的目标点时，中央处理器11以目标点为新的分划中心，向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L指向目标点；天文望远镜成像单元5获取影像；中央处理器11在天文望远镜成像单元5获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上进行数码变焦再放大，获得光学和数码两级放大后的目标点清晰影像；

2)精确瞄准测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元12的触摸屏在光学和数码两级放大后的目标点清晰影像中点击选定的测量目标时，中央处理器11以测量目标为新的分划中心，根据测量目标位置向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L指向测量目标，完成对测量目标的精确瞄准；

3)中央处理器11计算得到测量目标的三维大地坐标。

而且，自主生成大地坐标系下的三维物方影像。实现如下，

基于自主成像过程获取物方影像后，遥感遥测系统停止摄取物方影像，三维姿系统在目标景物界定的搜索成像单元3或天文望远镜成像单元5的视场内快速地连续扫描，超级测绘机和虚拟测站以全球定位系统时间为匹配标准，按基于超视瞄准的过程瞄准各目标点，结合在无测距仪条件下进行距离测量的结果，获取各目标点三维大地坐标，中央处理器11将所获之各目标的三维大地坐标匹配到目标景物的物方影像中，得到大地坐标系下的三维物方影像。

而且，使用具有全球定位和通信装置的移动设备为虚拟测站时，虚拟测站自动寻的，实现方式如下，

超级测绘机瞄准目标，中央处理器11通过通信单元15接受虚拟测站发来的虚拟测站位置信息及时间信息，用超视瞄准方法连续解算虚拟测站在所述时间点瞄准目标的三维姿态数据，用在无测距仪条件下进行距离测量的方式连续解算虚拟测站在所述时间点与目标之间的距离数据，并通过通信单元15同步向虚拟测站连续发布解算结果，虚拟测站据此调整飞行姿态或运动方向、飞行速度或运动速度，直至抵达目标；所述目标为运动目标或静止目标。

而且，基于实时三维大地坐标和实时视频，断开第一离合器6.1、第二离合器8.1，对任意移动目标进行半自动跟踪测量；或者闭合第一离合器6.1、第二离合器8.1，对特定移动目标进行全自动跟踪测量。

而且，基于实时三维大地坐标和实时视频，对任意移动目标的半自动跟踪测量的步骤如下，

1)进入半自动跟踪测量工作模式，实现方式如下，

基于自动成像方法连续获取目标影像，在人机交互单元12的触摸屏上连续播放，断开第一离合器6.1、第二离合器8.1，进入支持手动操控的半自动跟踪测量工作模式；

2)实时跟踪测量，实现方式如下，

当用户以目视人机交互单元12的触摸屏、手动调整航向角和仰俯角的方式跟踪移动目标时，航向姿态单元8和仰俯姿态单元6同步向中央处理器11提供瞄准移动目标的实时姿态数据；中央处理器11连续解算出移动目标的实时三维大地坐标；

3)同步数据传输，由中央处理器11通过通信单元15远程传输移动目标的实时视频和实时三维大地坐标。

而且，基于实时三维大地坐标和实时视频，对特定移动目标的全自动跟踪测量的步骤如下，

1)搜索成像单元3循环扫描搜索范围，实现方式如下，

输入搜索范围后，中央处理器11协调相关工作单元同步工作，包括取与扫描搜索任务对应的变倍参数Pi，通过变焦镜组3.7将搜索成像单元3的放大倍数固定在Pi位置；闭合第一离合器6.1、第二离合器8.1，仰俯姿态单元6和航向姿态单元8带动红外激光光源2、搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5连续运动，循环覆盖搜索范围；根据自动成像过程，在搜索范围内连续获取野外实景影像；

2)获取目标搜索数据，实现方式如下，

搜索成像单元3提供以搜索范围为界的全局影像数据，天文望远镜成像单元5提供全局影像中每幅以其视场为界的单幅影像的分划中心附近的局部影像详细数据；

3)获取待识别目标影像，实现方式如下，

图像识别单元16比对搜索成像单元3提供的全局影像数据，得到待识别目标，中央处理器11根据待识别目标在全局影像中的位置向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L瞄准待识别目标，天文望远镜成像单元5获取待识别目标影像；

4)目标识别，包括由图像识别单元16比对天文望远镜成像单元5提供的待识别目标影像数据和特定目标的详细特征数据，识别瞄准对象；

5)跟踪瞄准，实现方式如下，

中央处理器11以图像识别单元16提供的瞄准对象为跟踪瞄准对象，指令仰俯姿态单元6和航向姿态单元8带动红外激光光源2、搜索成像单元3和天文望远镜成像单元5连续运动，使跟踪瞄准对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置；仰俯姿态单元6和航向姿态单元8同步向中央处理器11反馈姿态数据；

同时，搜索成像单元3以向中央处理器11提供包括特定目标方位、环境在内的周边影像数据；天文望远镜成像单元5向中央处理器11提供特定目标的详细影像数据；

6)跟踪测量，包括由中央处理器11连续解算运动中的特定目标的实时三维大地坐标；

7)航迹推算与再搜索，实现方式如下，

包括在设定的时间段内，中央处理器11按特定目标在所保存每一时刻的三维大地坐标数据和周边影像数据，得到航迹推算函数；若搜索成像单元3在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器11根据航迹推算函数推算其下一时间可能出现的空间位置，据此划定目标再搜索范围并循环搜索，通过仰俯姿态单元6和航向姿态单元8使轴线L逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现；

8)同步数据传输，实现方式如下，

中央处理器11通过通信单元15远程传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

而且，所述搜索成像单元3包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第六蜗轮3.3、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5、第一物镜3.6、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、双滤光片结构CCD模块3.10，第一物镜3.6、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第六蜗杆3.4与第六蜗轮3.3啮合，第六蜗轮3.3连接第一调焦镜3.8，中央处理器11和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第一双滤光片结构CCD模块3.10分别连接。

本发明提供一种革命性产品，即在免测距仪条件下，将地理信息产业的4个核心需求(获得物方三维大地坐标、大地坐标系下三维物方影像、地形图、三维导航图)与其全部应用融为一体，统一解决。其特征有三：一是用所述之超视瞄准方法替代测距仪，在克服测距仪所有限制的同时免除了测距费用；二是产生了全新应用，如超视瞄准意义下的野外摄影测量/工程测量/大地测量一体同步完成；三维导航图实时成图；野外实体复制、野外工程放样；.......等。三是用前所未有的全新工作方式替代地理信息产业现有的工作方式，极大地降低成本、提高效率。因此，本发明提供的超级测绘机具有便携、高精度、高效率、高可靠性、高性价比、低成本、智慧型、具有丰富涌现性的野外特征，广泛应用于摄影测量、工程测量、大地测量，泥石流、雪崩、岩石山体位移，建筑物、大坝、桥梁形变、远程精确瞄准定位、大范围快速测图、远程目标识别、远程精确跟踪等各种地理信息产业类应用及其外延应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的主要电路原理框图；

图3为本发明实施例的通信原理图。

图4为本发明实施例的横轴和竖轴示意图。

图5是本发明实施例的整机装配示意图。

具体实施方式

为叙述准确，在本发明中将“道路”定义为：适于汽车行驶的地球陆地表面。将“野外”定义为：包含道路在内的地球陆地表面。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明技术方案所提供超级测绘机实现了多系统一体化前提下的光机电一体化。具体描述为

1)基于紧密物理结构的系统硬件一体化(以芯片、DSP为核心，辅以接插通用模块的超级测绘机多元计算机系统硬件的一体化)。

2)基于多源数据融合的超级测绘机系统软件一体化。

3)基于多网融合通信的内外业一体化(云计算、云端库、移动端之间的协同)。

4)以上述三个一体化为前提的光机电一体化。

从工作层面讲，超级测绘机的所有组成部分已被融为一体，不可分离。参见图1，实施例提供的超级测绘机，包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，

为便于实施参考起见，实施例进一步提出：

一.遥感遥测系统

1、系统构成：

所述遥感遥测系统包括红外激光光源2、搜索成像单元3、图像处理单元4、天文望远镜成像单元5和光敏电阻1。

所述红外激光光源2包括包括红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4、第一电机2.5、第一驱动电路2.6和第三编码器2.7，红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4依次连接，第一电机2.5与红外激光调焦镜2.2、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接，中央处理器11和泵浦电源2.4、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接。

所述搜索成像单元3有两种建议实现方案。参见图1，实施例一中是最佳实施方案，包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第六蜗轮3.3、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5、第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10、第七蜗轮3.11、第七蜗杆3.12、第六编码器3.13、第四电机3.14和第四驱动电路3.15，第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第六蜗杆3.4与第六蜗轮3.3啮合，第六蜗轮3.3连接第一调焦镜3.8，第四驱动电路3.15、第四电机3.14、第七蜗杆3.12、第六编码器3.13依次连接，第七蜗杆3.12与第七蜗轮3.11啮合，第七蜗轮3.11连接变焦镜组3.7，中央处理器11和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第六编码器3.13、第四驱动电路3.15、第一双滤光片结构CCD模块3.10分别连接。搜索成像单元3通过变焦镜组3.7实现变倍。具体实施时，存储单元13中可设置任务库和变倍参数库：其中的变倍参数是按照任务项标定的常数构成的集合，任务项与变倍参数构成一一对应的数据对。实施例二中是定焦型超级测绘机，包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第六蜗轮3.3、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5、第一物镜3.6、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10，第一物镜3.6、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9、第一双滤光片结构CCD模块3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第六蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第六蜗杆3.4与第六蜗轮3.3啮合，第六蜗轮3.3连接第一调焦镜3.8，中央处理器11和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第一双滤光片结构CCD模块3.10分别连接。在最佳实施例的超级测绘机中去除变焦镜组3.7、第七蜗轮3.11、第七蜗杆3.12、第六编码器3.13、第四电机3.14和第四驱动电路3.15得到定焦型超级测绘机。定焦型超级测绘机与最佳实施方案的超级测绘机的差异是：前者的搜索成像单元3不具备变倍功能，从而具有相对简单的结构、较低的成本和较弱的功能。本发明主要介绍最佳实施方案的超级测绘机的实现，定焦型超级测绘机不予赘述。

所述图像处理单元4用于判断成像所得图像是否清晰，是一个DSP，与搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5、中央处理器11分别连接，具体判断可基于现有图像清晰判断技术实现，一般可分为三个部分：景物图像提取部分对景物图像进行RGB三色位图数据提取、图像灰度处理、滤波，搜索计算部分完成算子计算、边缘检测、获取图像值，图像清晰度判定部分用于比较得到图像值最大的电机位置。

