JPH0456243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、二点間の高度差を求める比高測定用
水準儀に関する。

〔従来の技術〕

比高測定には、一般に標尺とレベルと称されて
いる水準儀と用いる。測定二点に標尺を立てて、
これらの目盛を水平に整置した水準儀の望遠鏡で
交互に読んで、読取値の差を高度差として求めて
いる。

また水準儀の望遠鏡の視野内には、視準用十字
線が設けられていて、この十字線に付加された二
本の一定間隔のスタジア線と称されている水平線
を用いて、大まかな水平距離の測定を行うことも
ある。この場合には、スタジア線ではさまれた標
尺上の距離を読んで、望遠倍率により水平距離を
算出している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の比高測定では、測定者が標尺の目盛を読
むので、デイジタル表示が困難であり、またデー
タ処理器への数値読取り、データストア、自動デ
ータ処理ができない問題がある。また水準儀の望
遠視野は1°20′程であつて極端に狭く、標尺に目
盛よりも粗間隔で表示されている桁数字が視野外
となつて、高さ値を読み誤ることがある。スタジ
ア測量も同様であつて、デイジタル読取り及び表
示ができないので、水平距離を自動算出して表示
させることが困難である。

本発明はこの問題にかんがみ、標尺と水準儀と
を用いた比高測定において、デイジタル直読、表
示を可能にすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明の比高測定用水準儀は、水準望遠鏡と、
上記水準望遠鏡の結像側に設けられた読取りエレ
メントの列から成るイメージセンサと、上記イメ
ージセンサのイメージ出力を処理する処理装置
と、上記処理装置の出力をデイジタル表示する表
示器とを備え、上記処理装置は、測量点における
標尺上に高度値に対応して付されている符号模様
の上記イメージ出力に基き、符号情報を高度値に
デコードするデコード部と、上記イメージ出力に
基き、上記イメージセンサ上の符号模様像の大き
さを上記読取りエレメントの数に対応させて測定
し、水準儀から上記標尺までの概略水平距離を像
の大きさの逆比例演算により算出する距離検出部
とから成り、上記表示器において、上記高度値及
び上記概略水平距離を表示することを特徴とす
る。

〔作用〕

イメージセンサ上の符号模様像の大きさが水準
儀と標尺との間の水平距離によつて伸縮すること
を利用して、距離の概略値を求める。従つて上述
の構成によると、高度値をデイジタル直読できる
と共に、面倒なスタジア測量を行うことなく、概
略水平距離が自動計測により表示される。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施に用いる水準儀の光学系
を示し、第２図に測定対象である標尺の要部（正
面図）を示す。

標尺１の目盛面には、その基端からの高度値を
絶対符号化した光学読取用のバーコード２が、例
えば５mmの単位目盛間隔Ｐで長手方向（高さ方
向）に配列されている。夫々のバーコード２は、
ナローバー２ａ（ロジツク“０”に対応）、ワイド
バー２ｂ（ロジツク“１”に対応）及びスペース
２ｃで構成されている。エレメント２ａ，２ｂは
反射率が低い部分（黒）で、スペース２ｃは反射
率が高い部分（白）に対応する。符号系として
は、工業用又は商業用に使用されている3of9コー
ド、2of5コード、NRZコード（UPC／EAN／
JAN）等を利用することができる。

水準儀３は公知のオートレベルと概ね同じ光学
系を備え、対物レンズ系４、平行光束系５及び接
眼レンズ系６から成る。接眼レンズ系５は合焦レ
ンズ６ａ、十字線やスタジア線を付した焦点鏡６
ｂ、接眼レンズ６ｃ等を含む。平行光束系５は望
遠鏡の光軸の傾きにかかわりなく、水平な視準線
を得る自動水平装置であつて、プリズム５ａ，５
ｂ及び糸で釣り下げられた振り子プリズム５ｃか
ら成つている。

接眼レンズ系６にはビームスプリツタ７が介挿
されていて、分岐された像光が倍率レンズ系８を
通してイメージセンサ９に結像される。このイメ
ージセンサ９は例えばCCDラインセンサであつ
てよく、標尺１の巾方向、即ちバーコード２の符
号エレメントの並び方向に読取ラインが合致する
向きに配置されている。イメージセンサ９の出力
は第３図の処理回路系に導出されて、読取つたバ
ーコード２が復号され、高度値が表示される。

