CN107449394B - 全站仪电子对中系统及其对中自动补偿方法 - Google Patents

全站仪电子对中系统及其对中自动补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理技术的用于全站仪电子对中系统及其对中自动补偿方法。为了解决目前全站仪与测站基准点的对中精度低的问题，本发明在全站仪对中光路上安装CCD图像传感器，获取度盘三个方向上的三个对中影像并进行处理分析，得到图像中地面点和十字线中心的坐标，进而以地面点为不动点对三张图像进行叠加，并建立一直角坐标系统，求出对中误差向量进而求出地面点与十字线中心的实际偏移量，然后计算出角度偏差值，加入到方向值中进行改正，从而获得正确的方向值。本发明对全站仪对中误差进行了精确测定，并对方向值进行改正，提高了人工对中的精度，节省了测量时间，具有较高的实用价值。

Description

全站仪电子对中系统及其对中自动补偿方法
技术领域
本发明涉及精密测量定位技术领域，特别是涉及一种全站仪电子对中系统及对中自动补偿方法。
背景技术
目前，在全站仪的测角过程中，存在着对中误差和照准误差。现如今自动照准技术已经非常成熟，设备有全站仪ART自动照准功能，其顶尖的技术使数据更加准确，照准误差已经可以控制在较高精度。但是全站仪对中工作仍然需要人工操作，有的还必须进行强制对中。而人工控制所产生的误差对观测值的影响很大，特别是在进行精密导线和精密检测时，人工对中的误差(即偏心距)范围大约在0.3～1㎜。仪器对中误差公式为：
其中，ρ＝206265″，θ为偏心角，β′为实测角度，Δβ为角度偏差，D1、D2分别为测站中心到测站点之间的距离。例如：在人工对中误差为1mm，测站中心距离两个测站点均为50m，不难看出，当实测角度为180°，偏心角为90°时，角度误差最大，Δβ大约为±8″，即对方向值的影响大约是8″，这个测角精度不满足精密导线和精密监测的精度要求。需要精确人工对中，这就花费很多时间。此外由于对点器本身还有一定的误差，导致人工误差虽然在规定的范围内，但实际还有较大的误差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种解决目前全站仪与测站基准点的对中精度低的问题、提高了人工对中的精度、节省了测量时间的全站仪电子对中系统及对中自动补偿方法。
本发明采取的技术方案是：一种全站仪电子对中系统，包括地面点、反射棱镜、CCD图像传感器、对点器以及光路通道；所述反射棱镜与地面点相对上下位置在竖直方向上对齐，且反射棱镜与地面点之间连接有竖直中空光路通道；所述对点器与反射棱镜水平相对设置，且对点器与反射棱镜之间连接有水平中空光路通道，且对点器和反射棱镜之间的靠近对点器的光路通道上设有CCD图像传感器；
所述的CCD图像传感器内部包含度盘。
全站仪电子对中自动补偿方法，包括如下操作步骤
步骤一：利用CCD图像传感器于对中光路对地面点在水平度盘方向值为0°、120°、240°各进行一次图像拍摄并记录各准确的方向值；
步骤二：分别遍历步骤一种拍摄的三幅图像像素，提取各图像中的地面点以及十字线中心坐标；
步骤三：将步骤一种获取的三张图像根据步骤二提取的地面点为不动点、以度盘方向值为方向进行叠加，并以在度盘0°拍摄的图像坐标为标准坐标系统利用四参数坐标转换模型将120°、240°的十字中心线坐标归算至标准坐标系统中；四参数坐标转换模型为：
X＝ΔX+X0*K*cosα-Y0*K*sinα (1)
Y＝ΔY+X0*K*sinα+Y0*K*cosα (2)
式中：ΔX、ΔY分别为在X轴、Y轴上的平移量；K为比例系数；α为旋转角；
步骤四：利用步骤二中各图像的地面点坐标和旋转角分别带入下式求出120°、240°各自坐标系统与0°标准坐标系统之间的ΔX、ΔY；
ΔX1,2＝X1-X2*cosα1+Y2*sinα1 (3)
ΔY1,2＝Y1-X2*sinα1-Y2*cosα1 (4)
ΔX1,3＝X1-X3*cosα2+Y3*sinα2 (5)
ΔY1,3＝Y1-X3*sinα2-Y3*cosα2 (6)；