所述天文望远镜成像单元5包括第三电机5.1、第三驱动电路5.2、第五蜗轮5.3、第五蜗杆5.4、第五编码器5.5、第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8和第二双滤光片结构CCD模块5.9，第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8和第二双滤光片结构CCD模块5.9依次连接，第三驱动电路5.2、第三电机5.1、第五蜗杆5.4、第五编码器5.5依次连接，第五蜗杆5.4与第五蜗轮5.3啮合，第五蜗轮5.3连接第二调焦镜5.7，中央处理器11和第三驱动电路5.2、第五编码器5.5、第二双滤光片结构CCD模块5.9分别连接。天文望远镜成像单元5的放大倍数小于或等于480倍。放大倍数为480倍时，观察40公里外的物体的放大效果约等于肉眼观察83米处的同一物体；放大倍数为400倍时，观察40公里外的物体的放大效果约等于肉眼观察100米处的同一物体；如此等等。具体实施时，本发明建议采用折返式天文望远镜，具有小体积、高倍数的特点，所须双滤光镜片可自制或定制。

2、对白视环境和夜视环境、雾霾条件的自适应、对成像光源的自主选择

本发明可基于光敏电阻1进行自主成像过程，包括根据白光光通量，光敏电阻1发出信号控制中央处理器11关闭或打开泵浦电源2.4，对应白光光源或红外激光光源；成像结果由图像处理单元4判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器11打开泵浦电源2.4提供红外激光光源。

步骤1，进行成像光源初始选择：对白视环境和夜视环境的自适应、对成像光源的自主选择。

遥感遥测系统前端装有光敏电阻1。白光光通量足以使第二双滤光片结构CCD模块5.9白光成像时光敏电阻1的信号口处于闭合状态，此时中央处理器11关闭泵浦电源2.4，进入步骤2。白光光通量不足以第二双滤光片结构CCD模块5.9白光成像时光敏电阻1的信号口处于常开状态，此时中央处理器11开启泵浦电源2.4，红外激光光源2照射目标，搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5接受自目标返回的红外激光，进入步骤4。

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下：

获取图像值：白光信号经由搜索成像单元3或天文望远镜成像单元5转换为数字信号后到达图像处理单元4，图像处理单元4中的景物图像提取部分对景物图像进行RGB三色位图数据提取、图像灰度处理、滤波；搜索计算部分完成算子计算、边缘检测、获取图像值任务。

图像清晰度判定：中央处理器11读取变焦镜组3.7、第二调焦镜5.7的调焦标定值驱动第二电机3.1和第三电机5.1依次到达各相应标定位置，搜索计算部分在这些位置获得来自搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5的图像值。图像清晰度判定部分完成图像值比较任务：使图像值最大的第二电机3.1位置即为来自搜索成像单元3的图像的最清晰处，使图像值最大的第三电机5.1位置即为来自天文望远镜成像单元5的图像的最清晰处。

对良好能见度/雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择：中央处理器11对来自搜索成像单元3的目标景物的所有图像值进行分析处理。若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，遥感遥测系统进入步骤3；若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于正实数Q1大于正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，遥感遥测系统进入步骤4；若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器11报警。其中，Q1、Q2是预先根据搜索成像单元3的第一双滤光片结构CCD模块3.10的技术指标和环境适应性测试得到的标定常数。

本发明搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5在白视、夜视、雾霾条件下可对目标景物的同步自动成像。四光同轴使得搜索成像单元3与天文望远镜成像单元5的视场具有同一中心位置，搜索成像单元3的最小视场大于且包含了天文望远镜成像单元5的视场。具体实施时，可在存储单元13中预先存有任务与变倍参数库，其中的变倍参数是按照任务标定的常数，任务与变倍参数构成一一对应的数据对(Ei，Pi)，i=1,2，...J。其中Ei是任务，Pi是变倍参数。可支持用户在人机交互单元12的触摸屏上点击任务项，中央处理器11自动将搜索成像单元3的视场调整到适合该项任务的大小，超级测绘机进入同步自动成像工作流程：

步骤3，基于白光光源，在自动调焦后进行自动成像：

搜索成像单元3自动调焦：中央处理器11向第二驱动电路3.2发出指令，使第二电机3.1、第六蜗杆3.4转动，第四编码器3.5实时记录第六蜗杆3.4的运动状态同步反馈给中央处理器11，中央处理器11算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆3.4转动到设定的位置并通过第六蜗轮3.3完成对第一调焦镜3.8的焦距调整。

搜索成像单元3自动成像：白光信号经过第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8和第一成像镜组3.9到达第一双滤光片结构CCD模块3.10。第一双滤光片结构CCD模块3.10将白光信号转换成数字信号后上传至图像处理单元4，图像处理单元4得到清晰的景物图像并上传至中央处理器11，完成基于白光光源的自动成像任务。

天文望远镜成像单元5自动调焦：中央处理器11向第三驱动电路5.2发出指令，使第三电机5.1、第五蜗杆5.4转动，第五编码器5.5实时记录第五蜗杆5.4的运动状态同步反馈给中央处理器11，中央处理器11算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第五蜗杆5.4转动到设定的位置并通过第五蜗轮5.3完成对第二调焦镜5.7的焦距调整。

天文望远镜成像单元5自动成像：白光信号经过第二物镜5.6、第二调焦镜5.7和第二成像镜组5.8到达第二双滤光片结构CCD模块5.9。第二双滤光片结构CCD模块5.9将白光信号转换成数字信号后上传至图像处理单元4，图像处理单元4清晰的景物图像并上传至中央处理器11，完成基于白光光源的自动成像任务。

步骤4，基于红外激光光源，在红外激光照射范围准确覆盖搜索成像单元3的视场后进行自动成像，适用于夜视、雾霾条件：

a.红外激光照射范围准确覆盖搜索成像单元3的视场

中央处理器11同时完成两项工作：一是开启第四驱动电路3.15，使第四电机3.14带动第七蜗杆3.12运动到相应Pi位置，第七蜗杆3.12带动第七蜗轮3.11使变焦镜组3.7将搜索成像单元3的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第六编码器3.13将第七蜗杆3.12的实际到达位置上传给中央处理器11；二是向第一驱动电路2.6发出指令使第一电机2.5带动红外激光调焦镜2.2运动到相应Qi位置，使红外激光光源2的照射范围正好覆盖搜索成像单元3的视场。

其中，标定常数Pi是搜索成像单元3执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场(i=1,2,3,.....J)，J为任务数。标定常数Qi(i=1,2,3,.....J)是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜2.2处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合。Pi被标定后，Qi根据Pi标定。

b.搜索成像单元3基于红外激光光源的自动成像

中央处理器11、搜索成像单元3、图像处理单元4进入景物图像清晰度判定工作流程：从目标景物返回的红外激光信号通过第一物镜3.6、变焦镜组3.7、第一调焦镜3.8、第一成像镜组3.9到达第一双滤光片结构CCD模块3.10。第一双滤光片结构CCD模块3.10将红外激光信号转换成数字信号并将数字信号上传至图像处理单元4。图像处理单元4得到清晰景物图像并上传至中央处理器11，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

c.红外激光照射范围准确覆盖天文望远镜成像单元5的视场

中央处理器11向第一驱动电路2.6发出指令使第一电机2.5带动红外激光调焦镜2.2运动到位置v。，红外激光光源2的照射范围正好覆盖天文望远镜成像单元5的视场。

其中，v。是标定常数：天文望远镜成像单元5的视场角是常数，记为u。，按u。标定红外激光光源2的相应常数v。，使红外激光调焦镜2.2运动到位置v。时红外激光照射范围与天文望远镜成像单元5的视场重合。

d.天文望远镜成像单元5基于红外激光光源的自动成像

中央处理器11、天文望远镜成像单元5、图像处理单元4进入景物图像清晰度判定工作流程：从目标景物返回的红外激光信号通过第二物镜5.6、第二调焦镜5.7、第二成像镜组5.8到达第二双滤光片结构CCD模块5.9。第二双滤光片结构CCD模块5.9将红外激光信号转换成数字信号并将数字信号上传至图像处理单元4。图像处理单元4得到清晰景物图像并上传至中央处理器11，完成基于红外激光光源的自动成像。

二.三维姿态系统

三维姿态系统包括仰俯姿态单元6、横轴9、水平姿态单元7、航向姿态单元8和竖轴10；横轴9的中轴线与竖轴10的中轴线相互正交且交于空间点O，横轴9的中轴线与竖轴10的中轴线所构成的平面垂直于超级测绘机的底座平面；红外激光光源2的光轴、搜索成像单元3的光轴、天文望远镜成像单元5的光轴标定在同一轴线L上，称为三光同轴；轴线L过空间点O与横轴9的中轴线正交。

1)仰俯姿态单元6的工作系统构成、精度控制、数据读取：

a.仰俯姿态单元6的工作系统构成

仰俯姿态单元6由第一离合器6.1、第一同步带放大器6.2、第一蜗轮6.4、第一同步带轮6.5、第一蜗杆6.6、第一弹性机构6.7、第二蜗轮6.8、第二弹性机构6.9、第二蜗杆6.10、第一电机与驱动6.11、第一编码器6.3构成。第一电机与驱动6.11连接第二蜗杆6.10，第二蜗轮6.8和第二蜗杆6.10经第二弹性机构6.9啮合，第二蜗轮6.8和第一蜗杆6.6经第一弹性机构6.7啮合，第一蜗轮6.4和第一蜗杆6.6之间经第一同步带轮6.5传动，第一蜗轮6.4和第一编码器6.3之间经第一同步带放大器6.2传动，第一蜗轮6.4连接第一离合器6.1，第一离合器6.1闭合时连接横轴9，中央处理器11和第一离合器6.1、第一同步带放大器6.2、第一编码器6.3、第一电机与驱动6.11分别连接。

其中，

使用可微调的第一弹性机构6.7使第二蜗轮6.8和第一蜗杆6.6在运行中始终全面啮合，令第二蜗轮6.8和第一蜗杆6.6构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；

使用可微调的第二弹性机构6.9使第二蜗轮6.8和第二蜗杆6.10在运行中始终全面啮合，令第二蜗轮6.8和第二蜗杆6.10构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；

