专利名称：自动测量的数字水准仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动测量的数字水准仪，具体涉及一种能自动跟踪水准尺并自动完成测 量的数字水准仪。
背景技术：
水准测量的基本原理是用水准仪的水平视线照准垂直竖立在两点上的水准尺读数来测定 两点间的高差。
水准测量有光学水准测量和数字水准测量两种方法。
光学水准测量是目前使用的最多、可满足各种等级的水准测量方法，测量时使用光学水 准仪和水准尺。光学水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、外壳和基座组成，望远 镜由物镜、调焦透镜、目镜构成，自动安平水准仪还带有自动安平装置。分划板上在垂直方 向平行等间隔刻有三根水平丝，分别称为上丝、中丝和下丝。光学水准测量用的水准尺是在 尺身上制有等间隔刻划和对刻划的高度的数字标注，为了便于识别等间隔刻划又有几种不同 的图案.用光学水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器调 平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，根据水准仪分划板上的中丝在水准尺上的位置，按 数字标注读取高度的大的读数部分(米和分米)，再根据中丝与水准尺刻划的距离读取小的读 数部分(厘米和毫米，以及小于毫米的部分).根据水准仪分划板上的上丝和下丝读取的读数 ，按相似三角形的原理即可计算水准仪与水准尺的距离。根据不同位置的水准尺的中丝的读 数就可获得不同位置高度的差值.光学水准测量主要山人工完成读数，因此测量的结果会带 有观测者造成的误差，而且速度较慢。由于测量结果记录在纸介质上，这样一方面需要山人 工将数据录入计算机进行计算，这样费时又费力，而且容易出现记录差错。
数字水准测量可满足各种等级的水准测量，测量时使用数字水准仪和条码水准尺。数字 水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、自动安平装置、图像采集装置、计算机、电 源、外壳和基座组成。条码水准尺在尺身上制有按某种方案编码的非等间隔的条码刻划，而 且没有数字标注。用数字水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式 水准器调平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，用计算机控制图像采集装置获得视场中的 水准尺的图像，根据获得的图像、水准尺的编码方案以及相应的处理方法求得高度和距离。由于其测量是由机器自动完成的，因此结果稳定，速度较快。
上述现有技术的不足之处在于现有的水准仪需要至少两个人才能完成测量，其中一个 人负责水准仪的转向、瞄准和调焦等工作，另一人负责将水准尺从一点移动至另一点上。在 人工成本日益高涨的今天，研究一种可以实现单人操作自动测量的数字水准仪有其重要的价 值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水准仪，用于自动跟踪水准尺并自动完成测量的 数字水准仪。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种自动测量的数字水准仪，包括广角摄像处理 系统，用于在水平旋转基座的驱动下四周寻找标尺，然后计算出标尺所在的方位和距离；望 远镜调焦系统，用于根据所述标尺的方位和距离通过水平旋转基座调整朝向，对准标尺后自 动调焦；CCD装置，用于在调焦后通过望远镜调焦系统获取标尺的精确图像；CPU单元，用于 根据所述标尺所在的方位和距离控制水平旋转基座旋转相应的角度以使望远镜调焦系统对准 标尺，然后驱动望远镜调焦系统到相应的焦距上，并获取在CCD装置中形成标尺的图像，最 后计算出该标尺的高程及距离，并存储到存储器中。
进一步，所述广角摄像处理系统包括广角透镜系统、通过广角透镜系统获取图像的图 像传感器和与图像传感器相连的中央处理器；广角摄像处理系统寻找标尺并计算出标尺所在 的方位和距离的方法如下所述中央处理器通过图像传感器连续获取四周图像，直至所述中 央处理器得到一张外界含有标尺的图像时止；所述中央处理器通过图像匹配算法找到标尺并 得到其在照片中的位置坐标
