DE60034166T2

DE60034166T2 - Automatische Vermessungsgerät und Verfahren zum dreidimensionalen Messen

Info

Publication number: DE60034166T2
Application number: DE60034166T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tokyo Ohishi; Katsumi Tokyo Yanai
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2020-01-25
Also published as: JP2000221037A; DE60034166D1; EP1024342B1; US6473166B1; EP1024342A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dreidimensionales Messverfahren, welches einen Abstand zu einem zu messenden Objekt misst ohne Verwendung einer speziellen reflektierenden Einrichtung (reflektierendes Prisma oder dergleichen), welches für Abstandsmessungen benutzt wird, und insbesondere ein dreidimensionales Messverfahren, welches geeignet ist, zufällige dreidimensionale Koordinatenpositionen, Abstände und Bereiche oder dergleichen aus Abstands- und Winkeldaten zu berechnen.
Ein Teil einer konventionellen automatischen Vermessungsausrüstung oder -geräts hat Kollimationsmessungen durchgeführt unter Benutzung von reflektierenden Prismen, welche an notwendigen Punkten angeordnet sind, und Instrumentation ausgeführt. Wenn z.B. eine Architektur vermessen wird, werden reflektierende Prismen in vorbestimmten Messpositionen, den Ecken der Architektur, den Ecken eines Fensterrahmens etc. angeordnet. Darüber hinaus wird das automatische Vermessungsgerät im Wesentlichen in Richtung der Architektur ausgerichtet, um das Messen zu beginnen.
Das automatische Vermessungsgerät dreht einen Kollimator, so dass er einen vorbestimmten Bereich scannt und aufeinanderfolgend die in vorbestimmten Positionen platzierten reflektierenden Prismen erfasst. Dieser Kollimatortyp kann vertikal und horizontal durch motorgetriebene Einrichtungen gedreht werden und ist in der Lage, an jeder beliebigen Position automatisch eine Kollimation durchzuführen. Ein Winkeldetektor ist sowohl an einer vertikalen drehbaren Welle als auch an einer horizontalen drehbaren Welle befestigt, welche verwendet werden, um den Kollimator zu drehen, und ist derart gebaut, dass er die Richtung des gedrehten Kollimators erfassen kann.
Der Kollimator wirft abtastendes Licht auf jedes in der vorbestimmten Position platziertes Prisma. Wenn das abtastende Licht von jedem reflektierenden Prisma reflektiert wird, wird das reflektierte Licht wieder in den Kollimator geworfen. Das reflektierte Licht wird in ein Licht erfassendes Signal durch einen Fotoempfänger oder ein Licht empfangendes Element umgewandelt. Anschließend wird die Richtung des Kollimators spezifiziert auf der Grundlage eines Winkelsignals des Winkeldetektors, welcher an der vertikalen drehbaren Welle und der horizontalen drehbaren Welle befestigt ist. Darüber hinaus wird der Abstand zu jedem reflektierenden Prisma durch eine Lichtwellenbereich-Suchvorrichtung gemessen, so dass die Position bis zu dem entsprechenden reflektierenden Prisma spezifiziert wird.
Darüber hinaus wird jeder zu bestimmende gemessene Wert auf eine Systemkarte ebener Koordinaten umgewandelt, begründet auf der Position des automatischen Vermessungsgerätes, welche ein bekannter Punkt ist.
Das konventionelle automatische Vermessungsgerät hat jedoch ein Problem, dass, obwohl die reflektierenden Prismen in den vorbestimmten Positionen des zu messenden Gegenstandes platziert werden müssen und es vorteilhaft ist, eine Anzahl von Messpunkten mehrere Male zu messen, in einer Messung beendete Vermessungsarbeit viel Abfall beinhaltet und die Arbeitseffizienz reduziert.
Darüber hinaus besteht ein Problem darin, dass, wenn die äußere Gestalt einer Architektur gemessen wird, wie im Falle von Abständen oder dergleichen eines Gebäudes, eines Tunnels etc., ein reflektierendes Prisma an einem äußeren exponierten Punkt platziert werden muss, was Gefahr nach sich zieht.
