JP3629314B2 - コード化された水準測量捍の傾斜角を決定する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系と位置を検出する光電検出器と演算ユニットとを備えた電子水準器を用いて、水準測定により、コード化された水準測量捍の測定方向における傾斜角を決定する方法であって、結像光学系の視野内にあって光電検出器によって測定することができるようなコード模様の水準測量捍上での位置を水準測定により決定することにより、水準測量捍から既知の理想的なコード模様延在態様を観察範囲内に確定するようにした前記方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のおもな適用分野は、自動化された水準測量の分野である。水準測量の分野では、水準器が水準測量捍と組み合わされて多面的に使用される。例えば水準器は、測地学の測量活動において高さ固定点の決定及び地形学的測量、地図学的測量に用いられ、或いは建築測量、交通路測量、或いはトンネル建設、鉱業にも使用される。水準測定過程におけるおもな決定量は、水準器と照準を定められた水準測量捍との高低差である。
【０００３】
古典的な水準器では、その望遠鏡を利用して、離間して立てられた水準測量捍の高さ目盛が読み取られる。読み取られる数値は正確に光軸上にあり、即ち望遠鏡の照準十字線上にある。この場合、水準測量捍が望遠鏡の光軸にたいして垂直に方向づけられていることが前提である。水準測量捍が観察方向に傾斜すると、即ち水準器の方向または水準器から離れる方向に傾斜すると、水準測量捍上で照準を合わされた点は下方へ変位する。従って、水準測量捍が傾斜すれば、高さ測定に誤差が生じることになる。この誤差を小さくするため、水準測量捍には、垂直方向に方向付けるための気泡管が取り付けられる。
【０００４】
自動デジタル水準器の出現により、水準測量捍の電子的な読み取りが可能になった。このためドイツ特許第３４２４８０６号公報によれば、水準測量捍上に、黒成分と白成分から成るコード模様が設けられる。コード模様の少なくとも一部分は、デジタル水準器の望遠鏡光学系により、位置を検出する検出器群に結像される。この場合、参照コード模様との比較により所望の高さ測定値を得るために、望遠鏡の光軸上における水準測量捍の情報ばかりでなく、望遠鏡の視野内にあるコード模様のすべての情報が利用される。さらに、デジタル水準器のフォーカシング装置の位置検出器は、水準測量捍までの距離を近似的に検出して送信する。正確な距離は、受信したコード模様を評価処理することにより決定される。
【０００５】
この種の水準測定過程は次のように経過する。まず、水準器を水平にする。即ち望遠鏡の光軸を水平面内に位置決めする。望遠鏡で水準測量捍に照準を合わせ、フォーカシング装置によりピントを合わせる。フォーカシング装置の位置検出器は水準測量捍までの距離を送信し、この距離から、望遠鏡対物レンズの焦点距離を考慮して結像倍率が算出される。この結像倍率で、望遠鏡の視野内にある、水準測量捍のコード模様の一部分が、検出器に結像される。参照模様との比較を行えるように、結像倍率はコード模様に算入される。参照模様は電子メモリ内にあり、水準測量捍のオリジナルコード模様を再現している。比較方法としては相互相関法が行われる。相互相関法により、測定されたコード模様の一部分が対応する参照コード模様の一部分と最大限に一致したことが確定される。一致が確認されれば、参照コード模様の一部分の位置が知られたことになり、よって水準測量捍上の特定の個所が知られたことになる。これによって、水準器にたいする水準測量捍の高さが決定される。
【０００６】
このデジタル水準器を用いると、水準測量捍のコードが部分的に遮蔽されている場合でも、特に光軸上において遮蔽されている場合でも、また障害信号成分が大きい場合でも、それまでに知られていた方法に比べ水準高さと距離とがより正確に且つ迅速に決定される。また、自動デジタル水準システムは信頼性の高い測定値を提供する。なぜなら、それ以前の水準測量捍の場合の数値の読み取り及び評価の際に誤差を生じさせる機械的要素が設けられていないからである。