Xl=nl*P，
Yl=n2*P，
其中，P为图像传感器的一个像素宽度，则可以计算出标尺在水平方向上的方位角即所 述方位e = ((Xl-0. 5*N*P)/ 0. 5*N*P)* a，其中，N是图像传感器的水平像素数，a为广 角透镜系统中镜头的广角角度；根据标尺的图像在照片中的长宽所占的像素n3，n4可以计算 出标尺所在的距离L=(H/n3*P>L'，其中H为标尺实际高度，L'为摄像机光学系统的放大 系数。
进一步，使用的标尺上的图案是黑白相间的条码；为确保自动测量的进度，CPU单元控 制准标尺调焦时，CPU单元多次驱动水平旋转基座及望远镜调焦系统，并在CCD装置中得到相对应的图像，CPU单元通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度， 以判断出最佳的调焦位置，从而将望远镜调焦系统调焦到最佳位置。
作为另一种自动测量的数字水准仪，使用的标尺上设有用于检测标尺所在位置的GPS接 收机和用于将检测标尺的位置信息以无线信号发出的无线信号发射装置；水准仪包括用于 接收所述无线信号并得出所述标尺的位置信息的无线信号接收器、用于检测水准仪所在位置 的GPS接收机、CPU单元、水平旋转基座、望远镜调焦系统和CCD装置；CPU单元根据水准仪所 在位置的信息、所述标尺的位置信息，计算出标尺相对水准仪所在的方位和距离，然后根据 该方位和距离通过水平旋转基座调整望远镜调焦系统的朝向，然后控制望远镜调焦系统自动 调焦，并获取在CCD装置中形成标尺的图像，最后计算出该标尺的高程及距离，并存储到存 储器中。其中，使用的标尺上的图案是黑白相间的条码；CPU单元控制准标尺调焦时，CPU单 元多次驱动水平旋转基座及望远镜调焦系统，并在CCD装置中得到相对应的图像，CPU单元通 过比较不同调焦位置上的图像的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将望远镜调焦系统 调焦到最佳位置。
作为第三种自动测量的数字水准仪，使用的标尺上设有激光反射膜或激光反射涂层；水 准仪包括设于水平旋转基座上的激光发射和接收系统，用于在水平旋转基座旋转时发射激 光并接收反射光线，以确定标尺所在的方位和距离；水准仪还包括CPU单元、望远镜调焦 系统和CCD装置；CPU单元根据所述标尺的方位和距离控制水平旋转基座转动至该方位，并控 制望远镜调焦系统自动调焦，并获取在CCD装置中形成标尺的图像，最后计算出该标尺的高 程及距离，并存储到存储器中。其中，使用的标尺上的图案是黑白相间的条码；CPU单元控 制准标尺调焦时，CPU单元多次驱动水平旋转基座及望远镜调焦系统，并在CCD装置中得到相 对应的图像，CPU单元通过比较不同调焦位置上的图像的对比度，以判断出最佳的调焦位置 ，从而将望远镜调焦系统调焦到最佳位置。
本发明具有积极的效果(1)本发明的第一种方案中的水准仪在使用时，广角摄像处 理系统在水平旋转基座的驱动下四周寻找标尺，当在A位置找到标尺后，计算出标尺所在的 不精确的位置信息(包括具体方位角和距离参数)。然后通过水平旋转基座调控制远镜调焦 系统朝向A位置，对准标尺后自动调焦；CPU单元通过获取在CCD装置中形成标尺的图像，计 算出该标尺的精确的位置信息(包括高程及距离信息)，并存储到存储器中；在将标尺移到B位置后，采用同样的方式获取标尺在B位置的位置信息，最后通过比较A、 B两点上的相关数 据即可得出两点间的高差。(2)为得到最佳的调焦位置，CPU单元多次驱动水平旋转基座， 以连续微调望远镜调焦系统对准标尺的角度，并通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑 白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，如图4，此时准标尺的图像在CCD的中央 处成像，从而将测量误差降至最低。(3)第二种方案中的水准仪在使用时，通过GPS定位系 统确定水准仪与标尺的相对位置，然后控制远镜调焦系统对准标尺进行调焦，最后CPU单元 通过获取在CCD装置中形成标尺的图像，计算出该标尺的精确的位置信息；该方法适于较大 距离的测量。(4)第二种方案中的水准仪，利用激光直线传播的原理，使用的标尺上设有 激光反射膜或激光反射涂层；水准仪使用时适于同时发射和接收激光，从而找出标尺所在的 大致位置，，然后控制远镜调焦系统对准标尺进行调焦，最后CPU单元通过获取在CCD装置中 形成标尺的图像，计算出该标尺的精确的位置信息。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发 明作进一步详细的说明，其中