Aus DE 196 03 018 A ist ein Verfahren zum Messen eines dreidimensionalen Gegenstandes bekannt, in welchem eine Oberfläche, welche zwei oder drei spezifizierte Punkte enthält, von welchen Abstände und Winkel zu einem Ursprungspunkt gemessen werden, bestimmt wird und in welchem der Schnittpunkt zwischen den Linien, welche den Ursprungspunkt mit Punkten auf den Kanten des Gegenstandes und der Oberfläche verbinden, berechnet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist bestimmt durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine grafische Darstellung eines automatischen Vermessungsgerätes, illustrativ zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und eines Datensammlers ist;
2 ein grafische Darstellung zum Beschreiben einer elektrischen Konfiguration des Gerätes zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine grafische Darstellung zum Beschreiben des automatischen Vermessungsgerätes ist;
4 eine Querschnittansicht zum Beschreiben des automatischen Vermessungsgerätes ist;
5 eine grafische Darstellung zum Beschreiben einer Abtastrichtung in einer Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine grafische Darstellung zum Beschreiben einer Ecke ist, betont in der Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung;
7 eine grafische Darstellung zum Beschreiben eines visuellen Gebietsbereiches in der Bildverarbeitung der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine grafische Darstellung zum Beschreiben des Prinzips der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine grafische Darstellung zum Beschreiben des Prinzips der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine grafische Darstellung ist, welche ein Beispiel der Betriebsweise der vorliegenden Erfindung zeigt; und
11 eine grafische Darstellung ist, welche eine andere Betriebsweise der vorliegenden Erfindung illustriert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf der Grundlage der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
1 ist eine grafische Darstellung, welche einen Teil des automatischen Vermessungsgeräts 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Das automatische Vermessungsgerät 1000 weist ein Teleskop 100, ein Tragbauteil 200 zum drehbaren Tragen des Teleskops 100 in einer vertikalen Ebene, eine Grundplatte 300, welche eine Drehung des Teleskops 100 in einer horizontalen Ebene erlaubt, eine erste Antriebseinrichtung 400 zum Drehen des Teleskops 100, eine zweite Antriebseinrichtung 500, welche in der Grundplatte 300 gebildet ist und das Tragbauteil 200 dreht, und einen Eingangs-/Ausgangsanschluss 600 zum Verbinden zu einer äußeren Speicher- und Anzeigevorrichtung wie einen Datensammler 2000 oder dergleichen auf.
Die erste Antriebseinrichtung 400 weist eine erste Verzögerungseinrichtung 410 und einen Höhenmotor 420 auf. Die zweite Antriebseinrichtung 500 weist eine zweite Verzögerungseinrichtung 510 und einen Horizontmotor 520 auf.
2 ist eine grafische Darstellung, welches elektrische Konfigurationen des automatischen Vermessungsgerätes 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und des Datensammlers 2000 zeigt.
Das automatische Vermessungsgerät 1000 weist auf einen Abstand messenden nicht prismaartigen Lichtwellenbereichssucher 700, welcher keine spezielle reflektierende Einrichtung (reflektierendes Prisma oder dergleichen) benutzt für Abstandsmessungen, benötigt eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 zum Umwandeln eines Bildes eines Ziels in ein elektrisches Signal, eine Antriebseinrichtung 820 einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zum Antreiben der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810, einen Vorverstärker 830 zum Verstärken eines von der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 ausgegebenen Signals, eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 zur Erkennung, einen Mikrocomputer 900, eine Antriebsschaltung 910 zum Antreiben von Motoren wie dem Höhenmotor 420, dem Horizontmotor 520 usw., einen Höhencodierer 920 und einen Horizontcodierer 930.
Darüber hinaus, da der nicht prismaartige Lichtwellenbereichssucher 700 einen Aufbau grundsätzlich ähnlich einem Prismatyp annimmt, kann er Messungen unter Verwendung des reflektierenden Prisma durchführen und einen größeren Abstand messen, wenn das reflektierende Prisma benutzt wird.
Der Aufbau des automatischen Vermessungsgerätes 1000 wird nunmehr im Einzelnen auf der Grundlage der 3 und 4 beschrieben.
Das Teleskop 100 ist ein Teleskop zum Bilden eines Bildes eines Ziels, platziert an einem Messpunkt, und hat ein teleskopisches optisches System 110. Das tele skopische optische System 110 weist eine Objektivlinse 111 und eine Kollimatorlinse 112 auf. Das Teleskop 100 ist drehbar auf dem Tragbauteil 200 mit Hilfe eines Schaftbauteils 120 gelagert und kann sich in einer vertikalen Ebene (in einer vertikalen Richtung) drehen. Das Schaftbauteil 120 ist mit der ersten Antriebseinrichtung 400 gekoppelt. Ein in dem Schaftbauteil 120 ausgebildeter Zahnabschnitt und ein Zahnrad der ersten Verzögerungseinrichtung 410 sind so konstruiert, dass sie in Eingriff miteinander gehalten werden. Eine Drehkraft des Höhenmotors 420 wird auf das Schaftbauteil 120 durch die erste Verzögerungseinrichtung 410 übertragen, so dass das Teleskop 100 in der vertikalen Richtung gedreht werden kann.
Der Höhencodierer 920 ist mit dem Schaftbauteil 120 gekoppelt und so konstruiert, dass er einen vertikalen Drehwinkel oder eine Winkelverschiebung des Teleskops 100 erfassen kann.
Ein drehbarer zentraler Schaft 210 ist am unteren Ende des Tragbauteils 200 ausgebildet und in die Grundplatte 300 eingeführt und mit dieser in Eingriff gehalten. Das Tragbauteil 200 ist daher in der horizontalen Ebene in Bezug zu der Grundplatte 300 drehbar. Da das Teleskop 100 an dem Tragbauteil 200 befestigt ist, ist das Teleskop 100 auch in der horizontalen Ebene in Bezug zu der Grundplatte 300 drehbar.