【０００７】
欧州特許公開第０５７６００４号公報にも電子水準器及び付属の水準測量捍が説明されている。望遠鏡の光学系は、水準測量捍の白黒の線模様から光電受信器に像を生じさせる。その電気信号は、信号プロセッサ内で直接に、またはフーリエ変換器を介して評価される。この場合、水準測量捍上に設けられた模様の周期と位相が決定され、これから水準器と水準測量捍との距離及び水準高さが検出される。
【０００８】
水準測量捍上に設けられた模様はブロック群に分割されて、それぞれ三つのブロックになっている（一つの実施例では、それぞれ二つのブロックになっている）。個々のブロックＡ，Ｂ，Ｒは、水準測量捍全体にわたって、空間周波数の異なるそれぞれ一つの模様を形成する。隣接しているブロックの重心の間隔は一定であり、存在するすべての周期のなかで最も短い周期を有している。このブロック間隔が参照用に使用され、フーリエ変換器からの最大周波数に対応している。参照信号の周波数は、他の模様の周波数もそうであるが、水準器と水準測量捍との距離が減少するにつれて減少する。参照信号の測定された周波数と、これに対応している水準測量捍上の既知のブロック間隔と、対物レンズの焦点距離から、水準測量捍までの距離が算出される。
【０００９】
算出された距離の大きさに応じて、種々の方法が高さ決定のために適用される。大きな距離にたいしてはフーリエ変換器が利用される。個々の模様は周期的に且つ所定の態様で水準測量捍上に配置されているので、フーリエ変換されたどの測定信号も同一視することができ、個々のブロック模様に関係付けることができる。差信号Ａ−Ｒ及びＢ−Ｒの位相状態から、水準測量捍上のブロック群の位置が粗測定として確定される。ブロック群の内側では、ブロック間隔に基づく信号の位相状態から正確な高さ位置が精密測定として決定される。水準測量捍までの距離が短ければ、精度上の理由から、直接測定された信号が利用され、その位相状態から水準高さが決定され。
【００１０】
この従来技術の１実施例では、動力駆動されるフォーカシングレンズが使用され、自動フォーカシングを可能にしている。フォーカシングレンズが合焦位置から離れると、一定のブロック間隔の関数のフーリエ変換のピークが減少し、これによってフォーカシングレンズの調節を行うことができる。
【００１１】
要約して述べると、ドイツ特許第３４２４８０６号公報及び欧州特許公開第０５７６００４号公報に記載のデジタル水準測定システムの測定方法及び評価方法は、測定されたコード模様に、最大限対応する水準測量捍上の一部分を関係付ける。しかしながらこれらの方法は、水準測量捍が傾斜していることにより発生し測定精度に影響する効果を考慮していない。水準測量捍の傾斜は、水準測量捍と検出器の検出面との角度差として生じる傾斜角によって定義されるべきである。理想的な場合とは、水準測量捍と検出器の検出面とが互いに正確に平行に位置し、傾斜角がゼロである場合である。この場合、検出器の検出面が通常のように光学系の光軸にたいして垂直に位置決めされていれば、水準測量捍は光軸にたいして垂直に立っている。さらに、水準器が水平になっていれば、即ち光軸が水平面内にあれば、水準測量捍は地面にたいしても垂直に立っていることになる。このような場合には、傾斜角は、測定方向または観察方向における水準測量捍の垂直位置からのずれに等しい。
【００１２】
