CN110174095B - 一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法,所述数码图像对中的全站仪包括对中部件，对中部件为安装在照准部中转轴内腔的CCD拍摄器，CCD拍摄器的底端延伸至三角架面板的下侧；所述全站仪架设于已知点A的上方，整平全站仪后，全站仪的对中点为Aʹ点；通过分别瞄准两个已知的目标点B和点C，求解出真实∠BAC的水平角角值；本发明改变了传统多次交替反复对中、整平，逐步逼近已知坐标点对中的前期调试手段，仅需整平，无需精确对中，降低操作难度，大大提高工作效率。

Description

一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法

技术领域

本发明涉及属于测绘技术领域，具体涉及一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法。

背景技术

目前，全站仪常用的对中方式有光学与激光两种，在使用仪器进行测量工作前，要求仪器既对中已知点标志中心，又要整平仪器，而整平仪器又会造成对中偏移，故要进行多次反复调试，才能达到既对中又整平的要求。如此，即使是熟练的测量人员也需花费5～6分钟时间，对于初学者甚至需要耗费超过半个小时的时间，使得测量作业前期准备工作效率低下。

授权公告号为CN106403916B的中国专利，公开了一种基于数码图像测定对中点的全站仪及其工作方法，仪器虽只要精确整平无需对中已知点标志中心即可进行水平坐标测量工作，但图像拍摄器镜头因在仪器基座内，使得拍摄的范围仅局限在基座下方的已知点附近，不能测得定向点、对中点、已知点形成的角度；因此，该种仪器在不对中已知点标志中心的情况下，无法测得已知点与两目标点形成的水平角，使得应用受限。

发明内容

针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法，能有效的解决上述问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种数码图像对中的全站仪，包括三角架面板，所述三角架面板的下侧安装有三脚架，三脚架面板的上侧固定连接有调平基座；调平基座的上方安装照准部，照准部的中轴线上安装有中转轴，中转轴的内部装有CCD拍摄器；所述的中转轴贯穿调平基座和三角架面板，延伸至三角架面板的下侧；CCD拍摄器的底端延伸至中转轴底部。

进一步的，所述中转轴的内部沿中轴线设有中空腔，在中空腔内装有自动对焦的CCD拍摄器。

进一步的，所述CCD拍摄器采用的自动对焦系统，自动对焦系统为主动与被动式混装系统。

进一步的，所述CCD拍摄器的底端采用凸透镜镜头，凸透镜镜头突出至中转轴的底部。

进一步的，所述CCD拍摄器包括与CCD拍摄器信号连接的拍摄按键和显示屏。

进一步的，所述显示屏包括数字操作界面，数字操作界面上设有拍摄按键，拍摄按键信号连接CCD拍摄器。

进一步的，所述的显示屏采用的是LED触摸显示屏。

进一步的，所述显示屏的一侧设置拍摄按键，拍摄按键信号连接 CCD拍摄。

进一步的，所述CCD拍摄器的像素不小于100万像素。

进一步的，所述CCD拍摄器距地面坐标点垂直高度为50厘米至 200厘米。

一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法，所述数码图像对中的全站仪包括对中部件，对中部件为安装在照准部中转轴内腔的 CCD拍摄器，CCD拍摄器的底端延伸至三角架面板的下侧；所述全站仪架设于已知点A的上方，整平全站仪后，全站仪的对中点为A′点；通过分别瞄准两个已知的目标点B和点C，求解出真实∠BAC的水平角角值；具体的操作步骤如下：

(1)将数码图像对中的全站仪架设在已知点A的上方，在显示屏上可见已知点A落入CCD拍摄器拍摄范围内；粗略整平全站仪后，全站仪的对中点A′在已知点A的附近；

(2)精确整平全站仪，先水平旋转全站仪照准部整体，再垂直旋转照准部的望远镜镜筒，使镜筒精确瞄准目标点B，转动螺旋锁定器，分别锁定照准部与镜筒，测存全站仪对中点A′至目标点B的水平距离A′B；