图1为实施例中的数字水准仪和将A位置的标尺移至UB位置，并自动重新照准、测量、记 录的示意图2为实施例中的数字水准仪的结构框图3为实施例中的广角摄像处理系统的成像示意图4为实施例中望远镜调焦系统调焦到最佳位置时在CCD装置中形成的图像； 图5为实施例中的自动测量的数字水准仪的高程、距离的计算流程图； 图6为实施例中的视距L的计算的参考图。
具体实施方式
(实施例l)
见图l-6，本发明的一种自动测量的数字水准仪，包括广角摄像处理系统l，用于在水 平旋转基座3的驱动下四周寻找标尺a，然后计算出标尺a所在的方位和距离；望远镜调焦系 统4，用于根据所述标尺a的方位和距离通过水平旋转基座3调整朝向，对准标尺a后自动调焦 ;CCD装置5，用于在调焦后通过望远镜调焦系统4获取标尺a的精确图像；CPU单元2，用于根 据所述标尺a所在的方位和距离控制水平旋转基座3旋转相应的角度以使望远镜调焦系统4对准标尺a，然后驱动望远镜调焦系统4到相应的焦距上，并获取在CCD装置5中形成标尺a的图 像，最后计算出该标尺a的高程及距离，并存储到存储器中。
所述广角摄像处理系统l包括广角透镜系统、通过广角透镜系统获取图像的图像传感 器和与图像传感器相连的中央处理器；广角摄像处理系统l寻找标尺a并计算出标尺a所在的 方位和距离的方法如下所述中央处理器通过图像传感器连续获取四周图像，直至所述中央 处理器得到一张外界含有标尺a的图像时止；所述中央处理器通过图像匹配算法找到标尺a并 得到其在照片中的位置坐标
Xl=nl*P，
Yl=n2*P，
其中，P为图像传感器的一个像素宽度，则可以计算出标尺a在水平方向上的方位角即所 述方位e = ((Xl-0. 5*N*P)/ 0. 5*N*P)* a ，其中，N是图像传感器的水平像素数，a为广 角透镜系统中镜头的广角角度；根据标尺a的图像在照片中的长宽所占的像素n3，n4可以计算 出标尺a所在的距离L=(H/n3*P>L'，其中H为标尺实际高度，L'为摄像机光学系统的放 大系数。
使用的标尺a上的图案是黑白相间的条码；CPU单元2控制准标尺a调焦时，CPU单元2多次 驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统4，并在CCD装置5中得到相对应的图像，CPU单元2通过 比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置， 从而将望远镜调焦系统4调焦到最佳位置。
见图2，使用时广角摄像处理系统l可在0.5 500m的范围识别出水准仪的标尺，并计算 出其所在的位置(包括距离、方位角)，并将位置数据传输给CPU单元2， CPU单元2输出信号 ，驱动水平旋转基座3旋转并对准水准仪标尺，同时驱动望远镜调焦系统4到给定的距离上， 此时在CCD装置5中就会形成标尺a的图像，通过放大器6、模数转换器7将信号传输到CPU单元 2， CPU单元2可以通过计算多次驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统(4)以得到最佳的图 像，然后再计算处标尺处的高程及距离存储到存储器中。通过比较A、 B两点上的相关数据即 可得出两点间的高差，并通过显示器显示。
见图3，广角摄像机中的图像，可以根据此图像计算出标尺a的方位角a及距离L;见图 4，可以CCD装置5中的图像，计算对焦的精度、距离L及高程H。其中，视距计算公式 L=f*H/X+C ，式中，L:仪器至标尺的距离；f:水准仪望远镜的焦距；H:条码的宽度；X :条码在CCD上的成像宽度；C:修正常数。(实施例2)
在实施例l的基础上，本实施例的自动测量的数字水准仪具有如下变形 使用的标尺a上设有激光反射膜或激光反射涂层；水准仪b包括设于水平旋转基座3上 的激光发射和接收系统，用于在水平旋转基座3旋转时发射激光并接收反射光线，以确定标 尺a所在的方位和距离；水准仪b还包括CPU单元2、望远镜调焦系统4和CCD装置5; CPU单元 2根据所述标尺a的方位和距离控制水平旋转基座3转动至该方位，并控制望远镜调焦系统4自 动调焦，并获取在CCD装置5中形成标尺a的图像，最后计算出该标尺a的高程及距离，并存储 到存储器中。
