专利名称：数字水准测量系统、方法、复合编码水准标尺及其生产方法
技术领域：
本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种复合编码水准标尺及其生产方法和使用该复合编码水准标尺的数字水准测量系统和方法。
背景技术：
数字水准测量仪器一般由编码水准标尺和水准仪组成，为实现水准测量读数自动化和高精度，水准标尺的编码设计至关重要，水准仪通过对编码水准标尺的照准并获取标尺图像，通过解码获得水准仪水平视线在水准标尺上高度的精确读数。当前有多款数字水准仪，如瑞典海克斯康公司的徕卡DNA系列(原徕卡测量系统有限公司)、美国天宝公司的DINI系列(原德国蔡司公司)、日本拓普康公司的DL系列等，国内武汉大学也设计数字水准 仪；当前所有数字水准标尺都是基于不同的条型码为基础设计，使用线型CCD获取图像并解码。从数字水准仪的工作原理可知，水准测量时通过标尺条码的条和空的宽度变化以及纵向排列来传载信息，则条形码的条码编码规则与测量精度直接相关，这样若是想要得到高精度的水准标尺，对水准标尺的线码刻划要求精度很高达微米级，生产工艺要求高，生产成本高，因此售价高，且每支标尺的误差不一致；标尺上的不均匀照明如树的阴影会严重影响仪器正常工作，制约了数字水准标尺的发展。当前各类数字水准仪是根据编码标尺影像在线阵CCD探测器上的位置和比例进行测量的。当望远镜照准条码标尺后，编码标尺上宽度不同的条码通过望远镜分划板成像到像平面上的线阵CCD探测器上，CCD探测器将黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号，随后转化成电信号，经整形后进入模数转换系统(A / D)，从而输出数字信号送入微处理器，经仪器内部的数字图象处理，形成测量信息；再将编码标尺的测量信息与已存贮的参考信息按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数，即CCD中丝处标尺条码图像的高度之，其过程如图I所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合编码水准标尺及其生产方法，以解决现有的高精度数字水准标尺对生产工艺要求过高所带来的问题。本发明的另一目的是提供一种数字水准测量系统和方法，以实现对标尺的精确读数。为实现上述目的，本发明的复合编码水准标尺技术方案如下该标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，所述精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆的圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到。进一步的，所述读数区包括数字标注区和/或粗码区，该粗码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的编码块，且每个编码块均等分为MXN个矩形格，其中M、N为正整数，编码块内各矩形格通过填充不同颜色来表示0、1用于二进制编码，编码块的四边设有用于编码块定位的标示框，所述数字标注区内竖直方向设有间隔相等、大小相同的矩形框，且各矩形框内设置自然数。进一步的，所述数字标注区设置的自然数表示距离标尺底面的高度，所述粗码区内的二进制编码表示该编码块距离标尺底面的数值，且数字标注区的各矩形框设置间隔大于粗码区的各编码块的设置间隔。进一步的，所述标尺的尺面采用黑白两种颜色来突出显示标示圆及读数区读数。进一步的，所述标尺的尺面底色为白色，标示圆为黑色，粗码区的编码块的标示框为黑色，矩形格分别用黑、白表示1、0，数字标注区的矩形框为黑底白字。为实现发明目的，本发明的复合编码水准标尺的生产方法技术方案如下一、二等水准测量的水准标尺为高精度铟钢尺，三、四等水准测量的水准标尺为普通标尺，水准标尺的生产方法如下