Die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 ist im Brennpunkt der Kollimatorlinse 112 angeordnet. Die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 entspricht einer Bildaufnahmevorrichtung und ist eine zum Umwandeln eines Bildes eines Ziels in ein elektrisches Signal. Obwohl eine Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung einer CCD in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann jeder Fotoempfänger oder jedes Licht empfangende Element verwendet werden, wenn eine Vorrichtung ausgewählt wird, welche eine fotoelektrische Umwandlung durchführen kann. Die Objektivlinse 111 und die Kollimatorlinse 112 entsprechen übrigens einem optischen Fokussierungssystem.
Ein Fokussierungsmechanismus 130 ist übrigens, wie in 4 gezeigt, in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen. Der Fokussierungsmechanismus 130 weist einen Objektivlinsenrahmen 131 zum Befestigen der Objektivlinse 111, einen Kollimatorlinsenrahmen 132 zum Befestigen der Kollimatorlinse 112 und einen fokussierenden Motor 133 zum Drehen des Kollimatorlinsenrahmens 132 auf.
Die Objektivlinse 111 kann vor- und rückwärts bewegt werden durch Drehen des fokussierenden Motors 133. Es ist nämlich möglich, eine Operation elektrisch auszuführen zum Fokussieren eines Bildes auf der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810. Der fokussierende Mechanismus 130 kann übrigens auf Autofokussierung eingestellt werden.
Die Grundplatte 300 wird benutzt, um das Tragbauteil 200 drehbar zu befestigen. Der drehbare zentrale Schaft 210 des Tragbauteils 200 ist in die Grundplatte 300 eingeführt und mit dieser in Eingriff gebracht, so dass das Teleskop 100 in der horizontalen Ebene gedreht werden kann.
Die zweite Antriebseinrichtung 500 ist in der Grundplatte 300 ausgebildet und der Horizontmotor 520 ist daran befestigt. Eine Drehkraft des Horizontmotors 520 wird auf den drehbaren zentralen Schaft 210 des Tragbauteils 200 durch die zweite Verzögerungseinrichtung 510 übertragen, so dass das Tragbauteil 200 in der horizontalen Ebene gedreht werden kann.
Der Horizontcodierer 930 ist mit dem drehbaren zentralen Schaft 210 derart gekoppelt, dass horizontale Drehwinkel oder Winkelverschiebungen des Teleskops 100 und des Tragbauteils 200 erfasst werden können.
Darüber hinaus ist der Eingangs-/Ausgangsanschluss 600 zum Verbinden des Datensammlers 2000 auf einem äußeren Wandabschnitt der Grundplatte 300 ausge bildet. Der Eingangs-/Ausgangsanschluss 600 entspricht Verbindungseinrichtungen.
Eine Niveauvorrichtung 310 ist an einem unteren Ende der Grundplatte 300 vorgesehen und kann so eingestellt werden, dass das automatische Vermessungsgerät 1000 an einem Stativ befestigt und das automatische Vermessungsgerät 1000 horizontal gehalten wird.
Das automatische Vermessungsgerät 1000 beinhaltet den nicht prismaartigen Lichtwellenbereichssucher 700. Der Lichtwellenbereichssucher 700 überträgt Licht zu einem an einem Messpunkt platzierten Ziel und empfängt von dem Ziel reflektiertes Licht und misst einem Abstand zu dem Ziel gemäß der Differenz zwischen der Zeit, welche erforderlich ist, um das Licht auszusenden und der Zeit, welche erforderlich ist, um das reflektierte Licht zu empfangen. Der Mikrocomputer 900 kann übrigens benutzt werden, um eine arithmetische Operation auf Abstandsmessungen durchzuführen. Alternativ kann der Lichtwellenbereichssucher 700 besonders mit arithmetischen Verarbeitungseinrichtungen versehen sein.
Ein Impulshalbleiterlaser wird benutzt für den nicht prismaartigen Lichtwellenbereichssucher 700, welcher durch eine Laserantriebsschaltung impulsgetrieben ist. Ein Lichtwellenimpuls, ausgesandt von einer Lichtquelle, wird in eine Faser auf der Senderseite durch die Kollimatorlinse eingeführt, um auf ein Prisma geworfen zu werden. Weiterhin passiert der vom Prisma reflektierte Lichtwellenimpuls die Objektivlinse und wird zu einem zu messenden Gegenstand ausgesendet.
Nach dem der von dem zu messenden Gegenstand reflektierte Lichtwellenimpuls die Objektivlinse passiert hat, wird der Lichtwellenimpuls durch das Prisma reflektiert, gefolgt von einem Ausgeben in eine Faser auf der Lichtempfangsseite. Der eingeführte Lichtwellenimpuls wird einem Fotoempfänger oder einem Licht empfangenden Element durch eine Lichterfassungslinse zugeführt.