第一同步带轮6.5的传动是由传动比为1：1的同步轮(金属、高分子材料)+同步轮传动带(橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第一同步带轮6.5的传动使第一蜗轮6.4和第一蜗杆6.6构成的蜗轮蜗杆机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

第一同步带放大器6.2的传动是由传动比为1：H的同步轮(金属、高分子材料)+同步轮传动带(橡胶、聚氨酯)构成。第一同步带放大器6.2的工作原理和机构与同步带轮类同。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第一同步带放大器6.2的传动使第一蜗轮6.4和第一编码器6.3构成的机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

b.仰俯姿态精度控制

当第二蜗杆6.10第二蜗轮6.8传动组的传动比为N且第一蜗杆6.6第一蜗轮6.4传动组的传动比为M时，整体传动比为N×M。此时若第一电机与驱动6.11中的电机对应一个脉冲信号的最大误差为h角秒，则横轴对应一个脉冲信号的最大误差为

(h/N角秒+a角秒+b角秒)/M+c角秒   (a)

上式中，a是第二蜗杆6.10与第二蜗轮6.8之间的机械间隙，第二弹性机构6.9使a的变化范围足够小；b是第二蜗轮6.8与第一蜗杆6.6之间的机械间隙，第一弹性机构6.7使b的变化范围足够小；c是第一蜗杆6.6与第一蜗轮6.4之间的机械间隙，实测数据证明第一同步带轮6.5使c的绝对值趋于零。选定第一电机与驱动6.11中电机)并设定细分数之后h成为已知常量，故足够大的N和M就使得(a)式的绝对值充分小。实测数据证明，经过整体传动之后，第一电机与驱动6.11在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差被缩小了约N×M倍。这使得仰俯姿态的测控精度可达0.1角秒或更高(目前仰俯姿态测控的全球最高精度为0.5角秒，由瑞士徕卡公司的精密测量机器人创造并保持)。

c.仰俯姿态数据的读取

第一电机与驱动6.11在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差被缩小了约N×M倍之后可达到误差小于0.1角秒的精度，这种精度远远超出绝大多数角度编码器的分辨率。

用第一同步带放大器6.2协助第一编码器6.3完成数据读取，可有效减少角度编码器对超高精度数据的读取难度并完全避免了为此而专门研制超高分辨率角度编码器所带来的一系列问题：从第一电机与驱动6.11到第一蜗轮6.4的整体运动结果由第一蜗轮6.4表达。第一同步带放大器6.2通过第一蜗轮6.4将整体运动在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差放大H倍后传递给第一编码器6.3并经由第一编码器6.3转换为数字信号上传给中央处理器11。中央处理器11将所得运动数据除以H倍后得到横轴9真实的位置到达数据。

2)航向姿态单元8的工作系统构成、精度控制、数据读取：

a.航向姿态单元8的工作系统构成

航向姿态单元8由第二离合器8.1、第二同步带放大器8.2、第三蜗轮8.4、第二同步带轮8.5、第三蜗杆8.6、第三弹性机构8.7、第四蜗轮8.8、第四弹性机构8.9、第四蜗杆8.10、第二电机与驱动8.11、第二编码器8.3构成。第二电机与驱动8.11连接第四蜗杆8.10，第四蜗轮8.8和第四蜗杆8.10经第四弹性机构8.9啮合，第四蜗轮8.8和第三蜗杆8.6经第三弹性机构8.7啮合，第三蜗轮8.4和第三蜗杆8.6之间经第二同步带轮8.5传动，第三蜗轮8.4和第二编码器8.3之间经第二同步带放大器8.2传动，第三蜗轮8.4连接第二离合器8.1，第二离合器8.1闭合时连接竖轴10，中央处理器11和第二离合器8.1、第二同步带放大器8.2、第二编码器8.3、第二电机与驱动8.11分别连接。

其中，

使用可微调的第三弹性机构8.7使第四蜗轮8.8和第三蜗杆8.6在运行中始终全面啮合，令第四蜗轮8.8和第三蜗杆8.6构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；

使用可微调的第四弹性机构8.9使第四蜗轮8.8和第四蜗杆8.10在运行中始终全面啮合，令第四蜗轮8.8和第四蜗杆8.10构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；

第二同步带轮8.5的传动是由传动比为1：1的同步轮(金属、高分子材料)+同步轮传动带(橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第二同步带轮8.5的传动使第三蜗轮8.4和第三蜗杆8.6构成的蜗轮蜗杆机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

第二同步带放大器8.2的传动是由传动比为1：Z的同步轮(金属、高分子材料)+同步轮传动带(橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第二同步带放大器8.2的传动使第三蜗轮8.4和第二编码器8.3蜗杆构成的机构在运行中紧密啮合不产生间隙，工作原理和机构与同步带轮类同。

b.航向精度控制

当第四蜗杆8.10第四蜗轮8.8传动组的传动比为R且第三蜗杆8.6第三蜗轮8.4传动组的传动比为S时，整体传动比为R×S。此时若第二电机与驱动8.11对应一个脉冲信号的最大误差为f角秒，则竖轴对应一个脉冲信号的最大误差为

(f/R角秒+d角秒+e角秒)/S+g角秒   (b)

上式中，d是第四蜗杆8.10与第四蜗轮8.8之间的机械间隙，第四弹性机构8.9使d的变化范围足够小；e是第四蜗轮8.8与第三蜗杆8.6之间的机械间隙，第三弹性机构8.7使e的变化范围足够小；g是第三蜗杆8.6与第三蜗轮8.4之间的机械间隙，实测数据证明第二同步带轮8.5使c的绝对值趋于零。选定第二电机与驱动8.11并设定细分数之后S成为已知常量，故足够大的R和S就使得(b)式的绝对值充分小。实测数据证明，经过整体传动之后，第二电机与驱动8.11在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差被缩小了约R×S倍。这使得航向姿态的测控精度可达0.1角秒或更高(目前航向姿态测控的全球最高精度为0.5角秒，由瑞士徕卡公司的精密测量机器人创造并保持)。

c.航向姿态数据的读取

第二电机与驱动8.11在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差被缩小了约R×S倍之后可达到误差小于0.1角秒的精度，这种精度远远超出绝大多数角度编码器的分辨率。

用第二同步带放大器8.2协助第二编码器8.3完成数据读取，可有效减少角度编码器对超高精度数据的读取难度并完全避免了为此而专门研制超高分辨率角度编码器所带来的一系列问题：从第二电机与驱动8.11到第三蜗轮8.4的整体运动结果由第三蜗轮8.4表达。第二同步带放大器8.2通过第三蜗轮8.4将整体运动在执行中央处理器11指令的过程中产生的运动误差放大Z倍后传递给第二编码器8.3并经由第二编码器8.3转换为数字信号上传给中央处理器11。中央处理器11将所得运动数据除以Z倍后得到横轴9真实的位置到达数据。

3)水平姿态单元：

水平姿态单元7一般由机械整平机构和电子补偿构成。电子补偿模块和机械整平模块连接，中央处理器11和电子补偿模块连接。调整好机械整平机构后，电子补偿自动将水平姿态补偿到1角秒的精度并向中央处理器11上传补偿后的水平姿态数据。

4)超级测绘机的三维姿态测控：

如图4所示，竖轴10的中轴线l₁与横轴9的中轴线l₂的几何关系。l₁⊥l₂，l₁与l₂交于空间点O(0,0,0)，l₁与l₂构成的平面Π₁与超级测绘机底座平面Π₂正交。红外激光光源2的光轴、天文望远镜成像单元5的光轴、搜索成像单元3的光轴分别垂直平面Π₁，交于竖轴10、空间点O(0,0,0)、横轴9，可都标定在天文望远镜成像单元5的光轴处。

三维姿态系统一般设有音叉，如图5所示，三维姿态系统一般设有支架，支架的音叉转动部分上，由红外激光光源2和搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5构成的组件通过横轴9与姿态测控机的音叉连接，航向姿态单元8通过竖轴10与遥感遥测系统连接，竖轴10的转动产生超级测绘机的航向运动；航向姿态单元8经竖轴10连接，仰俯姿态单元6经横轴9与支架音叉连接，横轴9的转动产生超级测绘机的航向运动。

超级测绘机的整机装配：通过光学/机械/电子方法精确标定红外激光光源2的光轴、搜索成像单元3的光轴、天文望远镜成像单元5的光轴、横轴9的中轴线、竖轴10的中轴线、全球定位单元14天线相位中心点与竖轴10垂直于大地水准面时的中轴线之延长线相交形成的定位轴线之间的几何关系，实现多光同轴和多轴同心。

架设超级测绘机并调整好水平姿态单元7之后仰俯角和航向角自动归零到位，超级测绘机进入工作状态。中央处理器11可通过设定程序使仰俯姿态测控和航向姿态测控同步运行。

仰俯姿态测控：中央处理器11开启第一电机与驱动6.11，通过从第一电机与驱动6.11到第一蜗轮6.4的传动使仰俯角以设定精度一次性到达指定位置。第一编码器6.3实时测量第一蜗轮6.4的运动到达位置并同步向中央处理器11上传。中央处理器11据此推算、读取精确的仰俯角的位置到达数据。

航向姿态测控：中央处理器11开启第二电机与驱动8.11，通过从第二电机与驱动8.11到第三蜗轮8.4的传动使仰俯角以设定精度一次性到达指定位置。第二编码器8.3实时测量第三蜗轮8.4的运动到达位置并同步向中央处理器11上传。中央处理器11据此推算、读取精确的航向角的位置到达数据。

三.中央控制与定位通信系统

参见图2，所述中央控制与定位通信系统包括中央处理器11、人机交互单元12、存储单元13、全球定位单元14、通信单元15、图像识别单元16、电源单元17，中央处理器11与红外激光光源2、搜索成像单元3、图像处理单元4、天文望远镜成像单元5和光敏电阻1、仰俯姿态单元6、水平姿态单元7、航向姿态单元8、人机交互单元12、存储单元13、全球定位单元14、通信单元15、图像识别单元16、电源单元17分别连接。

其中，全球定位单元14的模块和天线是北斗、GPS、GLONASS、伽利略4系统一体化的定位装置，可同时利用4个天网定位；通信单元15支持3G、4G、自组网通信，包括3G/4G模块15.1和电台模块15.2，中央处理器11和3G/4G模块15.1、电台模块15.2分别连接。图像识别单元16可采用一个DSP实现，具体识别可采用现有识别算法。人机交互单元12一般包括键盘、触摸屏、鼠标，电源单元17一般包括锂电池和充电电路。