(I)高精度铟钢尺分铟钢带尺和辅助基尺两部分，铟钢带尺采用固定宽度和厚度的铟钢带，表面先喷涂白色涂层，采用模板复制的方式进行生产，模板采用长2m或3m、宽度与铟钢带尺一致、一定厚度的铟钢制作，按精码区内各标示圆的布设结构使用精密数控机床钻孔，孔边缘坡度为45°，孔的直径为标示圆直径，复制铟钢带尺的精码区时，模板与标尺铟钢带片紧密叠合，使用激光刻画或涂料喷涂将模板的圆孔复制到铟钢带上；读数区的模板采用不锈钢制作，采用涂料喷涂或激光刻画方式复制到铝合金辅助基尺上；普通标尺的生产同样采用模板复制的方式进行，将所有精码区和读数区的编码刻制在一条钢板上，整体复制到辅助基尺上；(2)采用精密摄影测量系统进行标定，以O. Olmm精度标定每个标示圆的中心距标尺底面的距离及相邻两圆心之间的距离得到相应的修正值，该修正值供数字水准仪解码时改正，以达到高精度目的。为实现发明目的，本发明的数字水准测量系统包括水准仪，该水准仪包括望远镜、分光镜、分划板、目镜、处理器和显示器，该系统还包括与水准仪配合使用的复合编码水准标尺，所述水准仪还包括面阵CCD用于获取所述水准标尺的图像，并上传给处理器进行处理得到测量结果；所述复合编码水准标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，所述精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆的圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到。进一步的，所述读数区包括数字标注区和/或粗码区，该粗码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的编码块，且每个编码块均等分为MXN个矩形格，其中M、N为正整数，编码块内各矩形格通过填充不同颜色来表示0、1用于二进制编码，编码块的四边设有用于编码块定位的标示框，所述数字标注区内竖直方向设有间隔相等、大小相同的矩形框，且各矩形框内设置自然数。为实现发明目的，本发明的数字水准测量方法的步骤如下(I)将水准仪和复合水准标尺分别设于固定位置构成数字水准测量系统，用数字水准仪获取对准后的水准标尺图像，去除背景后提取距离图像中心最近的读数区图像；(2)确定最近的读数区图像的编码含义；(3)根据读数区图像的编码含义计算读数区图像所处的位置，并结合读数区与精码区的相对位置关系，给出视场内每个圆心所处的位置；(4)由视场内各圆心所处的位置计算得到任意两圆心之间的中点位置及物像比计算得到该任两圆心之间的中点到中丝的距离，视场内该任两圆心之间的中点到标尺底部的高度减去该两圆心之间的中点到中丝的距离，即得到视线高度。进一步的，不考虑标尺模板误差修正值时，所述视线高度的计算公式为h=k(Ci+(j-i)/2)-A(XjIXi)/2,其中 A= (j-i) V(Xj-Xi)；式中=Ci是第i个圆心距离标尺底部数起的序号，可由读数区解译判读出来，k为相邻两圆心间距离；k(Ci+(j-i)/2)是标尺上第i个圆心至第j圆心中点到标尺底面的距离；A(\+Xi)/2是标尺第i个圆心至第j圆心边线中点到中丝的距离；当考虑标尺模板误差改正数时，视线高度的计算公式为
h=kCi+ δ i+k(j-i)/2+ δ "/2)-A (xj+xj/2,其中 A=((j_i)k+ δ υ) / (Xj-Xi)上式中S i是第i个圆圆心距标尺底面的标称长度与标定实际长度的差值，δ ,j是第i个圆圆心距第j个圆圆心的标称长度与标定实际长度的差值。本发明的复合编码水准标尺分别设置精码区和读数区，精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到，这种使用圆心位置表示标尺高度使得仪器距标尺的远近对读数精度的影响很小可以忽略，这种设置结构简单，易于实现。本发明的复合编码水准标尺的生产方法，使用模板复制形式生产复合编码水准标尺可以使每支标尺具有高度一致性，从而可以采用对模板进行高精度标定，使用数学模型进行改正的方法保证高精度读数，同时简化生产工艺，降低成本；仪器系统可以满足国家一、二等水准测量标准；且高精度铟钢尺使用铟钢带作为基尺，配合高分辨率面阵CCD可达到O. Olmm分辨率。生产时只要保证标尺一致性，测量时可以通过改正数修正的方法保证测量的高精度，从而可以降低标尺生产精度要求，简化生产工艺，降低生产成本。本发明的数字水准测量系统和方法，使用标示圆编码配合面阵CCD对距离远近有比较均匀的精度，读数使用的有效标尺区间为主光轴上下各IOcm左右，有利于避开视线障碍；每个标示圆独立，只要视场内有两个或以上标示圆的圆心可以正确提取就可以实现正确读数，在标尺上有不均匀阴影时可以有效读数。