第３図において、倍率レベル系８を通して、イ
メージセンサ９に結像された標尺のバーコード像
は、電気信号として読取られて、アンプ１０を介
してコンパレータ１１に導出される。コンパレー
タ１１は、一定レベルＥ以上をクリツプしてバー
コード信号として取り出す。この際、像が合焦状
態でない場合や、第２図のバーコード２間のライ
ンスペース２ｄに読取ラインが位置している場合
には、像出力レベルが低いので、コンパレータ出
力に現われることなく除外される。即ち、復号可
能な信号レベルを弁別して、復号値のエラー極力
少なくなるようにしている。

コンパレータ１１の出力は波形整形回路１２で
整形され、バーコード２のバー２ａ，２ｂを高レ
ベル、スペース２ｃを低レベルとするコードパル
スとしてCPU１３に供給される。CPU１３は、
コードパルスの高レベル部分のパルス巾に基いて
ナローバー２ａをロジツク“０“、ワイドバー２
ｂをロジツク“１”として弁別し、更にこれらを
高度値に復号する。

CPU１３における復号アルゴリズムは基本的
には時間計測によるパルス巾判定でよい。即ち入
力コードパルスの高レベル部分に対応したパルス
巾をクロツクパルス数に対応させて、ナロー及び
ワイドのエレメント列に対応した時間巾データ列
を作成し、個々のデータの大小比較を所定のマー
ジンでもつて行い、コードビツト列を得る。コー
ドビツト列はその桁ごとにデコーダ（CPUのプ
ログラム中のデコードテーブル）により十進変換
され、高度値としてメモリに記憶されると共に、
表示器１４に表示される。また測定高度値を例え
ばRS232C型のＩ／Ｏポート１５からポケツトコ
ンピユータのようなデータターミナルに転送する
こともできる。

なおバーコード２のスペース２ｃにもナロース
ペースとワイドスペースとを設けてバーエレメン
トと共にコードとして利用する所謂インターリー
ブバーコード系の場合でも、復号原理は同じであ
る。

第４図は水準儀３の後面パネルの正面図であつ
て、接眼レンズ６ｃの上部に表示器１４，１５が
設けられていて、表示器１４には読取つた高度値
がデイジタル表示される。なお表示器１８には後
述の距離測定による概略測距値が表示される。

第５図のバーコードフオーマツトで示すよう
に、標尺１の表面に付いたよごれや標尺より後の
背景などの像を誤情報として取込むことが無いよ
うに、バーコード２に識別シンボル２１（IDコ
ード）を付加することができる。この識別シンボ
ル２１は例えば“0000”シーケンス（ナローバー
とスペースとが交互に４つずつ現われる）のよう
な自然には出来にくい特殊コードであつてよい。
この識別シンボル２１をCPU１３で読取ること
が出来たときにバーコード２の本体を復号するよ
うにプログラムすることができる。またこの識別
シンボル２１をバーコード２の本体の前端及び後
端に設けて、両端において識別シンボル２１を正
しく読取つたときのみ復号ステツプに進めるよう
にしてもよい。

識別シンボル２１の後には、第５図に示すよう
に、例えば４桁のデータエリア２２が設けられ、
その後尾にパリテイビツト２３が付加される。ま
た必要があれば、コード体系に定義された算術に
従つて計算したチエツクサム２４を付加してもよ
い。

なお識別シンボル２１は、コードデータの読込
み開始点及び終了点をCPU１３に認識させるた
めのスタートキヤラクタ及びストツプキヤラクタ
と兼用してもよい。また標尺１上のバーコード２
の前後には一定巾の無信号部分であるスタートマ
ージ２５ａ及びストツプマージン２５ｂを付加す
るのがよい。

識別シンボル２１又はスタート／ストツプキヤ
ラクタのコードをCPU１３が正しく読取れなか
つた場合には、CPU１３から警報信号を出して
表示器１４においてNG表示１４ａを表示させる
ことができる。この場合には、操作者が接眼レン
ズ６ｃをのぞいて合焦状態のチヤツク及び視野内
にバーコード２が正しく入つているか否かのチエ
ツクを行う。

第２図のバーコード２の長手方向配列のライン
スペース２ｄ（無コード部分）にイメージセンサ
９の読取ラインが位置している場合にも、バーコ
ード２（識別シンボル２１）を読取ることができ
ない。この場合には、第３図に示すようにイメー
ジセンサ９の前面側に設けた平行ガラス１６を微
小角度だけ傾けて、イメージセンサ９の読取ライ
ンにバーコード２の像が位置するように光軸を折
曲げる操作を行う。この操作によつて像を所定量
（最大でも1/2ピツチ）だけ標尺の長手方向にてシ
フトさせれば、識別シンボル２１が読取れるよう
になる。