步骤五：步骤二中提取到的0°、120°、240°对应的十字线中心设为A、B、C，将A、B、C的坐标、旋转角以及步骤四中的ΔX、ΔY带入下式得出120°、240°图像对应的十字线中心在标准坐标系统中的坐标；
X′B＝ΔX1,2+XBcosα1-YBsinα1 (7)
Y′B＝ΔY1,2+XBsinα1+YBcosα1 (8)
X′C＝ΔX1,3+XCcosα2-YCsinα2 (9)
Y′C＝ΔY1,3+XCsinα2+YCcosα2 (10)；
以A、B、C点为顶点做三角形△ABC，得出三角形的重心记为D点，并求三个顶点坐标的算数平均值，可得D点坐标为((XA+XB′+XC′)/3，(YA+YB′+YC′)/3)；
步骤六：将0°图像中地面点记为P，利用步骤五中三角形重心D点坐标以及P点坐标根据下式求出距离偏移量以及角度偏移量；
Figure GDA0002224841990000031
Figure GDA0002224841990000032
再由仪器的对中误差改正公式，对角度进行改正，得到正确方向值：
β0＝β+Δβ (13)
式中，β0为改正后的正确方向值，β为观测所得方向值，Δβ为角度偏差；
步骤七：在地面对中点上水平贴一张标准规格的全站仪贴片并通过CCD图像传感器进行拍摄获取图像，提取贴片内圆直径在图像中的长度，将步骤六中的偏移量按照全站仪贴片内圆直径在图像中的长度与实际长度的对应比例换算为实际长度，得到地面点与对点器十字线中心之间的实际偏移量，如下：
Figure GDA0002224841990000033
式中：S为地面点与对点器十字线中心之间的实际偏移量；d为全站仪贴片内圆直径；L为全站仪贴片上内圆直径在图像中的长度。
作为一种优选的技术方案：所述的CCD图像传感器(3)距地面对中点的高度是始终不变的，焦距也是始终不变的。
本发明的有益效果是：(1)提高了人工对中误差的精度，节省了测量时间，具有较高的实用价值(2)模型与度盘建立关系，应用此方法，对角度方向进行了改正，将对点器误差与对中误差建立关系，更好的实现了对误差的补偿，在测量中，确保了数据的可用性，提高了计算的精度；(3)将本发明中的CCD图像传感器在实际全站仪生产时嵌入，采用本发明可以大大弥补全站仪对点器在某些精度要求较高的测量工作中达不到精度要求的缺憾，缩小与国外先进全站仪之间的差距。
附图说明
图1是全站仪自动对中系统对中光路成像原理示意图；
图2是实验时分别在度盘0°拍摄的图像；
图3是地面点在对点器中120°的成像示意图；
图4是地面点在对点器中240°的成像示意图；
图5地面点早地点器中的成像示意图；
图6是图2中所拍摄的三幅图像的叠加示意图；
图7是地面点与十字线中心偏差改正模型示意图；
图中：1地面点、2反射棱镜、3CCD图像传感器、4对点器、5地面点在对点器中的成像、6对点器十字线中心、7、8、9三幅图像叠加后的十字线中心、10以7、8、9点为顶点的三角形的重心、11同5地面点在对点器中的成像、12旋转角偏差Δβ、13光路通道。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图进行进一步阐述本发明。
参考附图1，一种全站仪电子对中系统，包括地面点1、反射棱镜2、CCD图像传感器3、对点器4以及光路通道13；所述反射棱镜2与地面点1相对上下位置在竖直方向上对齐，且反射棱镜2与地面点1之间连接有竖直中空光路通道13；所述对点器4与反射棱镜2水平相对设置，且对点器4与反射棱镜2之间连接有水平中空光路通道13，且对点器4和反射棱镜2之间的靠近对点器4的光路通道13上设有CCD图像传感器3；
所述的CCD图像传感器3内部包含度盘。
参考附图2、3、4、5，全站仪电子对中自动补偿方法，包括如下操作步骤
步骤一：利用CCD图像传感器3的自动调焦功能，通过对中光路对地面点1在度盘水平度盘方向值为0°、120°、240°左右各进行一次图像拍摄，如附图2、3、4中分别为实验时分别在0°、120°、240°左右拍摄的图像，并记录各方向上准确的方向值；