このように観察方向に傾斜している水準測定捍により、高さ測定及び距離測定に誤差が生じる。なぜなら、光軸と水準測量捍との交点は、水準測量捍が垂直に指向している場合とは異なる水準測量捍上の位置にあるからである。水準測量捍を操作者ができるだけ垂直に保持し、水準測量捍に取り付けられた気泡管を用いてこれを視覚的に監視することもできるが、しかし気泡管の読み取りには精度的に限界があり、面倒であり、操作者が少しでも注意をそらすと測定結果に確実に誤差が生じることになる。また、このような誤差を修正することもできない。場合によっては、水準測量全体を繰り返す必要がある。同じような問題は、一人の人間が水準測量を行って、立っている水準測量捍が風や空気の流動にさらされ、よって測定点にたいする傾斜角が存在するような場合にも生じる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、コード化された水準測量捍の、測定方向（観察方向）における傾斜を確定し、水準測量捍と該水準測量捍のコードを受信する位置検出器の検出面との成す角度として定義される水準測量捍の傾斜角を決定できるような方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、確定された理想的なコード模様延在態様と実際に測定されたコード模様延在態様との差を形成することにより、視野内にある個々のコードエレメントのゆがみを決定し、且つこのゆがみからすべてのコードエレメントのゆがみ関数を決定して、演算ユニットで処理すること、結像光学系と、コード模様の基点にたいする結像光学系の高さ及び水準測量捍までの距離並びに水準測量捍の回転点の位置と、結像光学系の視野内のコードエレメントの位置とから得られる幾何学的・光学的関係を用いて、コード模様のゆがみ関数から水準測量捍の傾斜角を検出することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の有利な構成は、従属項の特徴部分に記載されている。
本発明においては電子的な水準測量システムが使用される。この水準測量システムは、コード化された水準測量捍と、結像光学系としての望遠鏡と、位置を検出する光電的検出器と、コンピュータとを備えている。水準測量捍のコード模様の一部分は、結像光学系により検出器上に結像される。検出器は、位置を検出して（ｏｒｔｓａｕｆｇｅｌｏｅｓｔ）、コード模様の像を記録し、次に接続されたコンピュータがこの像を評価する。検出器としては、例えばフォトダイオードを一次元的に配置したダイオードアレイ、ビディコン、または受光画素を二次元的に配置したＣＣＤアレイを使用することができる。
【００１６】
以下に、水準測量過程について説明する。この水準測量過程は、従来技術の前記公報に説明されているものに対応している。望遠鏡の視野内にあり、望遠鏡によって結像されたコード模様の一部分から、水準測量過程により水準測量捍上の位置が決定される。この位置は、測定されたコード模様の一部分に関係付けることができる。より厳密にいえば、測定されたコード模様の像は、水準測量捍上に設けられた、観察された前記一部分の既知のコード模様と正確には一致していない。測定されたコード模様には誤差が付随している。本発明の認識によれば、確定されたずれは主に水準測量捍の傾斜から結果するものである。
【００１７】
測定されたコード模様の延在態様と、このコード模様に関係付けられ、既知の理想的な延在態様を備えた水準測量捍上のコード模様一部分とから差を形成することにより、測定されたコード模様と理想的なコード模様とのずれを位置の関数として決定することができる。このずれは、ゆがみまたはゆがみ関数と呼ばれる。このようにして測定から得られたゆがみ関数は、これに影響する量がすべて既知であり、且つそれらの関係を定量的に記述できれば、定量的に評価することができる。
【００１８】
結像光学系の結像誤差は無視できるほど小さく、よって縮尺どおりの結像が行われる。しかし、コード模様が縮尺どおりに結像されるのは、即ち一定の尺度で検出器上に結像されるのは、コード模様の模様面と結像光学系の光軸とが互いに直角を成す場合だけである。しかも、検出器の検出面も同様に光軸にたいして直角であることが前提である。一方、コード模様の模様面が光軸と９０°とは異なる角度を成し、よって理想的な９０°位置に比べてずれた傾斜角が生じた場合には、コード模様の像にずれが生じる。コード模様がずれて、もし水準測量捍が結像光学系のほうへ傾斜していれば、コード模様は伸びたように見える。