平行ガラス１６の傾倒動作を行わせるアクチユ
エータ１７を更に設ければ、CPU１３からの前
記の読取不良を示す警報信号でもつてこのアクチ
ユエータ１７を作動させることにより、自動的に
結像位置の補正を行うことができる。このような
１／２ピツチ相当の光学系の補正を行つても、バー
コード２の間隔を例えばピツチｐ＝５mmの単位目
盛間隔としたとき、±2.5mmの公称測定誤差以上に
読取精度が劣化することはない。

アクチユエータ１７は、例えば偏心輪とサーボ
モータとで構成することができ、CPU１３によ
る制御で連続的に又は一定ステツプ巾で離散的に
光軸の角度を変化させ、イメージセンサ９上への
結像位置が縦方向に変化するように成すことがで
きる。また、視野補正のために横方向に光軸を動
かしてもよい。

なおイメージセンサ９として複数の読取ライン
を備えるもの又はマトリツクス配列の二次元セン
サを使用すれば、バーコード間のラインスペース
２ｄにおいて読取れなかつたときに、その読取ラ
インに対して上又は下にシフトした別の読取ライ
ンを用いて読取れるように構成することができ
る。

読取精度を高めると共に読取エラーを少なくす
るために、第６図のような段違いのコード配列を
採用することができる。即ち、Ａ系列としてピツ
チｐ（単位目盛間隔）のバーコード２Ａを設け、
標尺１の巾方向に隣接させて1/2ピツチだけ長手
方向にずらした同じくピツチｐのバーコード２Ｂ
をＢ系列として設ける。この構成によれば、バー
コード２Ａのラインスペース２ｄ（無コード部）
にイメージセンサ９の読取ラインが位置して識別
シンボル２１の読取ができなかつたときに、Ｂ系
列のバーコード２Ｂの読取に切換えれば、良好に
読取ることができる。

バーコード１Ａと２Ｂとのコード値を1/2ピツ
チ分違えておけば、公称測定誤差を半分（±1/4
ピツチ）に低減することができる。またバーコー
ド２Ａと２Ｂとで同一コード値を使用しても、
CPU１３においてＡ系列とＢ系列との切換えを
認識して、復号値に対して1/2ピツチ分の補正演
算を行えば、実質的に公称誤差±1/4ピツチの高
精度の読取り値が得られる。Ａ系列とＢ系列との
読取を切換えるために、第３図に示した平行ガラ
ス板１６を使用することもでき、この場合には光
軸を標尺１の巾方向にシフトし得るように構成す
る。また使用するイメージセンサ９のビツト数
（エレメント数）が十分多くて十分な解像度を有
していれば、イメージセンサ９の読取ラインの領
域を前半部と後半部とに分けて、夫々においてＡ
及びＢ系列のバーコード２Ａ，２Ｂを夫々読取れ
るようにしてもよい。

バーコード２Ａと２Ｂとを標尺１の長手方向に
一部オーバーラツプさせるのが望ましい。即ち、
第６図に示すように、Ｂ系列のバーコード２Ｂの
バー長さを1/2ピツチ以上にして、Ａ系列のバー
コード２Ａに対して標尺１の長手方向にオーバー
ラツプさせれば、読取不能が生じることが無くな
る。

勿論、第７図の変形例に示すように、バーコー
ド２Ａ及び２Ｂの双方のバー長さをピツチｐに近
づけて、お互いのオーバーラツプ量を増やし、読
取確度を高めてもよい。しかし第７図の場合に
は、Ａ系列及びＢ系列の両方を同時に読める高さ
位置が巾広く存在する故、公称精度は実質的にピ
ツチｐ相当より高くはならない。第６図の場合に
は、1/2ピツチごとにバーコードを配列したのと
概ね等価であるので、公称精度は高まる。