步骤二：参考附图5，附图5为地面点在对点器中的成像示意图，即每张对中图像中会出现一个地面点，如图5中5所示，和一个十字线中心，如图5中6所示；对步骤1中获得的三张图像分别遍历图像像素，利用图像中地面点和十字线中心都大致处于图像中心附近这一特点，获取图像中各点坐标及其对应像素值，提取每张图像中地面点及十字线中心坐标；
步骤三：将步骤一种获取的三张图像根据步骤二提取的地面点为不动点、以度盘方向值为方向进行叠加出现三个对点器十字线中心，参考附图6即为叠加示意图，并以在度盘0°拍摄的图像坐标为标准坐标系统，利用四参数坐标转换模型将120°、240°的十字线中心坐标归算到标准坐标系统中；四参数坐标转换模型为：
X＝ΔX+X0*K*cosα-Y0*K*sinα (1)
Y＝ΔY+X0*K*sinα+Y0*K*cosα (2)
式中：ΔX、ΔY分别为在X轴、Y轴上的平移量；K为比例系数；α为旋转角；全站仪对中后，CCD图像传感器距地面对中点的高度是不变的，焦距不变，因此在步骤1中取得的三幅图像在尺度上是保持一致的，故K为1；0°拍摄图像与在度盘120°和240°所拍摄图像之间的旋转角分别为120°、240°；
步骤四：利用步骤二中0°、120°和240°各图像的地面点坐标记为P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)、P3(X3，Y3)，则将P1、P2坐标及旋转角120°，P1、P3坐标及旋转角240°分别带入公式(3)、(4)、(5)、(6)即公式(1)、(2)的变形，即可求出在度盘0°左右拍摄图像与在度盘120°左右和240°左右拍摄图像之间的ΔX、ΔY；
ΔX1,2＝X1-X2*cosα1+Y2*sinα1 (3)
ΔY1,2＝Y1-X2*sinα1-Y2*cosα1 (4)
ΔX1,3＝X1-X3*cosα2+Y3*sinα2 (5)
ΔY1,3＝Y1-X3*sinα2-Y3*cosα2 (6)；
步骤五：参考附图7为地面点与十字线中心偏差改正模型示意图，步骤二中提取到的的0°、120°、240°图像对应的十字线中心分别设为A、B、C，分别将B(XB，YB)、ΔX1,2、ΔY1,2及旋转角α1为120°，C(XC，YC)、ΔX1,3、ΔY1,3及旋转角α2为240°带入到下式中可得到B、C点归算到标准坐标系统中的坐标(XB′,YB′)、(XC′,YC′)，如下式：
X′B＝ΔX1,2+XBcosα1-YBsinα1 (7)
Y′B＝ΔY1,2+XBsinα1+YBcosα1 (8)
X′C＝ΔX1,3+XCcosα2-YCsinα2 (9)
Y′C＝ΔY1,3+XCsinα2+YCcosα2 (10)；
参考附图6，以A、B、C点为顶点做三角形△ABC，得出三角形的重心记为D点，并求三个顶点坐标的算数平均值，可得D点坐标为((XA+XB′+XC′)/3，(YA+YB′+YC′)/3)；
步骤六：0°图像中地面点记为P，利用步骤五中三角形重心D点坐标以及P的坐标根据下式求出距离偏移量PD以及角度偏移量Δβ；
Figure GDA0002224841990000061
Figure GDA0002224841990000062
则角度偏差Δβ即可求出；
再由仪器的对中误差改正公式，对角度进行改正，得到正确的方向值：
β0＝β+Δβ (13)
式中，β0为改正后的正确方向值，β为观测所得方向值，Δβ为角度偏差；
步骤七：将步骤六中的偏移量换算为实际长度，并利用角度偏差得到正确的方向值；在地面对中点上水平粘贴一张标准规格的全站仪贴片，并用CCD图像传感器在进行图像获取，得到包含有贴片的图像，之后利用贴片为两个标准圆形这一特点，利用特定的图像处理算法，提取内圆直径在图像中的长度，记其长度为L，记贴片内圆直径实际长度为D；由于贴片内圆直径的实际长度与其在图像中长度之间的比值同地面点与对点器十字线中心实际偏移量和其在图像中的偏移量之间的比值是相等的，因此利用步骤6计算得到的地面点与对中器十字线中心在图像中的偏移量PD可计算出其实际长度S为：
Figure GDA0002224841990000063