如图3所示本发明实施例的超级测绘机通信原理图，以下用从上往下分层的方式诠释。第一层：左边标示“全球定位卫星”的云朵表示用于全球定位的卫星群构成的天网，包含中国的北斗、美国的GPS、欧盟的伽利略、俄罗斯的GLONASS等可用资源。例如，GPS用于全球定位的卫星群含有26-30颗卫星(24颗运行、其它备份)，分6条轨道等。这24颗工作卫星就构成了GPS天网。同理表述北斗天网、伽利略天网和GLONASS天网。右边标示“遥感卫星”的云朵表示由各国、各种用于观测地球资源的RS卫星的可用资源(如航天遥感影像等)；第二层：左边为本专利技术的超级测绘机，右边为基准站。标有“自组网”字样的位于中间的闪电形符号表示超级测绘机之间通过自组网进行的无线通信，标有“地面RS数据”字样的位于两边的闪电形符号表示超级测绘机的地面遥感功能；第三层：地面通信网络。左边标有“有线/无线电话网”字样的云朵表示用于地面通话的电话网，其终端包含手机和座机。中间标有“无线Internet(2.5G/3G/4G)”字样的云朵表示无线数据网。右边标有“地面站”字样的云朵表示遥感卫星的地面站网络；第四层：地面通信网络的数据平台。标有“2.5G平台”、“3G平台”、“4G平台”、“RS数据平台”的方框分别表示2.5G无线数据通信平台、3G无线数据通信平台、4G无线数据通信平台和与各地面站连接的遥感数据平台；第五层：标有“有线Internet”字样的云朵表示通用的因特网，左边标有B/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以B/S方式收发信息的计算机服务器，右边标有C/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以C/S方式收发信息的计算机服务器；各层之间的通信符号：闪电形符号表示无线通信方式的数据链接，直线相连表示有线通信方式的数据链接。

四.超级测绘机功能实现方法

基于以上超级测绘机，可完成距离测量和物方三维大地坐标测量，包括通过超视瞄准，在无测距仪条件下遥测获取物方三维坐标，说明如下：

超视瞄准的定义：利用超级测绘机在所在测位上瞄准目标得到的瞄准参数和其它测站的三维大地坐标，获得其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数，所述瞄准参数为三维姿态数据。所述方法称为超视瞄准。

(一)超级测绘机“超视瞄准”的原理和方法。

所述超视瞄准的原理是，将大地坐标系下的三维空间和全球定位系统时间定义的时空称为现实世界，从超级测绘机的三维大地坐标数据、瞄准参数和其它测站的三维大地坐标数据出发构造流形结构与流形，将现实世界映射到一个称之为像空间的集合中去并在像空间中完成像点之间的关联和像网格之间的关联；通过相关数学方法，将这种像空间中像网格之间的相互表达1-1对应现实世界中不同的测站瞄准同一目标时得到的不同的瞄准参数之间的关系，并逆映射回到现实世界，进而得到超级测绘机之外的其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数。

1)构建像空间S：

称为像空间。

其中，是全体实数构成的集合,

是三维实空间，P_k是

的_子集合。k是距离符号，代表从超级测绘机全球定位天线5的相位中心到被测目标形成的三维矢量在大地水准面上的投影，具有三重涵义：k是S中元素的下标；k是任意实数；k代表了一个S到

的1-1的映上的满射，从而也是S到

上的1-1的映上的满射。即像空间与大地坐标系下所有空间点构成的集合之间存在1-1对应的关系k。

2)构建像曲面P_k：

P_k是的子集合。设

f是定义在P_k上的运算。

b∈P_k和c∈P_k而言，P_k和f同时满足如下各条：

(i)f与k无关；

(ii)f：

(iii)f(a,b)＞0，当且仅当a＝b时f(a,b)＝0；

(iv)f(a,b)＝f(b,a)；

(v)f(a,b)+f(b,c)≥f(a,c)，当且仅当a＝b=c时等式成立；

(vi)f无量纲。

则P_k是一个以f为尺度的尺度空间，称为像曲面。在大地坐标系中，存在一个由三维空间点构成的集合D，D具有与P_k完全相同的势和拓扑性质。

3)现实测站、虚拟测站、像点和像网格：

现实测站是所述超级测绘机，虚拟测站是任意一个已知的大地坐标点。两者之间无距离限制、无通视要求、无相对位置限制。在同一大地坐标系中，实体测站、虚拟测站和被测目标在D中有各不相同的坐标。

在D和像曲面P_k之间建立1-1对应的映射A_k，使得实体测站、虚拟测站和被测目标(坐标未知)的三维大地坐标分别对应像曲面P_k中的三个唯一确定的各不相同的像点。

以实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像点为两个像网格原点，以f为尺度，通过A_k映射得到像曲面P_k中的两个“像网格”：实体测站像网格与虚拟测站像网格，它们是相互独立、相互覆盖的。在像网格中，每一格的“长度”(或称“步长”)各不相同，且这种“长度”是无量纲的。

4)像网格的归一方程与像网格之间的相互关联：

在映射A_k之上叠加归一条件(归一方程)得到归一映射Ｂ。归一映射Ｂ是大地坐标系中三维空间点构成的集合D与像曲面P_k之间的1-1映射。在归一映射Ｂ的意义下，像曲面P_k中的实体测站像网格和虚拟测站像网格被赋予了相同的“相对伸缩比例”。所谓相对伸缩比例系指这种比例与像曲面中的像坐标原点和像网格的格数相关。这种源于归一条件的关联使得实体测站像网格和虚拟测站像网格不再相互独立。

5)实测数据在像曲面P_k中的度量转换与无量纲化：

归一映射：归一映射Ｂ将大地坐标系中集合D的每一个有量纲数据都1－1映射到无量纲的像曲面P_k中。因此，实体测站和虚拟测站的每一次测位变化都会在像曲面P_k中产生一组“像测位量”，不同的测位对应了不同的像测位量。在同一测位上，实体测站的每一次观测又会在像曲面P_k中产生一组“像观测量”，不同的观测对应了不同的像观测量。

度量转换与无量纲化参数：在归一映射Ｂ意义下，同一测站的像测位量与像观测量处于同一像网格中。因此存在一组度量转换参数使得两者之间得以相互表达。这样的度量转换参数是有量纲的：它的参与使得大地坐标系中的每一个有量纲数据都被转换为像曲面P_k中像网格的“格数”，从而同步完成了从现实世界到像空间的度量转换与无量纲化。

6)实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像协同：

利用归一映射Ｂ将被测目标纳入实体测站像网格。利用像曲面P_k中的度量转换与无量纲化，在尺度f下定义运算，将实体测站像网格中的数据转换为虚拟测站像网格数据，从而在虚拟测站像网格中“读出”被测目标的“格数”。

7)返回大地坐标系，获得虚拟测站在已知大地坐标点上的瞄准参数：

在4)中，归一映射Ｂ将大地坐标系中三维空间点构成的集合D中的元1-1映射到了像曲面P_k中。5)和6)实现了像网格之间的数据转换。以下通过像网格之间的数据转换实现实体测站和虚拟测站在大地坐标系中的协同。

综合2)、3)和5)，通过归一映射Ｂ的逆映射将虚拟测站像网格中的被测目标“格数”还原成虚拟测站在大地坐标系中虚拟测位上的瞄准参数：虚拟测站瞄准被测目标时的水平位数据、航向角数据和仰俯角数据。

8)超视瞄准的本质属性有五：

一是可同时为数量无限制的虚拟测站提供瞄准参数。

二是所获之虚拟测站瞄准参数具有高精度：由实体测站和虚拟测站构成的系统毋须配置测距仪从而测距误差为零；虚拟测站毋须配置姿态测量机构从而虚拟测站的姿态测量误差为零；虚拟测站毋需观测目标从而因通视条件、空气能见度、大气扰动、天候天象等各种因素引起的虚拟测站观测误差为零。引起虚拟测站瞄准参数误差的系统差因素只有5个：实体测站三维大地坐标定位误差、实体测站观测误差、实体测站三维姿态测控误差、实体测站确定正北方向的误差和虚拟测站三维大地坐标误差。

三是所述虚拟测站瞄准参数【参见7)】可为获取测站到被测目标之间的距离数据提供计算依据，超级测绘机可据此同步获得各测站到被测目标之间的距离数据。

四是高速获得虚拟测站瞄准参数：超视瞄准已将获取虚拟测站瞄准参数的过程转换成单纯的计算机运算、少量数据的无线传输和超级测绘机的姿态测控系统自动扫描，从而具有高速度。同理，超视瞄准以高速度获得各测站到被测目标之间的距离数据【参见7)】和物方三维大地坐标【参见8)】。

五是虚拟测站可被任何具有全球定位功能的实体所取代以获得极为广阔的全新应用。

(二)超级测绘机在无测距仪条件下完成距离测量的原理和方法。

按(一)所述方法获得虚拟测站瞄准参数之后，得到超级测绘机在无测距仪条件下完成距离测量任务的完备条件：

1)实体测站的三维大地坐标(超级测绘仪自定位)；

2)虚拟测站的三维大地坐标(已知大地坐标点或任意的实测大地坐标点)；

3)实体测站的三维大地坐标和虚拟测站的三维大地坐标构成的基准线；

4)实体测站瞄准被测目标的三维姿态数据(由超级测绘仪瞄准目标得到)；

5)虚拟测站瞄准被测目标的三维姿态数据【按(一)所述之超视瞄准方法1)—7)得到】。

上述4)和5)给出了计算所需的全部角度值数据，上述3)给出了一条边(实体测站与虚拟测站构成的基准线)的长度数据和空间位置数据，上述1)和2)给出了测站在大地坐标系中的位置数据。按照常规的欧氏几何方法，据此立得所有虚拟测站(所有参与了运算的已知的大地坐标点)到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据、实体测站(一台超级测绘机)到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据。

(三)根据(一)所述超级测绘机的超视瞄准方法和(二)所述之超级测绘机在无测距仪条件下的距离测量方法，提供超级测绘机在无测距仪条件下遥测获取物方三维坐标的原理和方法。

以下三类数据共同构成了超级测绘机在无测距仪条件下遥测获取物方三维坐标的完备数据：

1)超级测绘机在测位上的三维大地坐标数据、超级测绘机在测位上瞄准目标的三维姿态数据、虚拟测站的三维大地坐标数据共同构成了超级测绘机在无测距仪条件下遥测获取物方三维坐标的起始计算数据；