もし水準測量捍が結像光学系から離れる方向へ傾斜していれば、コード模様は圧縮されたように見える。コード模様の伸びまたは圧縮の大きさは、傾斜角が大きくなれば大きくなる。しかし、傾斜角が与えられている場合、コード模様の伸びまたは圧縮の大きさは水準測量捍上のコードの位置にも依存しており、コード模様が該コード模様の基点から離れていればいるほど大きい。コード模様の基点はコード模様の座標のゼロ点であり、よってコード模様の始まりを定義している。このようにコード模様は、水準測量捍の傾斜角、及びコード模様の基点にたいするコード模様の位置に応じて異なった縮尺で結像される。それゆえ、理想的な９０°の位置でのコード模様の像にたいするコード模様の像のずれは、既に述べたようにゆがみと呼ばれる。
【００１９】
ゆがみの原因としては、傾斜角及び水準測量捍上でのコード要素の位置のほかに他のパラメータも存在する。これらのパラメータは、水準器と水準測定捍との距離であり、及び実施例のなかで詳細に述べる結像光学系の特定のシステムパラメータである。特に、ゆがみは、種々の測定を行う際に生じたように水準測量捍の回転点の位置にも依存している。従来は、水準測量捍の回転点の位置の影響が考慮されなかった。水準測量捍の回転点がコード模様の基点と一致していなければ、ゆがみに変化が生じることでこのことがわかる。水準測量捍の回転点とコード模様の基点との距離はピボット距離と呼ばれる。このようにゆがみはピボット距離の大きさにも依存している。
【００２０】
ところで、水準測量捍が側方に傾斜していることによって生じる誤差、即ち水準測量捍が検出器の検出面に平行な面内で傾斜していることによって生じる誤差は、実際には無視できるほど小さい。それゆえ、このような誤差は他の実施例では考慮されない。
【００２１】
傾斜角を決定するため、測定されたゆがみは、上記パラメータと関数的に関連付けることにより定量的に評価される。傾斜角は、水準測定捍がその垂直位置からずれていることを表わすものであり、水準器の水平出しが行われていること、或いは水平面からの水準器の光軸のずれが既知であることを前提としている。
【００２２】
水準測量捍の傾斜角を検出することは、種々の応用目的に利用できる。例えば、対象物の鉛直位置からのずれを決定することができる。このため、コード化された１本の水準測量捍が対象物と結合され、或いはコード部が直接対象物に設けられる。これにより、離れた対象物の傾斜角を測定し、監視することができる。
【００２３】
デジタル水準器とコード化された水準測量捍を用いた水準測量の場合には、まず本発明にしたがって決定された水準測量捍の傾斜角を認知のために表示する必要がある。次のステップでは、傾斜角の認知に基づいて、傾斜角によって生じる距離測定及び高さ測定の誤差を算出し、水準測量の補正に使用する。これは、三角法の法則を適用して行う。コード模様の基点にたいして傾斜した水準測量捍と光軸との交点の位置が既知である場合には、検出された傾斜角の余弦によって、理想的に垂直に立っている水準測量捍の高さが明らかになり、傾斜角の正弦により、水準器にたいする水準測量捍の距離の修正値が明らかになる。コード模様の基点と水準測量捍の回転点との間にピボット距離が存在している場合には、対応的に三角法関数を用いて高さ測定及び距離測定へのピボット距離の影響量が算入される。
【００２４】
水準測量捍の傾斜から生じる傾斜角を決定し、これから高さ測定及び距離測定における誤差を修正できることは、水準測量及びその測量過程にたいして次のような有利な影響を持っている。
【００２５】
測定のたびに水準測量捍を正確に垂直に設置するという従来の必要性がなくなる。測定過程が水準測量捍を正確に垂直に設置することに依存しないことには二つの重要な利点がある。気泡管表示後に水準測量捍が誤って傾斜したり、正確に方向付けられていなくても、これをデジタル水準測量システムにより検知して、演算により補正される。操作者の頻繁なミスまたは不注意、或いは直立している水準測量捍への風の作用は全く影響しない。これにより測定結果の信頼性が著しく増大し、水準測量過程を反復する必要がない。これは時間とコストの節約になる。