Als Objektivlinse wird eine mit einem effektiven Durchmesser von einigen zehn Millimeter und einer Brennweite von ungefähr 100 mm benutzt. Dies verursacht einen geweiteten Winkel eines Licht aussendenden Abschnitts des Impulshalbleiterlasers entsprechend der Emissionslichtquelle, da es erforderlich ist, einen bestimmten Grad eines festen Winkels abzudecken zum Zwecke der Reduzierung eines geweiteten Winkels des ausgesandten Lichtes und des Ausstrahlens von der Objektivlinse mit Wirkungsgrad.
Weiterhin verbreitert sich das von der Objektivlinse zu dem gemessenen Gegenstand ausgesandte Impulslicht, wenn es sich weiter ausbreitet, da der Durchmesser der Faser auf der Emissionsseite eine endliche Größe hat. Unter der Annahme, dass z.B. die Brennweite einer Objektivlinse 9500 mit 100 mm bestimmt ist und der Durchmesser der Faser auf der Emissionsseite mit 100 μm bestimmt ist, verbreitert sich das Licht bis auf 100 mm im Abstand von 100 m.
Da die Größe eines gemessenen Strahlenbündels, welches auf den zu messenden Gegenstand fällt, einige zehn Millimeter oder mehr erreicht, würde der nicht prismaartige Lichtwellenbereichssucher 700 tatsächlich eine Oberfläche ohne Messpunkte auf der Oberfläche des gemessenen Gegenstandes messen. Daher wird die Messung der Ecken oder dergleichen eines Gebäudes unstabil und die Messung der Oberfläche wird daher fundamental.
Der Betrieb des automatischen Vermessungsgerätes 1000 wird nunmehr im Einzelnen beschrieben.
Ein durch die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 erfasstes Bild wird in ein Bildsignal umgewandelt, welches seinerseits durch einen Vorverstärker 830 verstärkt wird, gefolgt von einer Eingabe in die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 zur Erkennung.
Die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 extrahiert einen Gegenstand entsprechend einem Ziel durch Ausführen einer eingebauten Bildverarbeitungssoftware und führt eine Vermessung durch auf der Grundlage des Ergebnisses der Extraktion.
Wenn der Zielgegenstand nicht in den Bereich des Teleskops 100 kommt:
Es kann häufig Fälle geben, in welchen, wenn die Vergrößerung des Teleskops 100 normal groß ist und der Zielgegenstand eine relativ große Architektur wie ein Gebäude ist, der Zielgegenstand nicht in den Bereich des Teleskops 100 kommt.
Wie in 5 gezeigt, wird das automatische Vermessungsgerät 1000 in horizontaler und vertikaler Richtung gescannt, so dass ein Bildsignal von der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 erzeugt wird.
Das Ausgangssignal der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810, welches durch den Vorverstärker 830 verstärkt worden ist, wird der arithmetischen Verarbeitungseinrichtung 840 zur Erkennung eingegeben, wo es abgetastet und anschließend in ein digitales Videosignal A/D-umgewandelt wird. Die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 wandelt das Bildsignal in ein binäres Bild um. Während die Digitalisierung, begründet auf festen Schwellwerten, durchgeführt worden ist als Durch-Niveau-Digitalisierung, verwendet in der vorliegenden Ausführungsform, kann lokale Digitalisierung durchgeführt werden.
Anschließend führt die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 einen Filterprozess durch, um eine Kante zu betonen. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Differenzfilter benutzt, um die Kante zu betonen. Der Differenzfilter ist einer, in welchem eine Kante in einem Bild betont wird durch eine Berechnungsmethode unter Verwendung einer Differenzierung bezüglich genauer Abstufung oder klanglicher Werte eines speziellen Bildes oder der Differenz dazwischen.
Während ein linearer Filter oder ein nicht linearer Filter als Differenzfilter bekannt sind, wird ein linearer eindimensionaler Differenzialfilter in der vorliegenden Ausführungsform verwendet. Während ein benachbartes Bild (Maske) auch in geeigneter Weise definiert ist, ist der lineare eindimensionale Differenzialfilter durch eine 3·3-Maske in der vorliegenden Ausführungsform konstruiert.
Wie in 6 gezeigt, wird die entsprechende Ecke des Zielgegenstandes aus einem Konzentrationsmuster extrahiert, in welchem jede Kante betont worden ist, und eine Kollimationsrichtung wird spezifiziert aus der Position eines Bildes an der Ecke und einem Kollimationswinkel.
Dieser Vorgang wird wiederholt, um Messpunkte, ausgerichtet in einer vorbestimmten Anordnung, zu extrahieren, wodurch ein Gebäude entsprechend dem Zielgegenstand spezifiziert wird. Dann werden Abstände zu drei Punkten auf der Ebene des Gebäudes gemessen, so dass die Ebene spezifiziert werden kann. Diese dreidimensionale Messung wird im Nachfolgenden im Einzelnen beschrieben werden.
Wenn übrigens der Zielgegenstand der eines Gebäudes ist, wird das Teleskop 100 gedreht und derart angetrieben, dass die Ecken des Gebäudes in den Bereich des Teleskops 100 kommen.