2)按照(一)所述超级测绘机无测距仪条件下的超视瞄准方法，得到超级测绘机遥测获取物方三维坐标所需的全部角度数据；

3)按照(二)所述之超级测绘机在无测距仪条件下的距离测量方法，得到超级测绘机遥测获取物方三维坐标所需的全部距离数据。

以上三类数据之和提供了常规的有测距仪条件下遥测获取物方三维坐标所需的全部数据，中央处理器(11)根据实体测站正北方向、实体测站三维大地坐标、虚拟测站三维大地坐标、实体测站和虚拟测站之间的距离、实体测站和虚拟测站瞄准目标的三维姿态数据、实体测站和虚拟测站到目标之间的距离计算得到目标的三维大地坐标。

按照常规方法计算立得所需之物方三维坐标。

(四)点击多元计算机屏幕自动获取目标点三维大地坐标的原理和方法。

1)精准确定测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元12的触摸屏在搜索成像单元3获取的大视场实景影像中点击选取的目标点时，中央处理器11以目标点为新的分划中心，向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L指向目标点；天文望远镜成像单元5获取影像；中央处理器11在天文望远镜成像单元5获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上进行数码变焦再放大，获得光学和数码两级放大后的目标点清晰影像；

2)精确瞄准测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元12的触摸屏在光学和数码两级放大后的目标点清晰影像中点击选定的测量目标时，中央处理器11以测量目标为新的分划中心，根据测量目标位置向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L指向测量目标，完成对测量目标的精确瞄准；

3)中央处理器11计算得到测量目标的三维大地坐标。

(五)全自动实时获取大地坐标系下三维物方影像的原理和方法。

基于自主成像过程获取物方影像后，遥感遥测系统停止摄取物方影像，三维姿态系统在目标景物界定的搜索成像单元3或天文成像望远镜成像单元(5)的视场内快速地连续扫描，超级测绘机和虚拟测站以全球定位系统时间为匹配标准，按基于超视瞄准的过程瞄准各目标点，结合在无测距仪条件下进行距离测量的结果，获取各目标点三维大地坐标，中央处理器11将所获之各目标的三维大地坐标匹配到目标景物的物方影像中，得到大地坐标系下的三维物方影像。

(六)向可移动目标提供三维姿态数据和距离数据

使用具有全球定位和通信装置的移动设备为虚拟测站时，虚拟测站自动寻的：超级测绘机瞄准目标，中央处理器11通过通信单元15接受虚拟测站发来的虚拟测站位置信息及时间信息，用超视瞄准方法连续解算虚拟测站在所述时间点瞄准目标的三维姿态数据，用在无测距仪条件下进行距离测量的方式连续解算虚拟测站在所述时间点与目标之间的距离数据，并通过通信单元15同步向虚拟测站连续发布解算结果，虚拟测站据此调整飞行姿态或运动方向、飞行速度或运动速度，直至抵达目标。

本功能主要针对运动目标，当运动目标改为静止不动时，或者针对静止目标时，同样可以进行，工作步骤相同。

(七)跟踪测量。

基于实时三维大地坐标和实时视频，断开第一离合器6.1、第二离合器8.1，对任意移动目标进行半自动跟踪测量；或者闭合第一离合器6.1、第二离合器8.1，对特定移动目标进行全自动跟踪测量。

基于实时三维大地坐标和实时视频，对任意移动目标的半自动跟踪测量的步骤如下，

1)进入半自动跟踪测量工作模式，实现方式如下，

基于自动成像方法连续获取目标影像，在人机交互单元12的触摸屏上连续播放，断开第一离合器6.1、第二离合器8.1，进入支持手动操控的半自动跟踪测量工作模式；

2)实时跟踪测量，实现方式如下，

当用户以目视人机交互单元12的触摸屏、手动调整航向角和仰俯角的方式跟踪移动目标时，航向姿态单元8和仰俯姿态单元6同步向中央处理器11提供瞄准移动目标的实时姿态数据；中央处理器11连续解算出移动目标的实时三维大地坐标；

3)同步数据传输，由中央处理器11通过通信单元15远程传输移动目标的实时视频和实时三维大地坐标。

基于实时三维大地坐标和实时视频，对特定移动目标的全自动跟踪测量的步骤如下，

1)搜索成像单元3循环扫描搜索范围，实现方式如下，

输入搜索范围后，中央处理器11协调相关工作单元同步工作，包括取与扫描搜索任务对应的变倍参数Pi，通过变焦镜组3.7将搜索成像单元3的放大倍数固定在Pi位置；闭合第一离合器6.1、第二离合器8.1，仰俯姿态单元6和航向姿态单元8带动红外激光光源2、搜索成像单元3、天文望远镜成像单元5连续运动，循环覆盖搜索范围；根据自动成像过程，在搜索范围内连续获取野外实景影像；

2)获取目标搜索数据，实现方式如下，

搜索成像单元3提供以搜索范围为界的全局影像数据，天文望远镜成像单元5提供全局影像中每幅以其视场为界的单幅影像的分划中心附近的局部影像详细数据；

3)获取待识别目标影像，实现方式如下，

图像识别单元16比对搜索成像单元3提供的全局影像数据，得到待识别目标，中央处理器11根据待识别目标在全局影像中的位置向仰俯姿态单元6和航向姿态单元8发出运动指令，将横轴9和竖轴10转动到位，使轴线L瞄准待识别目标，天文望远镜成像单元5获取待识别目标影像；

4)目标识别，包括由图像识别单元16比对天文望远镜成像单元5提供的待识别目标影像数据和特定目标的详细特征数据，识别瞄准对象；

5)跟踪瞄准，实现方式如下，

中央处理器11以图像识别单元16提供的瞄准对象为跟踪瞄准对象，指令仰俯姿态单元6和航向姿态单元8带动红外激光光源2、搜索成像单元3和天文望远镜成像单元5连续运动，使跟踪瞄准对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置；仰俯姿态单元6和航向姿态单元8同步向中央处理器11反馈姿态数据；

同时，搜索成像单元3以向中央处理器11提供包括特定目标方位、环境在内的周边影像数据；天文望远镜成像单元5向中央处理器11提供特定目标的详细影像数据；

6)跟踪测量，包括由中央处理器11连续解算运动中的特定目标的实时三维大地坐标；

7)航迹推算与再搜索，实现方式如下，

包括在设定的时间段内，中央处理器11按特定目标在所保存每一时刻的三维大地坐标数据和周边影像数据，得到航迹推算函数；若搜索成像单元3在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器11根据航迹推算函数推算其下一时间可能出现的空间位置，据此划定目标再搜索范围并循环搜索，通过仰俯姿态单元6和航向姿态单元8使轴线L逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现；

8)同步数据传输，实现方式如下，

中央处理器11通过通信单元15远程传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

综上所述，本发明提供的超级测绘机是具有超级功能、高效率、高精度的野外便携式测量仪器。所述超级功能系指：超级测绘机在免测距仪条件下将用户获取物方三维大地坐标、物方影像、地形图、三维导航图的需求融为一体，同步获取按需使用；通过多系统一体化产生涌现性并由此衍生出巨量用户功能，广泛应用于工程测量、大地测量、摄影测量、形变监测、大范围快速测图、远程目标识别精确跟踪、…、等各种地理信息产业类应用及其外延应用；所述高效率系指与完成同一任务的现有设备相比具有极高工作效率；所述高精度系指：航向、仰俯姿态测控误差小于或等于0.4角秒，可根据需要在各种不同的测距上获得毫米级、厘米级、分米级和1米精度的物方三维大地坐标。

基于以上技术方案，为便于理解本发明技术效果起见，提供本发明实施例的工作方式特点说明如下：

1、新理念新方法——本质改善工作质量、广泛扩展全新应用：

将地理信息产业核心需求与全部应用融为一体统一解决：同步获得物方三维大地坐标、物方影像、地形图、三维导航图，按需调用；通过多系统一体化和数据融合产生涌现性，通过涌现性衍生大量用户功能，用全新方法本质改进工作质量、广泛扩展地理信息产业类应用及其延伸领域应用。

2、改变物方三维大地坐标测量方式，极大提高工作效率降低劳动成本和强度：

超级测绘机自动将其视场内的地形地物在自身屏幕上清晰成像，点击屏幕上的任意点，超级测绘机瞬间自动获取/存储/显示该目标点在大地坐标系下的三维坐标：毋需合作目标、毋需GPS控制网、毋须陀螺仪、毋需人工跋涉到目标点上去架设仪器，摄影测量机器人全自动直接获取其视场及测距范围内任意目标点的三维大地坐标。

3、改变表层形变监测方式，本质改善监测效果、极大提高效率、降低成本：

常规GPS形变监测方式：在对象体(工程体、山体)上设置若干观测桩，将GPS定位仪置于观测桩上测量：一个桩监测对象体的一个点(桩少无法反映对象体的形变情况，桩多则成本过高)，无法设置观测桩的地方不能监测。

超级测绘机用于形变监测时的特征：

1)改变常规形变监测方式：一台超级测绘机可在极短时间内全自动精确扫描多个目标并长期连续重复；

2)本质改善监测效果、高效率、低成本：同等监测指标(精度、两次数据之间的时间段长度等)下，可抵数十(快形变，实时解算)、数百至上千台(慢形变，事后解算)mm级精度的GPS定位仪同时工作的效果。在极大提高监测点密度从而本质改善监测效果的同时极大地提高效率、降低成本；

3)不受限于观测桩，可对其视距内的地物进行mm级精度的形变监测；

4)同步获取实时的现场图像。

4、将物方三维大地坐标与物方影像融为一体，同步获取：

全自动地快速同步获取目标点的三维大地坐标和以该目标点为中心的目标点周边地物影像。

5、全自动实时生成大地坐标系下的三维物方影像：

超级测绘机可在其获取的任何物方影像中自动生成大地坐标系下的三维坐标点阵云，密度可调。实现便携式单机的摄影测量野外作业。

6、全自动实时生成全景物方影像：

自动生成带有物方三维大地坐标的360°全景物方影像：多幅连续影像(视场可调且每幅影像的中心点带有物方三维大地坐标)的自动拼接、自动成像。实现便携式单机的摄影测量野外作业。