所述的CCD图像传感器3，距地面对中点的高度是始终不变的，焦距也是始终不变的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以补充阐释本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的广大技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种全站仪电子对中系统，其特征在于：包括地面点(1)、反射棱镜(2)、CCD图像传感器(3)、对点器(4)以及光路通道(13)；所述反射棱镜(2)与地面点(1)相对上下位置在竖直方向上对齐，且反射棱镜(2)与地面点(1)之间连接有竖直中空光路通道(13)；所述对点器(4)与反射棱镜(2)水平相对设置，且对点器(4)与反射棱镜(2)之间连接有水平中空光路通道(13)，且对点器(4)和反射棱镜(2)之间的靠近对点器(4)的光路通道(13)上设有CCD图像传感器(3)；
全站仪电子对中自动补偿方法，包括如下操作步骤
步骤一：利用CCD图像传感器(3)于对中光路对地面点(1)在水平度盘方向值为0°、120°、240°各进行一次图像拍摄并记录各准确的方向值；
步骤二：分别遍历步骤一中 拍摄的三幅图像像素，提取各图像中的地面点以及十字线中心坐标；
步骤三：将步骤一中 获取的三张图像根据步骤二提取的地面点为不动点、以度盘方向值为方向进行叠加，并以在度盘0°拍摄的图像坐标为标准坐标系统利用四参数坐标转换模型将120°、240°的十字中心线坐标归算至标准坐标系统中；四参数坐标转换模型为
X＝ΔX+X0*K*cosα-Y0*K*sinα (1)
Y＝ΔY+X0*K*sinα+Y0*K*cosα (2)
式中：ΔX、ΔY分别为在X轴、Y轴上的平移量；K为比例系数；α为旋转角；
步骤四：利用步骤二中各图像的地面点坐标和旋转角分别带入下式求出120°、240°各自坐标系统与0°标准坐标系统之间的ΔX、ΔY；
ΔX1，2＝X1-X2*cosα1+Y2*sinα1 (3)
ΔY1，2＝Y1-X2*sinα1-Y2*cosα1 (4)
ΔX1，3＝X1-X3*cosα2+Y3*sinα2 (5)
ΔY1，3＝Y1-X3*sinα2-Y3*cosα2 (6)：
步骤五：步骤二中提取到的0°、120°、240°对应的十字线中心设为A、B、C，将A、B、C的坐标、旋转角以及步骤四中的ΔX、ΔY带入下式得出120°、240°图像对应的十字线中心在标准坐标系统中的坐标；
X′B＝ΔX1，2+XBcosα1-YBsinα1 (7)
Y′B＝ΔY1，2+XBsinα1+YBcosα1 (8)
X′C＝ΔX1，3+XCcosα2-YCsinα2 (9)
Y′C＝ΔY1，3+XCsinα2+YCcosα2 (10)；
以A、B、C点为顶点做三角形ΔABC，得出三角形的重心记为D点，并求三个顶点坐标的算数平均值，可得D点坐标为((XA+XB′+XC′)/3，(YA+YB′+YC′)/3)；
步骤六：将0°图像中地面点记为P，利用步骤五中三角形重心D点坐标以及P点坐标根据下式求出距离偏移量以及角度偏移量；
Figure FDA0002224841980000021
Figure FDA0002224841980000022
再由仪器的对中误差改正公式，对角度进行改正，得到正确方向值：
β0＝β+Δβ (13)
式中，β0为改正后的正确方向值，β为观测所得方向值，Δβ为角度偏差；
步骤七：在地面对中点上水平贴一张标准规格的全站仪贴片并通过CCD图像传感器进行拍摄获取图像，提取贴片内圆直径在图像中的长度，将步骤六中的偏移量按照全站仪贴片内圆直径在图像中的长度与实际长度的对应比例换算为实际长度，得到地面点与对点器十字线中心之间的实际偏移量，如下：
式中：S为地面点与对点器十字线中心之间的实际偏移量；d为全站仪贴片内圆直径；L为全站仪贴片上内圆直径在图像中的长度。
2.根据权利要求1所述的一种全站仪电子对中系统，其特征在于：所述的CCD图像传感器(3)距地面对中点的高度是始终不变的，焦距也是始终不变的。
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