Weiter wird ein Filtervorgang zum Betonen jeder Kante durchgeführt, um eine Abweichung entsprechend der Differenz zwischen der entsprechenden Ecke des extrahierten Gebäudes und dem Kollimationszentrum zu bestimmen, wodurch die Position der Ecke des Gebäudes spezifiziert werden kann.
Wenn der Zielgegenstand in den Bereich des Teleskops 100 kommt:
Wenn der Zielgegenstand in den Bereich des Teleskops 100 kommt, wie in 7 gezeigt, kann Modellabgleich benutzt werden. Der Modellabgleich ist einer, in welchem ein Eingangsmuster und vorgespeicherte Standardmuster übereinandergelegt werden, um hierdurch das am besten passende Standardmuster als Ergebnis der Identifizierung des Eingangsmusters zu bestimmen.
Eine Vielzahl von Modellen, jedes im Wesentlichen mit der Form des Zielgegenstandes zusammenfallend, werden gespeichert. Wenn ein Bild entsprechend dem Zielgegenstand mit einem der Muster für die Modelle zusammenfällt, sind ein schematisches Bild und eine Position des Zielgegenstandes spezifiziert.
Eine Verarbeitungsmethode ist ähnlich der oben erwähnten Methode. Zunächst wird ein von der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 ausgegebenes Signal der arithmetischen Verarbeitungseinrichtung 840 zur Erkennung eingegeben, in welcher ein Filtervorgang zum Betonen jeder Kante ausgeführt wird, und ein Modellabgleich auf einem Konzentrationsmuster ausgeführt, wodurch das schematische Bild und die Position des Zielgegenstandes spezifiziert werden.
Dieser Vorgang wird wiederholt, so dass gemessene Werte zum Berechnen der Größe, des Bereichs, der Neigung usw. jeder Ebene des Gebäudes entsprechend dem Zielgegenstand erhalten werden können.
Wenn der Modellabgleich durchgeführt wird, ist es wünschenswert, dass ein Zoommechanismus vorgesehen ist, derart, dass Modellmuster mit einer Vielzahl von Größen gespeichert sind oder der Zielgegenstand innerhalb der Kollimation fällt.
Als Methoden zum Gegenüberstellen des Zielgegenstandes und des Teleskops 100 zueinander sind eine Methode zum manuellen Gegenüberstellen des Zielgegenstandes bekannt und eine Methode, welche es der äußeren Speicher- und Anzeigevorrichtung erlaubt, wie dem Datensammler 2000, Karteninformation anzuzeigen, und zum Andeuten einer gemessenen Position des Zielgegenstandes auf einer angezeigten Karte auf der Grundlage der Karteninformation. Wenn übrigens eine automatische Methode genommen wird, ist es erforderlich, der Richtung der Karteninformation zu ermöglichen, einer tatsächlichen Richtung zu entsprechen.
Der Datensammler 2000, verbunden mit dem automatischen Vermessungsgerät 1000, wird im Nachfolgenden erläutert. Der Datensammler 2000 weist auf einen Speicher 2100 zum Speichern gemessener Daten, wie Abständen, Winkeln usw., gemessen durch das automatische Vermessungsgerät 1000, und von Bildern, erfasst durch das Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810, eine Anzeigeeinheit 2200 zum Anzeigen der Bilder, erfasst durch die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 des automatischen Vermessungsgerätes 1000, und der gemessenen Daten, ein Keyboard 2300 und eine CPU 2400 für den Datensammler.
Die CPU 2400 des Datensammlers 2000 und der Mikrocomputer 900 des automatischen Vermessungsgerätes 1000 sind miteinander durch eine geeignete Schnittstelle verbunden. In diesem Falle sind sie miteinander verbunden durch Verbinden eines Kabels 2500 des Datensammlers 2000 mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 600 des automatischen Vermessungsgerätes 1000.
Die Anzeigeeinheit 2200 besteht aus einer Flüssigkristallanzeige oder dergleichen und ist elektrisch verbunden mit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 des automatischen Vermessungsgerätes 1000 durch den Vorverstärker 830. Diese Verbindung erfolgt auch durch Erstellen einer Verbindung mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss 600 des automatischen Vermessungsgerätes 1000 durch die Verwendung des oben erwähnten Kabels 2500. Der Speicher 2100 speichert das Ergebnis einer Vermessung und Karteninformation. Weiterhin speichert der Speicher 2100 ein Programm, welches als Software dient, um dem automatischen Vermessungsgerät 1000 zu ermöglichen, eine vorbestimmte Vermessungsoperation auszuführen. Weiterhin ist eine Anzeigesteuerschaltung 2221 elektrisch mit der Anzeigeeinheit 2200 verbunden und ermöglicht die Anzeige des vermessenen Ergebnisses und der Karteninformation. Weiterhin kann die Operation des auto matischen Vermessungsgerätes 1000 auch durch die Verwendung der Anzeigeeinheit 2200 angezeigt werden.