7、全自动实时生成大地坐标系下的三维全景影像：

在360°全景物方影像中自动生成三维坐标点阵云，密度可调。实现便携式单机的摄影测量野外作业。

8、野外测区布局：

在航空航天遥感影像或地形图上显示、规划已测/未测区域，进行野外测站位置布局。

9、自动生成等高线，自动生成地形图：

根据测位布局完成野外各测位上的测量工作，自动拼接、实时成图。

10、自动生成测区三维导航图：

根据测位布局完成各测位上的野外摄影测量工作，自动拼接、实时成图。

11、全自动的望远镜成像：

全自动的望远镜光学调焦、全自动的光电转换与望远镜成像、快速获取目标物高清影像：精确、高效。毋需人工介入。

12、多网融合通信，内业、外业一体化。

13、高精度的姿态测控：

航向角测控误差：0.36″

仰俯角测控误差：0.36″

14、高精度的物方三维大地坐标：

超级测绘机：无合作目标条件下，测距小于等于2，000m时测量精度可达mm级；有棱镜条件下，测距小于等于4，000m时测量精度可达mm级；

15、野外独立测成图系统：

无需借助任何底图，独立完成野外地形图和野外三维导航图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，大地坐标系下的空间坐标数据与包含丰富属性信息的立体影像同时获得，外业与内业一体化，高效率高精度。

16、野外实景三维可视化的数据成果：

它以面状的方式采集大地坐标系下的野外地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像。

17、野外实景可量测影像与卫片/航片无缝链接：

形成野外实景可量测影像与卫片/航片无缝链接的新一代“天地一体化”野外地理信息系统。

18、具有静态目标自动搜索与图像识别功能：

超级测绘机自动将所选目标之相关数据(目标的经度、纬度、高程、测量时间、影像等)存入其存储单元13中的图像库，自动搜索与图像识别程序根据所述相关数据完成对静态目标的自动初瞄—图像识别—自动精瞄—目标锁定。目标锁定后再次测量该静态目标之三维大地坐标，与上次测量结果比对其时空数据，得到形变结论。运算量过大时，超级测绘机自动链接后方数据中心启动云计算/云端库功能，由后方数据中心完成运算。

19、.测量机功能：

点击超级测绘机的显示屏瞬间获得目标点的三维大地坐标，连续点击连续获得：毋须人工跋涉、毋须合作目标、毋须到目标点上实地架设仪器(如GPS定位仪、棱镜、标杆、控制点等)、毋须人工瞄准。

例如以下超级测绘机的扩展应用：

例1.动态目标图像识别与自动跟踪：

超级测绘机自动检索其存储单元3中的图像库，将所获之目标图像与之比对并予识别。识别成功并确认需要则自行启动跟踪程序，进入全自动目标跟踪。无法识别或运算量过大时，超级测绘机自动链接后方数据中心(见图3.本发明通信原理图)启动云计算/云端库功能，后方数据中心实时完成运算后下传图像识别数据，超级测绘机据此确认需要、进入(或退出)全自动目标跟踪。

例2.超视瞄准仪：用全球定位仪取代虚拟测站，则一台全球定位仪可在毋需观测、毋需通视、不受天候天象、空气质量、障碍物、自身与目标间的距离远近、自身移动速度等各种因素限制的情形下高速连续获取在当前位置上自动瞄准目标所需的三维姿态数据。

例3.超视测距仪：用全球定位仪取代虚拟测站，则一台全球定位仪可在毋需配置任何距离测量设备、毋需观测、毋需通视、不受天候天象、空气质量、障碍物、自身与目标间的距离远近、自身移动速度、测距频率等各种因素限制的情形下，高速连续获取自身与目标之间的距离数据。

例4.超级三维成像仪：毋需配置任何距离测量设备，超级测绘机在通视目标景物的条件下现场实时获取大地坐标系下的三维物方影像。

例5.超级射手：用与发射装置联动的超级测绘机取代虚拟测站，则一台与发射装置联动的超级测绘机就是一个毋须瞄准、毋须配置任何距离测量设备、毋须人工介入的百发百中的射手机器人。

例6.超级指挥仪：一台可通视目标物的超级测绘机就是一个可为无数虚拟测站同时提供目标服务的超级指挥仪。

............................................

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (16)

1.一种超级测绘机，其特征在于：包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，

所述遥感遥测系统包括红外激光光源(2)、搜索成像单元(3)、图像处理单元(4)、天文望远镜成像单元(5)和光敏电阻(1)；

所述三维姿态系统包括仰俯姿态单元(6)、横轴(9)、水平姿态单元(7)、航向姿态单元(8)和竖轴(10)；横轴(9)的中轴线与竖轴(10)的中轴线相互正交且交于空间点O，横轴(9)的中轴线与竖轴(10)的中轴线所构成的平面垂直于超级测绘机的底座平面；红外激光光源(2)的光轴、搜索成像单元(3)的光轴、天文望远镜成像单元(5)的光轴标定在同一轴线L上，称为三光同轴；轴线L过空间点O与横轴(9)的中轴线正交；

所述中央控制与定位通信系统包括中央处理器(11)、人机交互单元(12)、存储单元(13)、全球定位单元(14)、通信单元(15)、图像识别单元(16)、电源单元(17)，中央处理器(11)与红外激光光源(2)、搜索成像单元(3)、图像处理单元(4)、天文望远镜成像单元(5)和光敏电阻(1)、仰俯姿态单元(6)、水平姿态单元(7)、航向姿态单元(8)、人机交互单元(12)、存储单元(13)、全球定位单元(14)、通信单元(15)、图像识别单元(16)、电源单元(17)分别连接。

2.根据权利要求1所述的超级测绘机，其特征在于：所述三维姿态系统中，

所述仰俯姿态单元(6)包括第一离合器(6.1)、第一同步带放大器(6.2)、第一编码器(6.3)、第一蜗轮(6.4)、第一同步带轮(6.5)、第一蜗杆(6.6)、第一弹性机构(6.7)、第二蜗轮(6.8)、第二弹性机构(6.9)、第二蜗杆(6.10)和第一电机与驱动(6.11)，第一电机与驱动(6.11)连接第二蜗杆(6.10)，第二蜗轮(6.8)和第二蜗杆(6.10)经第二弹性机构(6.9)啮合，第二蜗轮(6.8)和第一蜗杆(6.6)经第一弹性机构(6.7)啮合，第一蜗轮(6.4)和第一蜗杆(6.6)之间经第一同步带轮(6.5)传动，第一蜗轮(6.4)和第一编码器(6.3)之间经第一同步带放大器(6.2)传动，第一蜗轮(6.4)连接第一离合器(6.1)，第一离合器(6.1)闭合时连接横轴(9)，中央处理器(11)和第一离合器(6.1)、第一同步带放大器(6.2)、第一编码器(6.3)、第一电机与驱动(6.11)分别连接；

设第一同步带放大器(6.2)的传动比为1：H，中央处理器(11)经第一电机与驱动(6.11)的输出在传动后在第一蜗轮(6.4)产生仰俯运动结果，仰俯运动结果由第一同步带放大器(6.2)放大H倍，放大结果传递给第一编码器(6.3)并经由第一编码器(6.3)转换为数字信号上传给中央处理器(11)，中央处理器(11)将所得数据除以H倍后得到横轴(9)真实的位置到达数据；

所述航向姿态单元(8)包括第二离合器(8.1)、第二同步带放大器(8.2)、第二编码器(8.3)、第三蜗轮(8.4)、第二同步带轮(8.5)、第三蜗杆(8.6)、第三弹性机构(8.7)、第四蜗轮(8.8)、第四弹性机构(8.9)、第四蜗杆(8.10)、第二电机与驱动(8.11)，第二电机与驱动(8.11)连接第四蜗杆(8.10)，第四蜗轮(8.8)和第四蜗杆(8.10)经第四弹性机构(8.9)啮合，第四蜗轮(8.8)和第三蜗杆(8.6)经第三弹性机构(8.7)啮合，第三蜗轮(8.4)和第三蜗杆(8.6)之间经第二同步带轮(8.5)传动，第三蜗轮(8.4)和第二编码器(8.3)之间经第二同步带放大器(8.2)传动，第三蜗轮(8.4)连接第二离合器(8.1)，第二离合器(8.1)闭合时连接竖轴(10)，中央处理器(11)和第二离合器(8.1)、第二同步带放大器(8.2)、第二编码器(8.3)、第二电机与驱动(8.11)分别连接；

设第二同步带放大器(8.2)的传动比为1：Z，中央处理器(11)经第二电机与驱动(8.11)的输出在传动后在第三蜗轮(8.4)产生仰俯运动结果，仰俯运动结果由第二同步带放大器(8.2)放大Z倍，放大结果传递给第二编码器(8.3)并经由第二编码器(8.3)转换为数字信号上传给中央处理器(11)，中央处理器(11)将所得数据除以Z倍后得到竖轴(10)真实的位置到达数据。

3.根据权利要求2所述的超级测绘机，其特征在于：所述红外激光光源(2)包括红外激光镜头(2.1)、红外激光调焦镜(2.2)、红外激光发生器(2.3)、泵浦电源(2.4)、第一电机(2.5)、第一驱动电路(2.6)和第三编码器(2.7)，红外激光镜头(2.1)、红外激光调焦镜(2.2)、红外激光发生器(2.3)、泵浦电源(2.4)依次连接，第一电机(2.5)与红外激光调焦镜(2.2)、第一驱动电路(2.6)、第三编码器(2.7)分别连接，中央处理器(11)和泵浦电源(2.4)、第一驱动电路(2.6)、第三编码器(2.7)分别连接；所述天文望远镜成像单元(5)包括第三电机(5.1)、第三驱动电路(5.2)、第五蜗轮(5.3)、第五蜗杆(5.4)、第五编码器(5.5)、第二物镜(5.6)、第二调焦镜(5.7)、第二成像镜组(5.8)和第二双滤光片结构CCD模块(5.9)，第二物镜(5.6)、第二调焦镜(5.7)、第二成像镜组(5.8)和第二双滤光片结构CCD模块(5.9)依次连接，第三驱动电路(5.2)、第三电机(5.1)、第五蜗杆(5.4)、第五编码器(5.5)依次连接，第五蜗杆(5.4)与第五蜗轮(5.3)啮合，第五蜗轮(5.3)连接第二调焦镜(5.7)，中央处理器(11)和第三驱动电路(5.2)、第五编码器(5.5)、第二双滤光片结构CCD模块(5.9)分别连接。

