JPS63180815A - 比高測定用水準儀 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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の標尺及
び比高測定方法に関する。

〔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
儀とを用いる。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、規準用十字線が設け
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、
ディ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’程であっ
て極端に狭く、標尺に目盛よりも相間隔で表示されてい
る桁数字が視野外となって、高さ値を読み誤ることがあ
る。スタジア測量も同様であって、ディジタル読取り及
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、ディジタル直読、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標尺は、高度値に対応させたバーコ
ード２のような符号模様を、高度目盛として標尺長手方
向に沿って一定間隔で付したことを特徴とする。

また本発明の比高測定方法は、高度値に対応させたバー
コード２のような符号模様を長手力向に高度目盛として
付して成る標尺１を測定点に立て、光学系にＣＣＤのよ
うな撮像手段を配した水準儀３を水平整準させて上記標
尺上の符号模様を撮像し、像信号を復号器に与えてその
高度値を得て、既知高度に対する上記測定点の高度差を
算出することを特徴とする。

〔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５ｎの単位
目盛間隔Ｐで長手力向く高さ方向）に配列されている。

夫々のバーコード２は、ナローバー２２（ロジック“０
″に対応）、ワイドパー２ｂ（ロジック“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３０ｆ９コード、２ｏｆ
５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６ａｓ＋字線やス
タジア線を付した焦点鏡６ｂ、接眼レンズ６０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、
水平な規準線を得る自動水平装置であって、プリズム５
ａ、５ｂ及び糸で釣り下げられた振り子プリズム５Ｃか
ら成っている。

接眼レンズ系６にはビームスプリンタ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
ＣＯＤラインセンサであってよく、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、読取ったバ
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８以上
をクリッ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ｚｄ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、コンパレーク出力に現
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、復号値のエラーが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。ＣＰｔＪ１３は、コードパルスの高レベル
部分のパルス中に基いてナローバー２ａをロジック″ｏ
″、ワイドバー２ｂをロジック“１”として弁別し、更
にこれらを高度値に復号する。

ＣＰＵＩ　３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ックパルス
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って行い、コードピット列を得
る。コードピッ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Ｒ３２３２Ｃ型
のＩ１０ボート１５がらポケットコンピュータのような
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って、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には読取った高度値がディジタル表示され
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図のバーコードフォーマットで示すように、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って
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を正しく読取ったときのみ復号
ステッ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
ティビット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って計算したチェックサム
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
ャラクタ及びストップキャ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及びストップマージン２
５ｂを付加するのがよい。

識別シンボル２１又はスタート／ストップキャラクタの
コードをＣＰＵＩ　３が正しく読取れなかった場合には
、ＣＰＵＩ　３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
ェック及び視野内にバーコード２が正しく入っているか
否かのチェックを行う。

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
ラス板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。この操作によって像を所定量（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を読取れるようになる。

平行ガラス板１６の傾倒動作を行わせるアクチュエータ
１７を更に設ければ、ＣＰＵＩ　３からの前記の読取不
良を示す警報信号でもってこのアクチュエータ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
正を行っても、バーコード２の間隔を例えばピッチｐ−
５ｆｉの単位目盛間隔としたとき、±２．５ｔｍの公称
測定誤差以上に読取精度が劣化することはない。

アクチュエータ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、ＣＰＵＩ　３による制御で連続
的に又は一定ステッ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
向に光軸を勅がしてもよい。

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
もの又はマトリッ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
かったときに、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系列としてピッチ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ピッチだけ長手方向にずらした同じくピッチ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２Ｉの読取ができなかったときに、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２Ａと２Ｂとのコード値を１／２ピッチ分違
えておけば、公称測定誤差を半分（±１／４ピッチ）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、ＣＰＵＩ　３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ピッチ分の補正演算を行えば、実質的に公称誤差±１
／４ピッ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
ラス仮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のビット数（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２八と２Ｂとを標尺１の長手方向に一部オー
バーラッ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ピッ
チ以上にして、Ａ系列のバーコード２人に対して標尺１
の長手方向にオーバーランプさせれば、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ッチｐに近づけて、お互い
のオーバーランプ量を増やし、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
実質的にビンチル相当より高くはならない。第６図の場
合には、１／２ピッ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′
を夫々付加しである。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２人と２Ａ′との各ビットを比較して、
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’の一方のチェック
ビット又はチェックコード（パリティ又はチェックサム
、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
−−−一−−−と増加させてもよい。第８図の３段（２
Ａ〜２Ｃ）の場合には、公称誤差は一系列のピッチｐの
１／３となる。