其中，使用的标尺a上的图案是黑白相间的条码；CPU单元2控制准标尺a调焦时，CPU单 元2多次驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统4，并在CCD装置5中得到相对应的图像，CPU单 元2通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调 焦位置，从而将望远镜调焦系统4调焦到最佳位置。
(实施例3)
在实施例l的基础上，本实施例的自动测量的数字水准仪具有如下变形
使用的标尺a上设有用于检测标尺a所在位置的GPS接收机和用于将检测标尺a的位置信息 以无线信号发出的无线信号发射装置。
水准仪b包括用于接收所述无线信号并得出所述标尺a的位置信息的无线信号接收器、 用于检测水准仪b所在位置的GPS接收机、CPU单元2、水平旋转基座3、望远镜调焦系统4和 CCD装置5; CPU单元2根据水准仪b所在位置的信息、所述标尺a的位置信息，计算出标尺a相 对水准仪b所在的方位和距离，然后根据该方位和距离通过水平旋转基座3调整望远镜调焦系 统4的朝向，然后控制望远镜调焦系统4自动调焦，并获取在CCD装置5中形成标尺a的图像， 最后计算出该标尺a的高程及距离，并存储到存储器中。
其中，使用的标尺a上的图案是黑白相间的条码；CPU单元2控制准标尺a调焦时，CPU单 元2多次驱动水平旋转基座3及望远镜调焦系统4，并在CCD装置5中得到相对应的图像，CPU单 元2通过比较不同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调 焦位置，从而将望远镜调焦系统4调焦到最佳位置。
所述GPS接收机的主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪 这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离 和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等 信息。
(实施例4)
在实施例2的基础上，本实施例的自动测量的数字水准仪具有如下变形 作为另一种实施方式，水准仪b中的CPU单元2可以直接根据在A位置的标尺a发送来的的
GPS信号和在B位置的标尺a发送来的GPS信号，直接计算出所在位置的GPS信号计算出A、 B两
点的高差，并通过显示器显示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明 的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明 的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1、一种自动测量的数字水准仪，其特征在于包括广角摄像处理系统(1)，用于在水平旋转基座(3)的驱动下四周寻找标尺(a)，然后计算出标尺(a)所在的方位和距离；望远镜调焦系统(4)，用于根据所述标尺(a)的方位和距离通过水平旋转基座(3)调整朝向，对准标尺(a)后自动调焦；CCD装置(5)，用于在调焦后通过望远镜调焦系统(4)获取标尺(a)的精确图像；CPU单元(2)，用于根据所述标尺(a)所在的方位和距离控制水平旋转基座(3)旋转相应的角度以使望远镜调焦系统(4)对准标尺(a)，然后驱动望远镜调焦系统(4)到相应的焦距上，并获取在CCD装置(5)中形成标尺(a)的图像，最后计算出该标尺(a)的高程及距离，并存储到存储器中。
2、 根据权利要求l所述的自动测量的数字水准仪，其特征在于所述广角摄像处理系 统(1)包括广角透镜系统、通过广角透镜系统获取图像的图像传感器和与图像传感器相 连的中央处理器；广角摄像处理系统(1)寻找标尺(a)并计算出标尺(a)所在的方位和距离的方法如下所述中央处理器通过图像传感器连续获取四周图像，直至所述中央处理器得到一张外 界含有标尺(a)的图像时止；所述中央处理器通过图像匹配算法找到标尺(a)并得到其在照片中的位置坐标Xl=nl*P，Yl=n2*P，其中，P为图像传感器的一个像素宽度，，则可以计算出标尺(a)在水平方向上的方位角即所述方位<formula>formula see original document page 3</formula>其中，N是图像传感器的水平像素数，a为广角透镜系统中镜头的广角角度；根据标尺(a)的图像在照片中的长宽所占的像素n3，n4可以计算出标尺(a)所在的距 离XH/n3补)礼'，其中H为标尺实际高度，L'为摄像机光学系统的放大系数。