第６図のコード配列では、系列Ａ，Ｂのバーコ
ード２Ａ，２Ｂに隣接させて、同一のバーコード
２A′，２B′を夫々付加してある。これらのバー
コード２A′，２B′はCPU１３において真値検定
に用いることができる。例えばコード２Ａと２
A′との各ビツトを比較して、一致したときのみ
復号処理を行い、不一致のときはエラー処理を行
うように検定アルゴリズムを組込むことができ
る。また、バーコード２Ａ又は２A′の一方のチ
エツクビツト又はチエツクコード（パリテイ又は
チエツクサム、CRC等）でエラーが発見された
ときに、他方のコードを読むようにしてもよい。

バーコードの段差配列を第８図のように更に３
段、４段……と増加させてもよい。第８図の３段
（２Ａ〜２Ｃ）の場合には、公称誤差は一系列の
ピツチｐの1/3となる。

次に第９図にイメージセンサ９としてCCライ
ンセンサを用いた場合の撮像面とバーコード像及
びイメージ信号出力との関係を示し、第１０図に
読取り光学系の概略を示す。

CCDラインセンサは対物レンズ系４の光軸と
合致した位置に一列の受光エレメント３０を有
し、その撮像面にナローバー２ａ及びワイドバー
２ｂの結像を生じさせれば、対応するシリアルの
コードパルス信号S_pを読出すことができる。サン
プリング定理により、ナローバー２ａ又はスペー
ス２ｃの像の巾内に少なくとも２個の受光エレメ
ント３０が含まれれば、パルス信号S_pに基いてコ
ードを読取ることができる。

CCDラインセンサの解像度及びビツト数（エ
レメント数）を定めるには、標尺１と水準儀３と
の間の距離の変化に応じた像の伸縮を考慮する必
要がある。この点に関しては以下のように距離に
ほぼ逆比例して撮像面の像が縮むと考えることが
できる。即ち、第１０図に示すように読取光学系
が対物レンズ系４及び拡大レンズ系８及びイメー
ジセンサ９でもつて構成されている場合、対物レ
ンズ系４の焦点距離をｆ、標尺１上のバーコード
２までの距離をＡ、結像点までの距離をＢとする
と、 １／Ａ＋１／Ｂ＝１／ｆ、Ｂ＝Ａ・ｆ／Ａ−ｆ で、倍率ｕは、ｕ＝Ｂ／Ａ＝Ｂ−ｆ／ｆとなる。比高測 定用水準儀の場合、標尺までの距離Ａは一般に２
ｍ〜100ｍの範囲である。ｆ＝100mmの対物レンズ
系４を用いると、Ａが100ｍのとき、Ｂは約
0.1001ｍで、倍率ｕは0.001001倍となる。従つて
横巾（バーコード全長）が20mmのバーコード２を
望遠すると、対物レンズ系４による像の大きさは
約0.02002mm（20μｍ）となる。

またＡが最短距離２ｍのとき、同様な計算で像
の大きさは、1.05263mmとなる。即ち、標尺１ま
での距離変化100ｍ〜２ｍに対し、像の大きさは
ほぼ１：50の比で変化する。

ここでバーコード２のモジユール数（ナローバ
ー２ａを１、ワイドバー２ｂを２〜３、スペース
２ｃを１としたときのバーコード全体の総和）を
50とする。イメージセンサ９はモジユール数50に
対応したパルス信号を得る分解能を必要とする。
距離Ａ＝100ｍにて必要な分解能を得るための
CCDのエレメント数は、ナイキスト間隔を考慮
すると総モジユール数50の２倍の100ビツトであ
る。第９図に示すCCDの受光エレメント３０の
間隔を約10μｍとすると、100ビツト分に対応す
るバーコード像の大きさは約１mm程必要である。
従つて第１０図の拡大レンズ系８の倍率を50にす
れば、距離100ｍにて撮像面上のバーコードの全
巾が約１mmとなり、その総モジユール数50が約
100ビツトで読取られるので、必要な分解能が得
られる。

距離Ａ＝２ｍのときには、上述したように像の
大きさが50倍に拡大されるので、CCDの全エレ
メント数として5000ビツト（100ビツト×50）以
上（例えば8192ビツト）必要である。このときの
結像面における像の大きさは約50mmである。

なお望遠鏡の倍率を高くすると共に、イメージ
センサ９の総ビツト数を多くすれば、200ｍ程度
までの距離における高度差測定か可能である。そ
れ以上は光の波長や、シンチレーシヨンによりバ
ーコード読取が困難になると考えられる。