次に第９図にイメージセンサ９としてＣＣＤ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。

ＣＯＤラインセンサは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及びワイドパー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Ｓ２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２３又はスペース２Ｃの像の中白に少なく
とも２個の受光エレメント３０が含まれれば、パルス信
号ＳＰに基いてコードを読取ることができる。

ＣＯＤラインセンサの解像度及びビット数（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
縮むと考えることかできる。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でもっ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、焦点距離をｆとす
ると、 ＡＢｆ、Ａ−ｆ 用水準儀の場合、標尺までの距離Ａは一般に２ｍ〜１０
０ｍの範囲である。ｆ＝１００ｍ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。従って横巾（バ
ーコード全長）が２Ｏｎ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０．０２００２　
ｆｌ（２０ｐ　ｍ）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、１．０５２６３　ｔｍ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のモジュール数（ナローバー２ａを
１、ワイドパー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はモジュール数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ュール数５０の２倍の１００ビ
ツトである。第９図に示すＣＯＤの受光ニレメン）３０
の間隔を約１０μｍとすると、１００ビット分に対応す
るバーコード像の大きさは約１ｍｌ程必要である。従っ
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中が約１１１
ｍとなり、その総モジュール数５０が約１（ｔｏビット
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、ＣＯＤ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５０１１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
の総ビット数を多くすれば、２０’　Ｏｍ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、シンチレーションによりバーコ
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、ＣＰＵＩ　３は、波形整
形回路１２から人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ッ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５０ｗ〜１韮と変化するので、これらの
関係と像中の計測値とから既知定数の逆比例計算をＣＰ
Ｕ１３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１８にて表示される。

なお像中の計測値に基いて基準距離（例えば５０ｍ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及びワイドパー２ｂの弁別アルゴリズムにおいて、
各測定パルス中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
パルス巾のディジタル値を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
度読取値の差をもっ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３の接
眼レンズ６ｃをのぞいて合焦状態とするようになってい
るが、個人差により合焦点が異なるので、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レベル又はティルティンダ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〕

本発明の高度符号付き標尺及びこれを使用した比高測定
方法によれば、高度値のディジタル直読が可能となり、
比高測定の自動化により測量作業が著しく簡易化され、
また誤計測（桁の読み誤りなど）も少なくなる。

【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ッ
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ォーマット図、第６図〜第８図はバ
ーコード配列の変形例を示す路線図、第９図はイメージ
センサ（ＣＯＤ）上のバーコード結像及びイメージ出力
を示す路線図、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−−−−−−−−・−−−−−−−−−一標尺２−−
−−−−−−−−−−−−−−−ノ〈−コード３−・・
−−一−−−−・−・−・水準儀４−−−−−−−−−
・−−一−−−−−一対物レンズ系５−−−−−−−・
・−・−一−−−−−−平行光束系６・・・−−−−−
−−−−−・−・接眼レンズ系７〜−−−−−−−−・
−−−一−−−−−−ビームスプリンタ８−−−−−−
−−−−−−−−−−−一倍率レンズ系９・−一−−−
−−−・−−−−−一−−・イメージセンサである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高度値に対応させた符号模様を、高度目盛として標
   尺長手方向に沿って一定間隔で付したことを特徴とする
   比高測定用標尺。 ２、上記符号模様が、これを撮像したときに周囲の妨害
   像源と識別し得る識別用符号を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の比高測定用標尺。 ３、高度値に対応させた符号模様を長手方向に高度目盛
   として付して成る標尺を測定点に立て、光学系に撮像手
   段を配した水準儀を水平整準させて上記標尺上の符号模
   様を撮像し、像信号を複号器に与えてその高度値を得て
   、既知高度に対する上記測定点の高度差を算出すること
   を特徴とする比高測定方法。