(3)打开全站仪镜筒内的导向指示灯，在目标点B上形成红色光斑点B′点，松开镜筒螺旋锁定器，转动镜筒，使红色光斑点B′向全站仪方向回拉，落在CCD拍摄器拍摄范围内，转动镜筒螺旋锁定器，锁定镜筒，拍摄图像；

(4)在拍摄的图像中，全站仪对中点A′与已知点A两点之间的水平距离A′A通过图像技术确定：即在已知点A上设置规则图形的标记物，标记物中心点与已知点A的中心重叠，已知标记物的某段距离为R，数字图形软件识别确定数码图像中R的像素r、A′A的像素d，则A′A的距离：

(5)全站仪中的数字图形软件识别出红色光斑点B′的几何中心、全站仪对中点A′和已知点A的中心，三点连线形成的∠B′A′A的角值，由于点B在A’B’延长线上，因此∠BA′A＝∠B′A′A；

(6)根据∠BA′A的角值及上述得到的A′B、A′A的距离，确定AB 的水平距离：

当0°＜∠BA′A＜180°时，则B点、A′点和A点围成三角形，根据余弦定理，则

当∠BA′A＝180°时，A点在A′B的延长线上，则AB＝A′B+A′A；

当∠BA′A＝0°时，A点在A′B的线段上，则AB＝A′B-A′A；

(7)松开照准部与镜筒的螺旋锁定器，水平转动照准部的整体，使照准部的镜筒瞄准另一目标点C，采用上述步骤(2)-(6)相同的方法，测存全站仪对中点A′至目标点C的水平距离A′C、求得已知点A至另一目标点C的水平距离AC；

(8)当照准部的镜筒从瞄准的目标点B转到瞄准目标点C，全站仪的水平度盘得到水平角∠BA′C的角值；

(9)根据∠BA′C的角值及上述测存的A′B、A′C，确定BC的水平距离：

当0°＜∠BA′C＜180°时，则A′点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

当∠BA′C＝180°时，A′点在BC的线段上，则BC＝A′B+A′C；

当∠BA′C＝0°时，A′点在BC的延长线上，则BC＝|A′B-A′C|；

(10)根据上述求得的AB、AC和BC的水平距离，求出真实水平角∠BAC的角值，真实水平角∠BAC的角值按以下情形判断：

当两边之和大于第三边，则A点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

当AB+AC＝BC时，A点在BC的线段上，则∠BAC取180°；

当|AB-AC|＝BC时，A点在BC的延长线上，则∠BAC取0°。

进一步的，当采用棱镜测存目标点至全站仪对中点A′的水平距离时，要把棱镜中心到目标点的厚度δ参数事先输入全站仪的软件系统中，每次实测的距离要加上该δ参数；对于近距离测距，可使用免棱镜或反射片，则无需加该参数。

进一步的，所述的目标点在三个以上时，则采用方向观测法测定水平角：瞄准起始目标时将度数置为零，因全站仪的水平度盘度数按顺时针表示，照准部的镜筒按顺时针旋转瞄准其他目标点得出的真实水平角值应遂渐增大；若按上述方法得到的后一个水平角值比前一个水平角值小，则改为360度减去后一个水平角值以得到真实水平角值。

进一步的，所述的标记物为圆形，R是圆形半径，或标记为等边三角形，R是三角形边长，或标记为正多边形，R是多边形边长。

进一步的，全站仪对中点A′在图片中位置的确定方法：先拍一张数码图像，再精确旋转180°00′00″拍一张数码图像，通过数字图形软件识别两张数码图像重叠区域的中心点O，即为对中点A′在所拍图像中的位置。

有益效果

本发明提出的一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

(1)采用数码图像技术的CCD为对中器，CCD数字图像信号可在仪器显示屏显示，全站仪只需架设在已知点上方精确整平而无需精确对中；改变了传统的用光学棱镜或激光器的多次交替反复对中、整平，逐步逼近已知点对中的前期调试手段，降低了操作难度，大大提高了工作效率。