图I是现有的数字水准仪图像获取与读数原理图；图2是本发明实施例的数字水准测量系统图；图3是本发明实施例的标尺编码分区图；图4是本发明实施例的复合编码标尺基本结构片图；图5是本发明实施例的标尺生产工艺流程示意图；图6是精码生广模板片段不意图；图7是精码读数原理不意图。
具体实施例方式一、复合编码水准标尺复合编码水准标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到。读数区可以包括数字标注区、粗码区或者数字标注区和粗码区，该粗码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的编码块，且每个编码块均等分为MXN个矩形格，其中M、N为正整数，编码块内各矩形格通过填充不同颜色来表示O、I用于二进制编码，编码块的四边设有用于编码块定位的标示框，数字标注区内竖直方向设有间隔相等、大小相同的矩形框，且各矩形框内设置自然数。数字标注区设置的自然数表示距离标尺底面的高度，粗码区内的二进制编码表示该编码块距离标尺底面的数值，且数字标注区的各矩形框设置间隔大于粗码区的各编码块的设置间隔。标尺的尺面采用黑白两种颜色来突出显示标示圆及读数区读数。标尺的尺面底色为白色，标示圆为黑色，粗码区的编码块的标示框为黑色，矩形格分别用黑、白表示1、0，数字标注区的矩形框为黑底白字。
以读数区包括数字标注区和粗码区为例来进一步说明符合编码水准标尺，如图3、4所示，标尺长度可根据需要制作成2米或3米，标尺的尺面上横向依次设有数字标注区3、精码区I和粗码区2。标尺的底色为白色，精码区位于标尺横向中心位置，以直径为5mm、圆心间距5mm或直径10mm、圆心间距IOmm的黑色标示圆直线排列，制作适应一、二等水准测量的标尺时，精码区为相对独立的铟钢带尺；制作适应三、四等水准测量标尺时，精码区、数字标注区和粗码区在同一铝合金或玻璃钢基尺上。粗码区位于标尺的右侧，以长20mm宽15mm间隔5mm的编码块组成，每个编码块均等分为MXN个矩形格，以黑表示I、白表示O的二进制进行编码，用以表示其所在的位置，即离标尺底面的位数，编码块的四边设有黑色标示框用以块定位，不参与编码，数字标注区每IOcm标注一个黑底白字的矩形框，框中数字表示框底边线距离标尺底面距离的分米数，人工光学观测时使用，也用于长距离时的粗读数。使用圆心位置表示标尺高度，好处是其一，仪器距标尺的远近对读数精度的影响可以忽略；其二，读数使用的有效标尺区间为主光轴上下各IOcm左右，有利于避开视线障碍；其三，每个圆点独立，只要视场内有两个或以上圆心可以正确提取就可以实现正确读数，在标尺上有不均匀阴影时可以有效读数；其四，圆心间距可以精确测量，生产时只要保证标尺一致性，测量时可以通过改正数修正的方法保证测量的高精度，从而可以降低标尺生产精度要求，简化生产工艺，降低生产成本。二、复合编码水准标尺的生产方法为了适应不同等级水准测量需求，控制产品生产成本，一、二等水准标尺和三、四等水准标尺采用不同的生产工艺，分别为高精度铟钢尺和普通标尺。主要生产工艺流程如图4所示。I)高精度铟钢尺的生产高精度铟钢水准标尺分两部分，铟钢带尺和辅助基尺，铟钢带采用宽20mm-30mm，厚度Imm左右的铟钢带，表面先喷涂白色涂层，采用模板复制的方式进行生产，模板采用长3000mm、宽度与铟钢带尺一致、厚Imm至2mm的铟钢制作，按精码结构使用精密数控机床钻孔。孔边缘坡度为45°，孔的直径为标示圆直径，如直径5mm、间距5mm如图5所示。复制精码带尺时，模板与标尺铟钢带片紧密叠合，使用激光刻画或涂料喷涂将模板的圆孔复制到铟钢带上。辅助基尺两端加装挂铟钢带的装置，并使铟钢带尺与辅助基尺对齐，使用一般常用的成熟组合方式。数字标注与粗码的模板采用不锈钢制作，采用涂料喷涂或激光刻画方法复制到铝合金辅助基尺上。2)普通标尺生产普通标尺的生产同样采用模板复制的方式进行，所不同的是使用整体编码模板，即将所有编码刻制在一条钢板上，整体复制到基尺上。 3 )模板标定补偿技术在加工模板过程中会引入误差，对模板制造 要求过高会提高生产成本或遇到技术瓶颈，采用一般机床加工模板时，圆点中心距离会有一定的误差，模板的误差会带到每一支标尺，因此采用精密摄影测量系统进行标定，以O. Olmm精度标定每个圆中心距标尺底面的距离及相邻两圆心之间的距离，修正值供数字水准仪解码时改正，以达到高精度目的。