Das Keyboard 2300 entspricht der Eingabeeinrichtung zum Eingeben von Instruktionsdaten etc. Die Eingabeeinrichtung ist nicht notwendigerweise auf das Keyboard 2300 beschränkt. Sie kann derart konstruiert sein, dass die Daten eingegeben werden von einer handschriftlichen Eingabevorrichtung, einer anderen Informationsverarbeitungsvorrichtung oder dergleichen.
Weiterhin berechnet der Mikrocomputer 900 eine später zu beschreibende Determinante, um gleichzeitige Gleichungen zu lösen, und führt die gesamte Steuerung des automatischen Vermessungsgerätes 1000 durch.
Der Speicher 2100 kann übrigens auch als Speicherkarte oder dergleichen aufgebaut sein und entspricht einem elektronischen Speichermedium. Das vorliegende elektronische Speichermedium ist nicht begrenzt auf die Speicherkarte. Jedes andere äußere Speichermedium wie eine Floppy Disk, eine CD, eine DVD, eine MO etc. können verwendet werden.
Das Keyboard 2300 wird benutzt, um einem Benutzer zu ermöglichen, Instruktionen oder notwendige Daten einzugeben. Die Anzeigeeinheit 2200 wird verwendet, um Eingangsinstruktionen oder Daten zu überwachen und das Ergebnis der Berechnung anzuzeigen.
Ein dreidimensionales Messprinzip der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im Einzelnen beschrieben.
Prinzip
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf 8 erläutert. Der Lichtwellenbereichssucher 1000, welcher keinen Eckwürfel ver wendet, wird zunächst an einem Punkt 0 platziert, um ein Gebäude 6000 zu messen, welches ein zu messender Gegenstand ist. Das Gebäude 6000 kann betrachtet werden als rechtwinkliges Parallelepiped. Entsprechende Oberflächen darauf können als Ebenen betrachtet werden.
Der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 ist vom Typ, genannt Integraltyp [Totalstation], geeignet, Abstände und Winkel zu messen. Die optische Achse einer Distanzmesseinheit des eckwürfelfreien Lichtwellenbereichssuchers 1000 und ein Kollimationssystem werden als koaxial zueinander definiert.
Punkte A, B und C auf einer α-Oberfläche des Gebäudes 6000 werden zuerst gemessen. An den jeweiligen Punkten A, B und C erhaltene Daten ergeben Daten über Abstände und Winkel, gesehen von einem Ursprungspunkt in dem dreidimensionalen Raum mit einem Punkt 0 (entsprechend dem Punkt, in welchem der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 installiert ist) als Ursprungspunkt. Es ist daher möglich, die Positionen von Koordinaten der jeweiligen Punkte A, B und C im dreidimensionalen Raum zu erhalten und zu bestimmen. Da die Ebene, welche die drei Punkte im dreidimensionalen Raum enthält, einzigartig bestimmt ist, ist die α-Oberfläche, welche die gemessenen Punkte A, B und C enthält, einzigartig bestimmt.
Die Positionen der Koordinaten der Punkte A, B und C im dreidimensionalen Raum mit dem Punkt 0 als Ursprungspunkt können bestimmt werden aus den nachfolgenden Gleichungen.
Wenn die Koordinaten des Punktes A gegeben sind als (x_A, y_A und z_A), dann werden sie wie folgt dargestellt: xA = Ll yA = Lm zA = Ln erste Gleichung wobei l: Richtungskosinus in x-Richtung, wenn der Punkt A als Kollimation bestimmt ist
m: Richtungskosinus in y-Richtung, wenn der Punkt A als Kollimation bestimmt ist
n: Richtungskosinus in z-Richtung, wenn der Punkt A als Kollimation bestimmt ist,
ist.
Wenn die Koordinaten der Punkte A, B und C dann wie folgt gegeben sind:
A: (x₁ y₁, z₁)
B: (x₂, y₂, z₂)
C: (x₃, y₃, z₃),
dann wird die Gleichung zum Ausdrücken der α-Oberfläche entsprechend der Ebene wie folgt dargestellt:
Ein Winkel a einer Ebene, in welcher man seine Position zu messen wünscht, wird zunächst kollimiert. Von Winkeldaten zu diesem Zeitpunkt kann eine Gleichung, welche eine gerade Linie anzeigt, welche den Punkt 0 (entsprechend dem Punkt, in welchem der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 installiert ist) passiert, und ein Kollimationspunkt a wie folgt dargestellt werden: x/l = y/m = z/n dritte Gleichung wobei l: Richtungskosinus in x-Richtung
m: Richtungskosinus in y-Richtung
n: Richtungskosinus in z-Richtung
ist.