以上のようにイメージセンサ９の受光面上で像
の大きさがほぼ距離に逆比例することを利用し
て、水準儀３から標尺１までのおおよその距離を
CPU１３で算出して表示させることができる。
即ち、CPU１３は、波形整形回路１２から入力
されるコードパルス信号に基いてバーコード像の
横巾をクロツクカウントにより計測する。上述の
例では距離変化２ｍ〜100ｍに対し、結像面での
像の大きさが50mm〜１mmと変化するので、これら
の関係と像巾の計測値とから既知定数の逆比例計
算をCPU１３で行わせれば、概略の測距値が得
られる。この測距値は第３図、第４図の表示器１
８にて表示される。

なお像巾の計測値に基いて基準距離（例えば50
ｍ時）に対する２ｍ〜100ｍでの結像倍率を計算
することができる。この結像倍率は、コード読取
の際のナローバー２ａ及びワイドバー２ｂの弁別
アルゴリズムにおいて、各測定パルス巾に対する
正規化係数として使用することができる。即ち、
ナローバー及びワイドバーに対応したパルス巾の
デイジタル値をCPU内で正規化演算してから大
小比較の弁別アルゴリズムを実行するように構成
すれば、プログラムがより簡易になると共に、弁
別精度が増す。

なお比高測定では、二点において標尺を立てて
夫々の高度読取値の差をもつて高度差とするの
で、上述の実施例の水準儀を用いてこれを自動化
することができる。即ち、標尺１のバーコード２
を読取ることにより、二点の夫々の高度値を
CPUのメモリ内に記憶させ、更にこれらの差を
高度差として表示させることが可能である。

また上述の実施例においては、測量技士が水準
儀差の接眼レンズ６ｃをのぞいて合焦状態とする
ようになつているが、個人差により該焦点が異な
るので、自動焦点方式にしてもよい。例えばイメ
ージセンサ９の像出力の微分レベルが最大となる
ようにサーボ動作する合焦レンズモータ及びその
サーボ回路を付加することができる。

また上述の実施例の水平儀３は自動水平補正系
の付いた所謂オートレベルであるが、気泡管を用
いた手動水平整準式のＹレベル又はテイルテイン
グレベルに適用することも可能である。

また実施例においては、バーコードを高度目盛
として使用したが、田の字セグメントを用いた符
号体系を用いてもよい。また通常の標尺に付され
ている桁ごとの高度数字及び高度目盛を併用して
もよい。

〔発明の効果〕

本発明によると、標尺に付された高度値コード
模様の読取りにより、高度値をデイジタル直読す
ることができると共に、イメージセンサ上のコー
ド模様像の大きさにより水準儀から標尺までの概
略水平距離を測定してデイジタル表示するように
構成したから、比高測量時に面倒なスタジア測量
を行う必要なくなり測量作業を効率良く、簡単に
行うことが可能となる。

また水平距離の検出手段として高度読取り用の
イメージセンサを利用しているので、水平距離の
検出のために専用の検出要素を設ける必要がな
く、簡単な構成で高機能のデイジタル水準儀が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水準儀の光学系の概略
図、第２図は標尺の要部拡大図、第３図はデータ
処理回路のブロツク図、第４図は水準儀の後部正
面図、第５図は標尺に付したバーコードのフオー
マツト図、第６図〜第８図はバーコード配列の変
形例を示す略線図、第９図はイメージセンサ
（CCD）上のバーコード結像及びイメージ出力を
示す略線図、第１０図は読取光学系の概略図であ
る。 なお図面に用いた符号において、１……標尺、
２……バーコード、３……水準儀、４……対物レ
ンズ系、５……平行光束系、６……接眼レンズ
系、７……ビームスプリツタ、８……倍率レンズ
系、９……イメージセンサである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水準望遠鏡と、 上記水準望遠鏡の結像側に設けられた読取りエ
   レメントの列から成るイメージセンサと、 上記イメージセンサのイメージ出力を処理する
   処理装置と、 上記処理装置の出力をデイジタル表示する表示
   器とを備え、 上記処理装置は、 測量点における標尺上に高度値に対応して付さ
   れている符号模様の上記イメージ出力に基き、符
   号情報を高度値にデコードするデコード部と、 上記イメージ出力に基き、上記イメージセンサ
   上の符号模様像の大きさを上記読取りエレメント
   の数に対応させて測定し、水準儀から上記標尺ま
   での概略水平距離を像の大きさの逆比例演算によ
   り算出する距離検出部とから成り、 上記表示器において、上記高度値及び上記概略
   水平距離を表示することを特徴とする比高測定用
   水準儀。