(2)全站仪的中转轴增长至固定仪器的三角架面板以下，可使中转轴的中空腔内拍摄器底端的凸透镜镜头视角更大，可拍摄落到全站仪三脚架外侧附近的导向指示灯形成的红色光斑点，为水平角度测量提供了条件。

CCD拍摄器采用自动对焦系统，该系统为主动与被动式混装系统；主动式为红外条纹光束的辅助光或超声波发射系统，对低反差、弱光线、细线条、动体的拍摄效果好；被动式无发射系统，对拍摄通透玻璃质材料的效果好，二者混装可自动切换，互补使用，发挥其强项，克服弱点，使拍摄的导向指示红色光斑形状更清晰、稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中中转轴部分的横截面示意图。

图3是本发明中全站仪测读A′点至目标点水平距离示意图。

图4是本发明中全站仪转动望远镜镜筒后导向光落在三脚架附近示意图。

图5是本发明中全站仪拍摄得到的图像示意图。

图6是本发明中A′点在A点右侧示意图。

图7是本发明中A′点在A点上侧示意图。

图8是本发明中A′点在A点下侧时示意图。

图9是本发明中A′点在BC的线段上示意图。

图10是本发明中A′点在BC的延长线上示意图。

图11是本发明中A点在BA′的延长线上示意图。

图12是本发明中A点在A′B的线段上示意图。

图13是本发明中A点在BC的线段上示意图。

图14是本发明中A点在BC的延长线上示意图。

图15是本发明中全站仪对中点A′在图像上位置确定示意图。

附图中的标记：1-提手、2-支架、3-横轴、4-镜筒、41-瞄准器、 42-瞄准器、5-显示屏、6-调平基座、61-上板、62-下板、63-调平螺旋、7-三角架面板、8-中转轴、81-CCD拍摄器、811-CCD芯片、812- 凸透镜镜头、82-中空腔、9-三脚架、10-棱镜、11-紧固件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

实施例：

如图1～2所示，一种数码图像对中的全站仪，包括设置在全站仪上侧的照准部，设置在照准部顶部的提手1，提手1的底部固定连接有支架2，支架2之间通过横轴3可转动连接有镜筒4，镜筒4的上下侧固定连接有瞄准器41、42，支架2的底部安装有显示屏5。

在照准部的下侧安装有调平基座6，调平基座6的底部通过紧固件固定连接有三角架面板7；照准部的中轴线上安装有中转轴8，中转轴8贯穿调平基座6和三角架面板7，延伸至三角架面板7的下侧；中转轴8通过紧固件11上的外螺纹与三角架面板7和调平基座6的下板62固定连接；中转轴8的内部沿中轴线设有中空腔82，在中空腔82内装有自动对焦的CCD拍摄器81；CCD拍摄器81顶部安装有 CCD芯片811；CCD芯片811的像素不小于100万像素。CCD拍摄器 81的底端延伸至中转轴8底部；在CCD拍摄器81的底端采用凸透镜镜头812，凸透镜镜头812突出至中转轴8底部。CCD拍摄器81采用的自动对焦系统，自动对焦系统为主动与被动式混装系统。CCD拍摄器81通过导线信号连接有拍摄按键和显示屏5。

显示屏5采用的是LED触摸显示屏，显示屏5包括数字操作界面，数字操作界面上设有拍摄按键，拍摄按键信号连接微型CCD拍摄器 81。(显示屏与拍摄器之间的连接方式采用的是本领域内常规的连接方式，本实施例并未对其做任何改进，此为现有技术；此处不多做阐述)

三角架面板7的下侧可活动安装有三脚架9；本实施例中采用铰链外围铰接。三脚架9采用可伸缩式三脚架，使得三脚架9撑开后， CCD拍摄器81距地面已知点垂直高度为50厘米至200厘米。