4.根据权利要求3所述的超级测绘机，其特征在于：所述搜索成像单元(3)包括第二电机(3.1)、第二驱动电路(3.2)、第六蜗轮(3.3)、第六蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)、第一物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、第一调焦镜(3.8)、第一成像镜组(3.9)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)、第七蜗轮(3.11)、第七蜗杆(3.12)、第六编码器(3.13)、第四电机(3.14)和第四驱动电路(3.15)，第一物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、第一调焦镜(3.8)、第一成像镜组(3.9)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)依次连接，第二驱动电路(3.2)、第二电机(3.1)、第六蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)依次连接，第六蜗杆(3.4)与第六蜗轮(3.3)啮合，第六蜗轮(3.3)连接第一调焦镜(3.8)，第四驱动电路(3.15)、第四电机(3.14)、第七蜗杆(3.12)、第六编码器(3.13)依次连接，第七蜗杆(3.12)与第七蜗轮(3.11)啮合，第七蜗轮(3.11)连接变焦镜组(3.7)，中央处理器(11)和第二驱动电路(3.2)、第四编码器(3.5)、第六编码器(3.13)、第四驱动电路(3.15)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)分别连接。

5.根据权利要求4所述的超级测绘机，其特征在于：基于光敏电阻(1)进行自主成像过程，包括根据白光光通量，光敏电阻(1)发出信号控制中央处理器(11)关闭或打开泵浦电源(2.4)，对应白光光源或红外激光光源；搜索成像单元(3)、天文望远镜成像单元(5)分别与图像处理单元(4)连接，成像结果由图像处理单元(4)判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器(11)打开泵浦电源(2.4)提供红外激光光源。

6.根据权利要求5所述的超级测绘机，其特征在于：所述自主成像过程的工作步骤如下，

步骤1，进行成像光源初始选择，实现如下，

在白光光通量足以使第二双滤光片结构CCD模块(5.9)白光成像时，光敏电阻(1)的信号口处于闭合状态，中央处理器(11)关闭泵浦电源(2.4)，进入步骤2；白光光通量不足以第二双滤光片结构CCD模块(5.9)白光成像时，光敏电阻(1)的信号口处于常开状态，中央处理器(11)开启泵浦电源(2.4)，红外激光光源(2)照射目标，搜索成像单元(3)、天文望远镜成像单元(5)接受自目标返回的红外激光，进入步骤4；

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下，

中央处理器(11)读取变焦镜组(3.7)、第一调焦镜(3.8)的调焦标定值驱动第二电机(3.1)和第三电机(5.1)依次到达各相应标定位置，在每个相应标定位置，白光信号经由搜索成像单元(3)、天文望远镜成像单元(5)转换为数字信号后到达图像处理单元(4)，图像处理单元(4)获取图像值并比较，记录使图像值最大的第二电机(3.1)位置为使来自搜索成像单元(3)的图像最清晰处，记录使图像值最大的第三电机(5.1)位置为使来自天文望远镜成像单元(5)的图像最清晰处；

中央处理器(11)对目标景物的所有图像值进行分析处理，

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于预设正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，进入步骤3；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q1大于预设正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，进入步骤4；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器(11)报警，停止流程；

其中，预设正实数Q1大于预设正实数Q2；

步骤3，基于白光光源，在自动调焦后进行自动成像，

针对搜索成像单元(3)的实现如下，

自动调焦时，中央处理器(11)向第二驱动电路(3.2)发出指令，使第二电机(3.1)、第六蜗杆(3.4)转动，第四编码器(3.5)实时记录第六蜗杆(3.4)的运动状态同步反馈给中央处理器(11)，中央处理器(11)算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆(3.4)转动到设定的位置并通过第六蜗轮(3.3)完成对第一调焦镜(3.8)的焦距调整；

自动成像时，白光信号经过第一物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、第一调焦镜(3.8)和第一成像镜组(3.9)到达第一双滤光片结构CCD模块(3.10)，第一双滤光片结构CCD模块(3.10)将白光信号转换成数字信号后到达图像处理单元(4)，图像处理单元(4)得到清晰的景物图像并上传至中央处理器(11)，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

针对天文望远镜成像单元(5)的实现如下，

自动调焦时，中央处理器(11)向第三驱动电路(5.2)发出指令，使第三电机(5.1)、第五蜗杆(5.4)转动，第五编码器(5.5)实时记录第五蜗杆(5.4)的运动状态同步反馈给中央处理器(11)，中央处理器(11)算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第五蜗杆(5.4)转动到设定的位置并通过第五蜗轮(5.3)完成对第二调焦镜(5.7)的焦距调整；

自动成像时，白光信号经过第二物镜(5.6)、第二调焦镜(5.7)和第二成像镜组(5.8)到达第二双滤光片结构CCD模块(5.9)，第二双滤光片结构CCD模块(5.9)将白光信号转换成数字信号后传至图像处理单元(4)，图像处理单元(4)得到清晰的景物图像并上传至中央处理器(11)，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

步骤4，基于红外激光光源，在红外激光照射范围准确覆盖成像单元(3)的视场后进行自动成像，

针对搜索成像单元(3)的实现如下，

首先，中央处理器(11)同时完成两项工作，一是开启第四驱动电路(3.15)，使第四电机(3.14)带动第七蜗杆(3.12)运动到Pi位置，第七蜗杆(3.12)带动涡轮(3.11)使变焦镜组(3.7)将搜索成像单元(3)的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第六编码器(3.13)将第七蜗杆(3.12)的实际到达位置上传给中央处理器(11)；二是向第一驱动电路(2.6)发出指令使第一电机(2.5)带动红外激光调焦镜(2.2)运动到Qi位置，使红外激光光源(2)的照射范围正好覆盖搜索成像单元(3)的视场；

其中，标定常数Pi是搜索成像单元(3)执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场i=1,2,3,.....J，J为总类数，标定常数Qi是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜(2.2)处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合，Pi被标定后，Qi根据Pi标定；

然后，从目标景物返回的红外激光信号通过第一物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、第一调焦镜(3.8)、第一成像镜组(3.9)到达第一双滤光片结构CCD模块(3.10)，第一双滤光片结构CCD模块(3.10)将红外激光信号转换成数字信号后传至图像处理单元(4)，图像处理单元(4)得到清晰景物图像并上传至中央处理器(11)，完成基于红外激光光源的自动成像任务；

针对天文望远镜成像单元(5)的实现如下，

首先，中央处理器(11)向第一驱动电路(2.6)发出指令使第一电机(2.5)带动红外激光调焦镜(2.2)运动到位置v。，红外激光光源(2)的照射范围正好覆盖天文望远镜成像单元(5)的视场；其中，v。是标定常数，按天文望远镜成像单元(5)的视场角u。标定红外激光光源(2)的相应常数v。；

然后，从目标景物返回的红外激光信号通过第二物镜(5.6)、第二调焦镜(5.7)、第二成像镜组(5.8)到达第二双滤光片结构CCD模块(5.9)；第二双滤光片结构CCD模块(5.9)将红外激光信号转换成数字信号并将数字信号后传至图像处理单元(4)，图像处理单元(4)得到清晰景物图像并上传至中央处理器(11)，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述超级测绘机，其特征在于：用于超视瞄准，包括利用超级测绘机在所在测位上瞄准目标得到的瞄准参数和其它测站的三维大地坐标，获得其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数，所述瞄准参数为三维姿态数据；

所述超视瞄准的原理是，将大地坐标系下的三维空间和全球定位系统时间定义的时空称为现实世界，从超级测绘机的三维大地坐标数据、瞄准参数和其它测站的三维大地坐标数据出发构造流形结构与流形，将现实世界映射到一个称之为像空间的集合中去并在像空间中完成像点之间的关联和像网格之间的关联；通过相关数学方法，将这种像空间中像网格之间的相互表达1-1对应现实世界中不同的测站瞄准同一目标时得到的不同的瞄准参数之间的关系，并逆映射回到现实世界，进而得到超级测绘机之外的其它测站瞄准同一目标时的瞄准参数；

所述超视瞄准的过程包括以下步骤，

1）构建像空间S如下，

其中，

是全体实数构成的集合，是三维实空间，P_k是

的子集合；k是距离符号，代表从超级测绘机全球定位单元(14)的天线相位中心到被测目标形成的三维矢量在大地水准面上的投影，具有三重涵义，包括k是S中元素的下标，k是任意实数，k代表了一个S到

的1-1的映上的满射，从而也是S到

上的1-1的映上的满射；像空间与大地坐标系下所有空间点构成的集合之间存在1-1对应的关系k；

2）构建像曲面P_k如下，

设

f是定义在P_k上的运算；

b∈P_k和c∈P_k而言，P_k和f同时满足如下各条，

(i)f与k无关；

(ii)f：

(iii)f(a,b)＞0，当且仅当a＝b时f(a,b)＝0；

(iv)f(a,b)＝f(b,a)；

(v)f(a,b)+f(b,c)≥f(a,c)，当且仅当a＝b=c时等式成立；

(vi)f无量纲；

则P_k是一个以f为尺度的尺度空间，称为像曲面；在大地坐标系中，存在一个由三维空间点构成的集合D，D具有与P_k完全相同的势和拓扑性质；

3）现实测站、虚拟测站、像点和像网格定义如下，

现实测站是所述超级测绘机，虚拟测站是基于全球定位系统时间的任意一个已知的大地坐标点，两者之间无距离限制、无通视要求、无相对位置限制；在同一大地坐标系中，实体测站、虚拟测站和被测目标在D中有各不相同的坐标；

在D和像曲面P_k之间建立1-1对应的映射A_k，使得实体测站、虚拟测站和被测目标的三维大地坐标分别对应像曲面P_k中的三个唯一确定的各不相同的像点；

以实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像点为两个像网格原点，以f为尺度，通过A_k映射得到像曲面P_k中的两个像网格，分别为实体测站像网格与虚拟测站像网格，它们是相互独立、相互覆盖的；在像网格中，每一格的长度各不相同，且这种长度是无量纲的；

4）像网格的归一方程与像网格之间的相互关联建立如下，

在映射A_k之上叠加归一条件即归一方程，得到归一映射Ｂ；归一映射Ｂ是大地坐标系中三维空间点构成的集合D与像曲面P_k之间的1-1映射，在归一映射Ｂ的意义下，像曲面P_k中的实体测站像网格和虚拟测站像网格被赋予了相同的相对伸缩比例，所谓相对伸缩比例系指这种比例与像曲面中的像坐标原点和像网格的格数相关，这种源于归一条件的关联使得实体测站像网格和虚拟测站像网格不再相互独立；