【００２６】
他方、水準測量捍を位置決めする際にも時間の節約になる。本発明によれば、気泡管の表示に従って水準測量捍をおおよそ方向付ければよいので、従来のように水準測量捍を慎重に正確に方向付ける必要がない。これは個々の測定過程を短縮させ、測定を多数行う際に時間的な効果を発揮する。
【００２７】
最後に、水準測量捍の傾斜角を検出し、これから高さ測定及び距離測定を修正することは、水準測量の精度が向上することを意味する。個々の高さ測定及び距離測定の測定精度の向上は、水準測量捍と水準器との距離に依存している。測地学的測量の場合には次々と測定が行われ、全体的結果は個々の測定から組み立てられるので、最終結果にはかなりの精度向上が得られる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて説明する。
定量的関係を表示するため、水平化された光学的結像系５から出発する。照準を定められ、コード化された水準測量捍１は、図１によれば、その垂直位置から角度αだけ傾斜している。結像系５から離れる方向での水準測量捍１の傾斜は正の傾斜角αを与え、結像系５の方向への傾斜は負の傾斜角αになる。さらに、コード模様の基点２は、水準測量捍１の機械的回転点３からピボット距離ｄ＿ｐｉｖだけずれている。特殊な場合には、ピボット距離ｄ＿ｐｉｖはゼロであってもよく、即ちコード模様の基点２と水準測量捍１の回転点３とが一致していてもよい。
【００２９】
まず、結像系５の視野内にある、傾斜していない水準測量捍１のコードエレメントが、位置Ａに観察されると、その近軸の像点Ａ’は、位置を検出する検出器として用いられるＣＣＤアレイ８上に合焦する。つぎに、合焦状態を変えずに水準測量捍１を傾斜角αだけ傾斜させる。傾斜角αは小さいので、傾斜した水準測量捍１はまだ結像系５の焦点深度の範囲内にある。従って前記コードエレメントは位置Ａから位置Ｂへ移動し、最も鮮明なその供役像点Ｂ’はＣＣＤアレイ８の外側にある。よって、水準測量捍１が傾斜していると重心がずれ、即ちＣＣＤアレイ８上で光束の位置ずれＢ’’が生じる。この位置ずれＢ’’は、射出瞳の位置によって決定される。このずれはゆがみＶ_Ｚと呼ばれ、視野内でのコードエレメントの位置に応じて変化するばかりでなく、傾斜角α及び水準測量捍１のピボット距離ｄ＿ｐｉｖに応じても変化する。
【００３０】
このような幾何学的・光学的関係を前提にすると、コードエレメントのゆがみＶ_Ｚは傾斜角α、ピボット距離ｄ＿ｐｉｖ、及び水準測量捍１上でのコードエレメントの位置ｌ_ＣＥにたいして次のような関係にある。
【００３１】
ＶＺ＝ｙ（Ａ’）−ｙ（Ｂ’’） （１）
ここでｙ（Ａ’）は、水準測量捍１が傾斜していないときの、ＣＣＤアレイ８上でのコードエレメントの像の重心の位置であり、
ｙ（Ａ’）＝β_０・（ｌ_ＣＥ−ｈ_０） （２）
である。β_０は水準測量捍１が傾斜していないときの近軸倍率であり、ｈ_０は結像系の光軸６と水準測量捍の回転点３（図１のピボット点）との高度差である。ここでｙ（Ａ’）は主面ＨＥ’から間隔Ｓ’ _０だけ離れている。水準測量捍１が傾斜している場合、コードエレメントの像ｙ（Ｂ’）は主面ＨＥ’から間隔Ｓ’_１だけ離れており、ＣＣＤアレイ８上の光強度の重心はｙ（Ｂ’’）の位置にある。
【００３２】

ここでＳ’_ＡＰは射出瞳の位置を表し、近軸の像位置の差Δ’は

であり、この場合

さらに

であり、この場合、傾斜している場合の近軸倍率β_１は

である。Ｓ_０は、主面ＨＥと傾斜していない水準測量捍１との距離である。
【００３３】
これらの式を一緒にすると、α、ｌ_ＣＥ、ｄ＿ｐｉｖ、及びβ_０にたいするゆがみＶ_Ｚの依存性が明らかになる。
上記の式で使われている量は、傾斜角αを除けばすべて既知であり、或いは決定可能である。この場合β_０、Ｓ’_０、Ｓ’_ＡＰは前述のように結像系５の幾何学的・光学的量であり、ｈ_０は水準高さ、Ｓ_０は水準測量捍と結像系５との距離である。