Weiterhin können die Koordinaten des Kollimationspunktes a im dreidimensionalen Raum mit dem Punkt 0 (entsprechend dem Punkt, in welchem der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 platziert ist) als Ursprungspunkt bestimmt werden durch Lösen der zweiten und dritten Gleichung als gleichzeitige Gleichungen. Die x_A-Koordinate des Punktes a kann wie folgt dargestellt werden:
Die y_A-Koordinate des Punktes a kann dargestellt werden als:
Die z_a-Koordinate des Punktes a kann dargestellt werden als:
Weiterhin wird ein Abstand L_A zwischen dem Punkt 0 (entsprechend dem Punkt, in welchem der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 platziert ist) und dem Kollimationspunkt a durch die nachfolgende Gleichung dargestellt: LA = (xA 2 + yA 2 + zA 2)0,5 siebte Gleichung.
Selbst wenn b, c und d den anderen Ecken auf der α-Oberfläche entsprechen, können ihre Positionen auf den dreidimensionalen Koordinaten in der gleichen Weise wie oben beschrieben erhalten werden.
Daher können die Positionen auf den dreidimensionalen Koordinaten von a, b, c und d entsprechend anderen Ecken auf der α-Oberfläche bestimmt werden.
Weiterhin können die Längen der Seiten der α-Oberfläche, deren Bereich usw. bestimmt werden durch Berechnung auf der Grundlage der dreidimensionalen Koordinaten der jeweiligen Punkte a, b, c und d.
Zufällige Punkte auf der Ebene können bestimmt werden ohne Beschränkungen auf die Winkel der Ebene dadurch, dass, da die Gleichungen bezüglich der α-Oberfläche entsprechend der Ebene schon erhalten worden sind, die Positionen der dreidimensionalen Koordinaten indirekt aus den Winkeldaten bei Kollimation bestimmt werden können. Es wird nun z.B. ein Fenster 6100 in dem Gebäude 6000 betrachtet. Wenn davon vier Punkte e, f, g und h gemessen werden, dann können die dreidimensionalen Koordinaten bestimmt werden.
Während die Gleichungen bezüglich der α-Oberfläche berechnet werden unter Verwendung der Daten über die Abstände und Winkel relativ zu den drei Punkten A, B und C, sind sie nicht auf die drei Punkte beschränkt. Eine Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen kann auch benutzt werden durch die Verwendung der Daten erhaltenen durch Messen von vier oder mehr Punkten, wodurch hohe Genauigkeitsmessungen auch durchgeführt werden können.
Der Punkt, in welchem der eckwürfelfreie Lichtwellenbereichssucher 1000 installiert ist, wird dann vom Punkt 0 zu einem Punkt K, wie in 9 gezeigt, verschoben. Wenn die α-Oberfläche und eine β-Oberfläche entsprechend einer anderen Ebene gemessen werden und Messpunkte (Punkte c und d) gemeinsam mit der α-Oberfläche betrachtet werden, kann eine Gleichung für die β-Oberfläche umgewandelt werden in eine Form, welche durch die gleichen dreidimensionalen Koordinaten dargestellt wird wie die Gleichung für die α-Oberfläche. Daher können die Daten auf der β-Oberfläche und Daten auf der α-Oberfläche dargestellt werden durch die gleichen dreidimensionalen Koordinaten.
Wenn alle Winkel des Gebäudes 6000 gemessen werden, dann ist es weiterhin möglich, das Volumen des Gebäudes 6000 zu bestimmen.
Ein Beispiel der Operation der vorliegenden Ausführungsform wird im Nachfolgenden auf der Grundlage der 10 erläutert.
Zunächst werden im Schritt 1 (hiernach kurz S1 genannt) die Punkte A, B und C auf der α-Oberfläche des Gebäudes 6000, gezeigt in 8, gemessen, um hierdurch Daten über Abstände und Winkel, gesehen von dem Lichtwellenbereichssucher 1000, zu erhalten.
Anschließend wird in S2 die oben erwähnte zweite Gleichung berechnet, um eine Gleichung zum Spezifizieren der α-Oberfläche zu berechnen, welche die drei Punkte A, B und C enthält. Anschließend werden in S3 die vier Punkte, d.h. Punkte a, b, c und d äquivalent zu den vier Ecken der α-Oberfläche, kollimiert (ihre Winkel werden gemessen). In S4 werden die vierte, fünfte und sechste Gleichung gelöst, um hierdurch die dreidimensionalen Koordinaten der Punkte a, b, c und d entsprechend den vier Ecken der α-Oberfläche zu berechnen. In S5 werden die Abstände unter den jeweiligen Punkten a, b, c und d weiter berechnet, und der Bereich (entsprechend dem Bereich, gebildet durch die vier Ecken der α-Oberfläche) der α-Oberfläche kann berechnet werden.
Ein automatisches Vermessen kann daher durchgeführt werden durch Verbinden der Bildverarbeitung und einer dreidimensionalen Messung miteinander, wie in 11 gezeigt.
In S1 wird nämlich ein von der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 810 ausgegebenes Signal der arithmetischen Verarbeitungseinrichtung 840 zur Erkennung eingegeben, in welcher es dem Abtasten unterworfen und anschließend in ein digitales Videosignal A/D-umgewandelt wird. Anschließend wandelt in S2 die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 das Bildsignal in ein binäres Bild um.