一种数码图像对中的全站仪及其测定水平角方法，所述数码图像对中的全站仪包括对中部件，对中部件为安装在照准部中转轴内腔的 CCD拍摄器，CCD拍摄器的底端延伸至三角架面板的下侧；所述全站仪架设于已知点A的上方，整平全站仪后，全站仪的对中点为A′点；通过分别瞄准两个已知的目标点B和点C，求解出真实∠BAC的水平角角值；具体的操作步骤如下：

(1)将数码图像对中的全站仪架设在已知点A的上方，在显示屏上可见已知点A落入CCD拍摄器拍摄范围内；粗略整平全站仪后，全站仪的对中点A′在已知点A的附近；

(2)精确整平全站仪，先水平旋转全站仪照准部整体，再垂直旋转照准部的望远镜镜筒，使镜筒精确瞄准目标点B，转动螺旋锁定器，分别锁定照准部与镜筒，测存全站仪对中点A′至目标点B的水平距离A′B；

如图3所示，当采用棱镜测存目标点至全站仪对中点A′的水平距离时，要把棱镜中心到目标点的厚度δ参数事先输入全站仪的软件系统中，每次实测的距离要加上该δ参数；对于近距离测距，可使用免棱镜或反射片，则无需加该参数。

(3)打开全站仪镜筒内的导向指示灯，在目标点B上形成红色光斑点B′点，松开镜筒螺旋锁定器，转动镜筒，使红色光斑点B′向全站仪方向回拉，落在CCD拍摄器拍摄范围内，如图4所示；转动镜筒螺旋锁定器，锁定镜筒，拍摄图像；

(4)在拍摄的图像中，拍摄图像如图5所示；全站仪对中点A′与已知点A两点之间的水平距离A′A通过图像技术确定：即在已知点A上设置规则图形的标记物，标记物中心点与已知点A的中心重叠，已知标记物的某段距离为R，数字图形软件识别确定数码图像中R的像素r、A′A的像素d，则A′A的距离：

若标记物为圆形，R是圆形半径；若标记为等边三角形，R是三角形边长；若标记为正多边形，R是多边形边长。

(5)全站仪中的数字图形软件识别出红色光斑点B′的几何中心、全站仪对中点A′和已知点A的中心，三点连线形成的∠B′A′A的角值，由于点B在A’B’延长线上，因此∠BA′A＝∠B′A′A；

(6)根据∠BA′A的角值及上述得到的A′B、A′A的距离，确定AB 的水平距离：

当0°＜∠BA′A＜180°时，则B点、A′点和A点围成三角形，根据余弦定理，则

如图6-10 所示。

当∠BA′A＝180°时，A点在A′B的延长线上，则AB＝A′B+A′A；如图11所示。

当∠BA′A＝0°时，A点在A′B的线段上，则AB＝A′B-A′A；如图12 所示。

(7)松开照准部与镜筒的螺旋锁定器，水平转动照准部的整体，使照准部的镜筒瞄准另一目标点C，采用上述步骤(2)-(6)相同的方法，测存全站仪对中点A′至目标点C的水平距离A′C、求得已知点A至另一目标点C的水平距离AC；