【００３４】
ＣＣＤアレイ８によって受信された信号は演算ユニット９へ送られ、該演算ユニット９によって評価される。ゆがみＶ_Ｚは、結像系の視野内にある個々のコードエレメントにたいして検出された理想的なコード模様と、実際に測定されたコード模様との差から形成される。これから、コードエレメントの位置ｌ_ＣＥに依存したゆがみＶ_Ｚが一連のペア値として得られる。これら一連のペア値は、塗布図形の場合互いに直接関係しており、或いは近似関数を介して互いに関係している。このようにして形成されるゆがみ関数Ｖ_Ｚ（ｌ_ＣＥ）にたいしては、結像系５の視野内にあるすべてのコードエレメントが寄与する。ゆがみ関数Ｖ_Ｚ（ｌ_ＣＥ）から、傾斜角αがその符号をも含めて検出される。
【００３５】
水準測量に適用する場合、傾斜角αの正確な認知のほかに、高さ伝達（Ｈｏｅｈｅｎ ｕｅｂｅｒｔｒａｇｕｎｇ）の誤差、及び水準測量捍１が傾斜しているときの水準器の結像系５と水準測量捍１との距離の誤差も決定される。これらの誤差は、既に述べたように三角法の法則に従って傾斜角αから算出される。従って、高さ伝達及び距離測定の修正は既知である。
【００３６】
前記の式で使われている量の一つ、例えばｄ＿ｐｉｖが既知でないか、または正確には既知でない場合には、それ自体既知の適当なフィットアルゴリズムを使用して、傾斜角αに加えて、ゆがみ関数Ｖ_Ｚ（ｌ_ＣＥ）から検出することができる。これは、ゆがみ関数が対応的に敏感に反応するような複数のパラメータにたいしても同時に行なうことができる。このように、ゆがみ関数の分析を複数の量の決定に拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水準測量捍が傾斜している場合の測定構成とゆがみを示す図である。
【符号の説明】
１ 水準測量捍 ２ コード模様の基点
３ 水準測量捍の回転点 ５ 結像光学系
６ 光軸 ８ 検出器
９ 演算ユニット

Claims (3)

1. 結像光学系（５）と位置を検出する光電検出器（８）と演算ユニット（９）とを備えた電子水準器を用いて、水準測定により、コード化された水準測量捍（１）の測定方向における傾斜角（α）を決定する方法であって、結像光学系（５）の視野内にあって光電検出器（８）によって測定することができるようなコード模様の水準測量捍（１）上での位置を水準測定により決定することにより、水準測量捍（１）から既知の理想的なコード模様延在態様を観察範囲内に確定するようにした前記方法において、
   確定された理想的なコード模様延在態様と実際に測定されたコード模様延在態様との差を形成することにより、視野内にある個々のコードエレメントのゆがみ（Ｖ_Ｚ）を決定し、且つこのゆがみ（Ｖ_Ｚ）からすべてのコードエレメントのゆがみ関数〔Ｖ_Ｚ（ｌ_ＣＥ）〕を決定して、演算ユニット（９）で処理すること、
   結像光学系（５）と、コード模様の基点（２）にたいする結像光学系（５）の高さ（ｈ_０）及び水準測量捍（１）までの距離（Ｓ_０）並びに水準測量捍（１）の回転点（３）の位置と、結像光学系（５）の視野内のコードエレメントの位置（ｌ_ＣＥ）とから得られる幾何学的・光学的関係を用いて、コード模様のゆがみ関数〔Ｖ_Ｚ（ｌ_ＣＥ）〕から水準測量捍（１）の傾斜角（α）を検出することを特徴とする方法。
2. 結像光学系（５）に結像した水準測量捍（１）上のコード模様の高さ（ｈ_０）の修正値を、水準測量捍（１）の傾斜角（α）から三角法の法則に従って確定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 結像光学系（５）とコード化された水準測量捍（１）との距離（Ｓ_０）の修正値を、水準測量捍（１）の傾斜角（α）から三角法の法則に従って確定することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

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