3、 根据权利要求1或2所述的自动测量的数字水准仪，其特征在于 使用的标尺(a)上的图案是黑白相间的条码；CPU单元(2)控制准标尺(a)调焦时，CPU单元(2)多次驱动水平旋转基座(3)及 望远镜调焦系统(4)，并在CCD装置(5)中得到相对应的图像，CPU单元(2)通过比较不 同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将 望远镜调焦系统(4)调焦到最佳位置。
4、 一种自动测量的数字水准仪，其特征在于使用的标尺(a)上设有用于检测标尺 (a)所在位置的GPS接收机和用于将检测标尺(a)的位置信息以无线信号发出的无线信号发射装置；水准仪(b)包括用于接收所述无线信号并得出所述标尺(a)的位置信息的无线信 号接收器、用于检测水准仪(b)所在位置的GPS接收机、CPU单元(2)、水平旋转基座(3 )、望远镜调焦系统(4)和CCD装置(5);CPU单元(2)根据水准仪(b)所在位置的信息、所述标尺(a)的位置信息，计算出 标尺(a)相对水准仪(b)所在的方位和距离，然后根据该方位和距离通过水平旋转基座( 3)调整望远镜调焦系统(4)的朝向，然后控制望远镜调焦系统(4)自动调焦，并获取在 CCD装置(5)中形成标尺(a)的图像，最后计算出该标尺(a)的高程及距离，并存储到存 储器中。
5、 根据权利要求4所述的自动测量的数字水准仪，其特征在于 使用的标尺(a)上的图案是黑白相间的条码；CPU单元(2)控制准标尺(a)调焦时，CPU单元(2)多次驱动水平旋转基座(3)及 望远镜调焦系统(4)，并在CCD装置(5)中得到相对应的图像，CPU单元(2)通过比较不 同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将 望远镜调焦系统(4)调焦到最佳位置。
6、 一种自动测量的数字水准仪，其特征在于 使用的标尺(a)上设有激光反射膜或激光反射涂层；水准仪(b)包括设于水平旋转基座(3)上的激光发射和接收系统，用于在水平旋 转基座(3)旋转时发射激光并接收反射光线，以确定标尺(a)所在的方位和距离；水准仪(b)还包括CPU单元(2)、望远镜调焦系统(4)和CCD装置(5);CPU单元(2)根据所述标尺(a)的方位和距离控制水平旋转基座(3)转动至该方位 ，并控制望远镜调焦系统(4)自动调焦，并获取在CCD装置(5)中形成标尺(a)的图像， 最后计算出该标尺(a)的高程及距离，并存储到存储器中。
7、 根据权利要求6所述的自动测量的数字水准仪，其特征在于 使用的标尺(a)上的图案是黑白相间的条码；CPU单元(2)控制准标尺(a)调焦时，CPU单元(2)多次驱动水平旋转基座(3)及 望远镜调焦系统(4)，并在CCD装置(5)中得到相对应的图像，CPU单元(2)通过比较不 同调焦位置上的图像中的所述黑白相间的条码的对比度，以判断出最佳的调焦位置，从而将 望远镜调焦系统(4)调焦到最佳位置。
全文摘要
本发明涉及一种能自动跟踪水准尺并自动完成测量的数字水准仪，其包括广角摄像处理系统，用于在水平旋转基座的驱动下四周寻找标尺，然后计算出标尺所在的方位和距离；望远镜调焦系统，用于根据所述标尺的方位和距离通过水平旋转基座调整朝向，对准标尺后自动调焦；CCD装置，用于在调焦后通过望远镜调焦系统获取标尺的精确图像；CPU单元，用于根据所述标尺所在的方位和距离控制水平旋转基座旋转相应的角度以使望远镜调焦系统对准标尺，然后驱动望远镜调焦系统到相应的焦距上，并获取在CCD装置中形成标尺的图像，最后计算出该标尺的高程及距离，并存储到存储器中。
文档编号G01C5/02GK101666642SQ20091030780
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月27日 优先权日2009年9月27日
发明者丁家巍, 陈圣红 申请人:常州市新瑞得仪器有限公司