(8)当照准部的镜筒从瞄准的目标点B转到瞄准目标点C，全站仪的水平度盘得到水平角∠BA′C的角值；

(9)根据∠BA′C的角值及上述测存的A′B、A′C，确定BC的水平距离：

当0°＜∠BA′C＜180°时，则A′点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

如图6-8、图11-14所示。

当∠BA′C＝180°时，A′点在BC的线段上，则BC＝A′B+A′C；如图 9所示。

当∠BA′C＝0°时，A′点在BC的延长线上，则BC＝|A′B-A′C|；如图10所示。

(10)根据上述求得的AB、AC和BC的水平距离，求出真实水平角∠BAC的角值，真实水平角∠BAC的角值按以下情形判断：

当两边之和大于第三边，则A点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

如图6-12所示。

当AB+AC＝BC时，A点在BC的线段上，则∠BAC取180°；如图 13所示。

当|AB-AC|＝BC时，A点在BC的延长线上，则∠BAC取0°；如图 14所示。

目标点在三个以上时，则采用方向观测法测定水平角：瞄准起始目标时将度数置为零，因全站仪的水平度盘度数按顺时针表示，照准部的镜筒按顺时针旋转瞄准其他目标点得出的真实水平角值应遂渐增大；若按上述方法得到的后一个水平角值比前一个水平角值小，则改为360度减去后一个水平角值以得到真实水平角值。

在使用全站仪进行测量之前，需要对全站仪进行常规校准有：视准轴与横轴垂直度校准、视准轴与导向光同向度校准。

全站仪对中点图像像素坐标确定方法：先拍一张数码图像，再精确旋转180°00′00″拍一张数码图像，通过数字图形软件识别两张数码图像重叠区域的中心点O的像素坐标，即是所拍图像中对中点A ′像素坐标；如图15所示。

在本实施例中，全站仪的控制器、显示屏、CCD拍摄器均采用本领域中常规使用的型号；全站仪中的提手与支架的固定方式，横轴与镜筒的安装方式，瞄准器和红光引导器的安装方式，调平基座与三角架面板之间的连接方式，以及照准部与中转轴之间的连接方式均采用本领域中常规的连接方式。

Claims (10)

1.一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法,其特征在于：所述数码图像对中的全站仪包括对中部件，对中部件为安装在照准部中转轴内腔的CCD拍摄器，CCD拍摄器的底端延伸至三角架面板的下侧；所述全站仪架设于已知点A的上方，整平全站仪后，全站仪的对中点为A′点；通过分别瞄准两个已知的目标点B和目标点C，求解出真实∠BAC的水平角角值；具体的操作步骤如下：

(1)将数码图像对中的全站仪架设在已知点A的上方，在显示屏上可见已知点A落入CCD拍摄器拍摄范围内；粗略整平全站仪后，全站仪的对中点A′在已知点A的附近；

(2)精确整平全站仪，先水平旋转全站仪的照准部整体，再垂直旋转照准部的望远镜镜筒，使望远镜镜筒精确瞄准目标点B，转动螺旋锁定器，分别锁定照准部与望远镜镜筒，测存全站仪对中点A′至目标点B的水平距离A′B；

(3)打开全站仪望远镜镜筒内的导向指示灯，在目标点B上形成红色光斑点B′点，松开望远镜镜筒螺旋锁定器，转动望远镜镜筒，使红色光斑点B′向全站仪方向回拉，落在CCD拍摄器拍摄范围内，转动望远镜镜筒螺旋锁定器，锁定望远镜镜筒，拍摄图像；

(4)在拍摄的图像中，全站仪对中点A′与已知点A两点之间的水平距离A′A通过图像技术确定：即在已知点A上设置规则图形的标记物，标记物中心点与已知点A的中心重叠，已知标记物的某段距离为R，数字图形软件识别确定数码图像中R的像素r、A′A的像素d，则A′A的距离：

(5)全站仪中的数字图形软件识别出红色光斑点B′的几何中心、全站仪对中点A′和已知点A的中心，三点连线形成的∠B′A′A的角值，由于目标点B在A'B'延长线上，因此∠BA′A＝∠B′A′A；

(6)根据∠BA′A的角值及上述得到的A′B、A′A的距离，确定AB的水平距离：

当0°<∠BA′A<180°时，则B点、A′点和A点围成三角形，根据余弦定理，则

当∠BA′A＝180°时，A点在A′B的延长线上，则AB＝A′B+A′A；

当∠BA′A＝0°时，A点在A′B的线段上，则AB＝A′B-A′A；

(7)松开照准部与望远镜镜筒的螺旋锁定器，水平转动照准部的整体，使照准部的望远镜镜筒瞄准另一目标点C，采用上述步骤(2)-(6)相同的方法，测存全站仪对中点A′至目标点C的水平距离A′C、求得已知点A至另一目标点C的水平距离AC；