5）实测数据在像曲面P_k中的度量转换与无量纲化如下，

归一映射Ｂ将大地坐标系中集合D的每一个有量纲数据都1－1映射到无量纲的像曲面P_k中，实体测站和虚拟测站的每一次测位变化都会在像曲面P_k中产生一组像测位量，不同的测位对应了不同的像测位量；在同一测位上，实体测站的每一次观测又会在像曲面P_k中产生一组像观测量，不同的观测对应了不同的像观测量；

度量转换与无量纲化参数，是指在归一映射Ｂ意义下，同一测站的像测位量与像观测量处于同一像网格中，存在一组度量转换参数使得两者之间得以相互表达，这样的度量转换参数是有量纲的，它的参与使得大地坐标系中的每一个有量纲数据都被转换为像曲面P_k中像网格的格数，同步完成从现实世界到像空间的度量转换与无量纲化；

6）实体测站和虚拟测站在像曲面P_k中的像协同如下，

利用归一映射Ｂ将被测目标纳入实体测站像网格，利用像曲面P_k中的度量转换与无量纲化，在尺度f下定义运算，将实体测站像网格中的数据转换为虚拟测站像网格数据，在虚拟测站像网格中读出被测目标的格数；

7）返回大地坐标系，获得虚拟测站在已知大地坐标点上的瞄准参数如下，

在4）中，归一映射Ｂ将大地坐标系中三维空间点构成的集合D中的元1-1映射到了像曲面P_k中，5）和6）实现了像网格之间的数据转换，以下通过像网格之间的数据转换实现实体测站和虚拟测站在大地坐标系中的协同；

综合2）、3）和5），通过归一映射Ｂ的逆映射将虚拟测站像网格中的被测目标格数还原成虚拟测站在大地坐标系中虚拟测位上的瞄准参数，包括虚拟测站瞄准被测目标时的水平位数据、航向角数据和仰俯角数据。

8.根据权利要求7所述超级测绘机，其特征在于：基于超视瞄准的过程得到虚拟测站瞄准参数后，在无测距仪条件下进行距离测量，包括根据实体测站的三维大地坐标、虚拟测站的三维大地坐标、实体测站的三维大地坐标和虚拟测站的三维大地坐标构成的基准线、实体测站瞄准被测目标的三维姿态数据及虚拟测站瞄准被测目标的三维姿态数据，根据欧氏几何方法，得到所有虚拟测站到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据、实体测站到被测目标之间在大地坐标系下的距离数据。

9.根据权利要求8所述超级测绘机，其特征在于：在无测距仪条件下遥测获得目标的三维大地坐标，实现如下，

中央处理器(11)根据实体测站正北方向、实体测站三维大地坐标、虚拟测站三维大地坐标、实体测站和虚拟测站之间的距离、实体测站和虚拟测站瞄准目标的三维姿态数据、实体测站和虚拟测站到目标之间的距离计算得到目标的三维大地坐标。

10.根据权利要求9所述超级测绘机，其特征在于：基于遥感影像和精确瞄准的遥测获取目标点三维大地坐标，步骤如下，

1)精准确定测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元(12)的触摸屏在搜索成像单元(3)获取的大视场实景影像中点击选取的目标点时，中央处理器(11)以目标点为新的分划中心，向仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)发出运动指令，将横轴(9)和竖轴(10)转动到位，使轴线L指向目标点；天文望远镜成像单元(5)获取影像；中央处理器(11)在天文望远镜成像单元(5)获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上进行数码变焦再放大，获得光学和数码两级放大后的目标点清晰影像；

2)精确瞄准测量目标，实现如下，

当用户通过在人机交互单元(12)的触摸屏在光学和数码两级放大后的目标点清晰影像中点击选定的测量目标时，中央处理器(11)以测量目标为新的分划中心，根据测量目标位置向仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)发出运动指令，将横轴(9)和竖轴(10)转动到位，使轴线L指向测量目标，完成对测量目标的精确瞄准；

3)中央处理器(11)计算得到测量目标的三维大地坐标。

11.根据权利要求8所述超级测绘机，其特征在于：自主生成大地坐标系下的三维物方影像。实现如下，

基于自主成像过程获取物方影像后，遥感遥测系统停止摄取物方影像，三维姿态系统在目标景物界定的搜索成像单元(3)或天文成像望远镜成像单元(5)的视场内快速地连续扫描，超级测绘机和虚拟测站以全球定位系统时间为匹配标准，按基于超视瞄准的过程瞄准各目标点，结合在无测距仪条件下进行距离测量的结果，获取各目标点三维大地坐标，中央处理器(11)将所获之各目标的三维大地坐标匹配到目标景物的物方影像中，得到大地坐标系下的三维物方影像。

12.根据权利要求9所述超级测绘机，其特征在于：使用具有全球定位和通信装置的移动设备为虚拟测站时，虚拟测站自动寻的，实现方式如下，

超级测绘机瞄准目标，中央处理器(11)通过通信单元(15)接受虚拟测站发来的虚拟测站位置信息及时间信息，用超视瞄准方法连续解算虚拟测站在所述时间点瞄准目标的三维姿态数据，用在无测距仪条件下进行距离测量的方式连续解算虚拟测站在所述时间点与目标之间的距离数据，并通过通信单元(15)同步向虚拟测站连续发布解算结果，虚拟测站据此调整飞行姿态或运动方向、飞行速度或运动速度，直至抵达目标；所述目标为运动目标或静止目标。

13.根据权利要求8所述所述超级测绘机，其特征在于：基于实时三维大地坐标和实时视频，断开第一离合器(6.1)、第二离合器(8.1)，对任意移动目标进行半自动跟踪测量；或者闭合第一离合器(6.1)、第二离合器(8.1)，对特定移动目标进行全自动跟踪测量。

14.根据权利要求13所述的超级测绘机，其特征在于：基于实时三维大地坐标和实时视频，对任意移动目标的半自动跟踪测量的步骤如下，

1)进入半自动跟踪测量工作模式，实现方式如下，

基于自动成像方法连续获取目标影像，在人机交互单元(12)的触摸屏上连续播放，断开第一离合器(6.1)、第二离合器(8.1)，进入支持手动操控的半自动跟踪测量工作模式；

2)实时跟踪测量，实现方式如下，

当用户以目视人机交互单元(12)的触摸屏、手动调整航向角和仰俯角的方式跟踪移动目标时，航向姿态单元(8)和仰俯姿态单元(6)同步向中央处理器(11)提供瞄准移动目标的实时姿态数据；中央处理器(11)连续解算出移动目标的实时三维大地坐标；

3)同步数据传输，由中央处理器(11)通过通信单元(15)远程传输移动目标的实时视频和实时三维大地坐标。

15.根据权利要求13所述的跟踪测量机器人，其特征在于：基于实时三维大地坐标和实时视频，对特定移动目标的全自动跟踪测量的步骤如下，

1)搜索成像单元(3)循环扫描搜索范围，实现方式如下，

输入搜索范围后，中央处理器(11)协调相关工作单元同步工作，包括取与扫描搜索任务对应的变倍参数Pi，通过变焦镜组(3.7)将搜索成像单元(3)的放大倍数固定在Pi位置；闭合第一离合器(6.1)、第二离合器(8.1)，仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)带动红外激光光源(2)、搜索成像单元(3)、天文望远镜成像单元(5)连续运动，循环覆盖搜索范围；根据自动成像过程，在搜索范围内连续获取野外实景影像；

2)获取目标搜索数据，实现方式如下，

搜索成像单元(3)提供以搜索范围为界的全局影像数据，天文望远镜成像单元(5)提供全局影像中每幅以其视场为界的单幅影像的分划中心附近的局部影像详细数据；

3)获取待识别目标影像，实现方式如下，

图像识别单元(16)比对搜索成像单元(3)提供的全局影像数据，得到待识别目标，中央处理器(11)根据待识别目标在全局影像中的位置向仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)发出运动指令，将横轴(9)和竖轴(10)转动到位，使轴线L瞄准待识别目标，天文望远镜成像单元(5)获取待识别目标影像；

4)目标识别，包括由图像识别单元(16)比对天文望远镜成像单元(5)提供的待识别目标影像数据和特定目标的详细特征数据，识别瞄准对象；

5)跟踪瞄准，实现方式如下，

中央处理器(11)以图像识别单元(16)提供的瞄准对象为跟踪瞄准对象，指令仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)带动红外激光光源(2)、搜索成像单元(3)和天文望远镜成像单元(5)连续运动，使跟踪瞄准对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置；仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)同步向中央处理器(11)反馈姿态数据；

同时，搜索成像单元(3)以向中央处理器(11)提供包括特定目标方位、环境在内的周边影像数据；天文望远镜成像单元(5)向中央处理器(11)提供特定目标的详细影像数据；

6)跟踪测量，包括由中央处理器(11)连续解算运动中的特定目标的实时三维大地坐标；

7)航迹推算与再搜索，实现方式如下，

包括在设定的时间段内，中央处理器(11)按特定目标在所保存每一时刻的三维大地坐标数据和周边影像数据，得到航迹推算函数；若搜索成像单元(3)在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器(11)根据航迹推算函数推算其下一时间可能出现的空间位置，据此划定目标再搜索范围并循环搜索，通过仰俯姿态单元(6)和航向姿态单元(8)使轴线L逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现；

8)同步数据传输，实现方式如下，

中央处理器(11)通过通信单元(15)远程传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

16.根据权利要求4所述的超级测绘机，其特征在于：所述搜索成像单元(3)包括第二电机(3.1)、第二驱动电路(3.2)、第六蜗轮(3.3)、第六蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)、第一物镜(3.6)、第一调焦镜(3.8)、第一成像镜组(3.9)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)，第一物镜(3.6)、第一调焦镜(3.8)、第一成像镜组(3.9)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)依次连接，第二驱动电路(3.2)、第二电机(3.1)、第六蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)依次连接，第六蜗杆(3.4)与第六蜗轮(3.3)啮合，第六蜗轮(3.3)连接第一调焦镜(3.8)，中央处理器(11)和第二驱动电路(3.2)、第四编码器(3.5)、第一双滤光片结构CCD模块(3.10)分别连接。

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