In S3 führt die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 einen Bildfilterungsprozess durch, um jede Kante zu betonen.
Anschließend extrahiert die arithmetische Verarbeitungseinrichtung 840 in S4 die entsprechende Ecke eines Zielgegenstandes von einem Konzentrationsmuster, in welchem jede Kante betont worden ist, und spezifiziert eine Kollimationsrichtung von der Position eines Bildes an der Ecke und einen Kollimationswinkel.
In S5 wird diese Operation weiter wiederholt, um Messpunkte, ausgerichtet in einer vorbestimmten Anordnung, zu extrahieren, wodurch ein Gebäude entsprechend dem Zielgegenstand spezifiziert wird.
In S6 wird dann die dreidimensionale Messung, gezeigt in 10, durchgeführt, so dass eine Ebene spezifiziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung, aufgebaut wie oben beschrieben, bringt einen ausgezeichneten Effekt dadurch mit sich, dass, da ein nicht Prisma messender Lichtwellenbereichssucher eine Winkelmesseinheit und eine Abstandsmesseinheit hat, die arithmetische Verarbeitungseinrichtung zur Erkennung einen zu messenden Gegenstand erkennen kann entsprechend der Bildverarbeitung, die Winkelmesseinheit und die Abstandsmesseinheit jeweils Abstände und Winkel relativ zu mindestens drei spezifizierten Punkten auf einer Ebene α messen können, welche Messpunkte des zu messenden Objektes beinhaltet, die Winkelmesseinheit Winkel relativ zu jedem einzelnen Messpunkt messen kann, und eine Berechnungseinheit eine Gleichung zum Spezifizieren der Ebene α aus den Abständen und Winkeln relativ zu den spezifizierten Punkten, eine Gleichung anzeigend eine gerade Linie, welche die Messpunkte mit dem Ursprungspunkt verbindet, aus den Winkeln relativ zu den Messpunkten bestimmen und einen Messpunkt entsprechend einem Punkt berechnen kann, in welchem die Ebene α und die gerade Linie sich schneiden, dass Koordinaten oder dergleichen automatisch gemessen werden können selbst bei schwierig zu messenden Orten, wie im Falle der Ecken oder dergleichen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf das illustrative Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ist diese Beschreibung nicht beschränkend. Verschiedene Modifikationen der illustrativen Ausführungsform sowie andere Ausführungsformen der Erfindung sind für den Fachmann unter Bezugnahme auf diese Beschreibung offensichtlich.

Claims

Verfahren zum Messen eines dreidimensionalen Objektes, welches folgende Schritte aufweist: – Messen von einem Ursprungspunkt aus von Abständen und Winkeln relativ zu mindestens drei spezifizierten Punkten (A, B, C) auf einer Oberfläche α, welche Eckmesspunkte (a, b, c, d) des zu messenden Objektes aufweist; – Messen von Winkeln relativ zu jedem individuellen Eckmesspunkt (a, b, c, d); – Bestimmen einer Gleichung zum Spezifizieren der Oberfläche α aus den Abständen und Winkeln relativ zu den spezifizierten Punkten (A, B, C) und einer Gleichung, welche eine gerade Linie bezeichnet, welche die Eckmesspunkte (a, b, c, d) mit dem Ursprungspunkt verbindet, aus den Winkeln relativ zu den Eckmesspunkten (a, b, c, d); – Berechnen eines Eckmesspunktes (a, b, c, d) entsprechend einem Punkt, in welchem sich die Oberfläche α und die gerade Linie schneiden; – Umwandeln eines Bildes des zu messenden Gegenstandes in ein elektrisches Signal; und – Erkennen des zu messenden Objektes aus dem elektrischen Signal und Extrahieren der Eckmesspunkte (a, b, c, d) zum Spezifizieren einer Kollimationsrichtung und eines Kollimationswinkels.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erkennen eine Kante entsprechend einer Filteroperation hervorhebt und Eckmesspunkte (a, b, c, d), welche in einer vorbestimmten Anordnung ausgerichtet sind, extrahiert.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Erkennen eine Kante entsprechend einer Filteroperation hervorhebt und ein zu messendes Objekt entsprechend einem Modellabgleich erkennt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Ursprungspunkt ein Punkt ist, in welchem ein Vermessungsgerät installiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Eckmesspunkte (a, b, c, d) zwei Punkte sind und bei welchem die dreidimensionalen Koordinaten der zwei Punkte und der Abstand zwischen den zwei Punkten berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Eckmesspunkte (a, b, c, d) mindestens drei Punkte sind und die dreidimensionalen Koordinaten dieser mindestens drei Punkte und ein Bereich, welcher von diesen Punkten umgeben ist, berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die spezifizierten Punkte vier oder mehr Punkte sind und die Oberfläche durch eine Methode der kleinsten Quadrate spezifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Richtung des zu messenden Objektes aus einer Karteninformation eingegeben wird.