(8)当照准部的望远镜镜筒从瞄准的目标点B转到瞄准的目标点C，全站仪的水平度盘得到水平角∠BA′C的角值；

(9)根据∠BA′C的角值及上述测存的A′B、A′C，确定BC的水平距离：

当0°<∠BA′C<180°时，则A′点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

当∠BA′C＝180°时，A′点在BC的线段上，则BC＝A′B+A′C；

当∠BA′C＝0°时，A′点在BC的延长线上，则BC＝|A′B-A′C|；

(10)根据上述求得的AB、AC和BC的水平距离，求出真实水平角∠BAC的角值，真实水平角∠BAC的角值按以下情形判断：

当两边之和大于第三边，则A点、B点和C点围成三角形，根据余弦定理，则

当AB+AC＝BC时，A点在BC的线段上，则∠BAC取180°；

当|AB-AC|＝BC时，A点在BC的延长线上，则∠BAC取0°。

2.根据权利要求1所述的一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法,其特征在于：当采用棱镜测存目标点至全站仪对中点A′的水平距离时，要把棱镜中心到目标点的厚度δ参数事先输入全站仪的软件系统中，每次实测的距离要加上该δ参数；对于近距离测距,则无需使用棱镜或反射片以及每次实测的距离也无需加上该δ参数。

3.根据权利要求1所述的一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法,其特征在于：所述的目标点在三个以上时，则采用方向观测法测定水平角：瞄准起始目标时将度数置为零，因全站仪的水平度盘度数按顺时针表示，照准部的望远镜镜筒按顺时针旋转瞄准其他目标点得出的真实水平角值应逐渐增大；若按上述方法得到的后一个水平角值比前一个水平角值小，则改为360度减去后一个水平角值以得到真实水平角值。

4.根据权利要求1所述的一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法,其特征在于：所述的标记物为圆形，R是圆形半径，或所述的标记物为等边三角形，R是等边三角形边长，或所述的标记物为正多边形，R是正多边形边长。

5.根据权利要求1所述的一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法,其特征在于：全站仪对中点A′在图像中位置的确定方法：先拍一张数码图像，再精确旋转180°00′00″拍一张数码图像，通过数字图形软件识别两张数码图像重叠区域的中心点O，即为对中点A′在所拍图像中的位置。

6.一种数码图像对中的全站仪,可在权利要求1-5任一项所述的一种应用于数码图像对中的全站仪的测定水平角方法中进行使用；包括：对中部件，所述的对中部件为安装在照准部中轴线底部的CCD拍摄器(81)；其特征在于：照准部的中轴线上安装有中转轴(8)，中转轴(8)的内部装有CCD拍摄器(81)；所述的中转轴(8)贯穿调平基座(6)和三角架面板(7)，并延伸至三角架面板(7)的下侧；CCD拍摄器(81)的底端延伸至中转轴(8)底部。

7.根据权利要求6所述的一种数码图像对中的全站仪，其特征在于：所述中转轴(8)的内部沿中轴线设有中空腔(82)，在中空腔(82)内装有自动对焦的CCD拍摄器(81)。

8.根据权利要求7所述的一种数码图像对中的全站仪，其特征在于：所述CCD拍摄器(81)采用自动对焦系统，自动对焦系统为主动与被动式混装系统。

9.根据权利要求6-8任一项所述的一种数码图像对中的全站仪，其特征在于：所述CCD拍摄器(81)的底端采用凸透镜镜头(812)，凸透镜镜头(812)突出至中转轴(8)的底部。

10.根据权利要求9所述的一种数码图像对中的全站仪，其特征在于：所述CCD拍摄器(81)包括与CCD拍摄器(81)信号连接的拍摄按键和显示屏(5)。

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