三、数字水准测量系统数字水准测量系统如图6所示，该系统包括复合编码水准标尺和其配合使用的水准仪，复合编码水准标尺的结构如上面的第一部分所述，水准仪包括望远镜、分光镜、分划板、目镜、面阵CCD、处理器和显示器，面阵CCD用于获取所述水准标尺的图像，并上传给处理器进行处理得到测量结果，水准仪包括的其余各器件所起作用与现有技术中的作用相同，在此不再赘述。四、数字水准测量方法数字水准测量方法的步骤如下(I)将水准仪和复合编码水准标尺分别设于固定位置构成数字水准测量系统，用数字水准仪的高分辨率CCD获取对准后的水准标尺图像，去除背景后提取距离图像中心最近的读数区图像；该处所使用的复合编码水准标尺结构即为第一部分所述的包括有数字标注区、精码区和粗码区的标尺；读数使用的有效标尺区间为主光轴上下各IOcm左右，有利于避开视线障碍，每个圆点独立，只要视场内有两个或以上圆心可以正确提取就可以实现正确读数，在标尺上有不均匀阴影时也可以有效读数；(2)根据数字标注区和粗码区的设置规律，确定最近的粗码区图像的编码含义；(3)根据精码区图像的编码含义计算读数区图像所处的位置，并结合粗码区与精码区的相对位置关系，给出视场内每个圆心所处的位置；(4)由视场内各圆心所处的位置计算得到任意两圆心之间的中点位置及物像比计算得到该任两圆心之间的中点到中丝的距离，视场内该任两圆心之间的中点到标尺底部的高度减去该两圆心之间的中点到中丝的距离，即得到视线高度。将图像纵向M等分，横向N等分，判断各子块的色彩属性，黑表示I、白表示0，然后根据编码计算该编码块所处位置，将粗码位置的结果根据该精编码块与精码的相对位置关系，给视场内每个圆心计算所处位置。如图6所示，Bi为标尺面某圆圆心、Bi+1为上边相邻圆圆心士为Bi上方某个圆的圆心(j>i)它们在CXD上的成像为匕、bi+:和bj;它们到主光轴(中丝)的距离分别用Xi、xi+1和Xj表示，由于CXD像素的宽度是已知的，每两圆心距离在CXD上所占像数的个数可以由CXD输出的图像中通过计算得到，故可以算出Xi和Xj，也就是说，Xi和Xj是计算视线高的已知数，它们在光轴之上为负，在光轴之下为正，如果在标尺上看则相反。设k为参与计算的两圆圆心间距离，用第i个圆心至j圆心间距来测量时，物像比为A，即两圆心间实际距离与该间距在CXD上成像之比，由图7的相似三角形求得A= (j-i) V(Xj-Xi)(I)于是视线高读数为h=k (Ci+(j_i)/2)-A (xj+xj/2(2)式中=Ci是第i个圆心距离标尺底部数起的序号，可由粗码解译判读出来。式(2)右边两部分的几何意义已经标注在图6中，SP :k(Ci+(j_i)/2)是标尺上第i个圆心至第j圆心中点到标尺底面的距离。
A(Xj+Xi)/2是标尺第i个圆心至第j圆心边线中点到仪器主光轴，也就是至视准轴的距离。为了提高测量精度，最多取N对圆心间距平均来计算，也就是最多取标尺中丝上下各IOcm的范围，即20个圆心进行组合，取平均来计算最终视线高读数结果。当考虑标尺模板误差改正数时，(I)可以表达为A= ((j-i)k+δ ^V(Xj-Xi)(3)h=kCj+ δ j+k (j—i) /2+ δ 1./2) —A (Xj+Xj) /2(4)(3)、(4)式中δ i是第i个圆圆心距标尺底面的标称长度与标定实际长度的差值，δu是第i个圆圆心距第j个圆圆心的标称长度与标定实际长度的差值。
权利要求
1.一种复合编码水准标尺，其特征在于该标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，所述精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆的圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到。
2.根据权利要求I所述的复合编码水准标尺，其特征在于所述读数区包括数字标注区和/或粗码区，该粗码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的编码块，且每个编码块均等分为MXN个矩形格，其中M、N为正整数，编码块内各矩形格通过填充不同颜色来表示0、1用于二进制编码，编码块的四边设有用于编码块定位的标示框，所述数字标注区内竖直方向设有间隔相等、大小相同的矩形框，且各矩形框内设置自然数。
3.根据权利要求2所述的复合编码水准标尺，其特征在于，所述数字标注区设置的自然数表示距离标尺底面的高度，所述粗码区内的二进制编码表示该编码块距离标尺底面的数值，且数字标注区的各矩形框设置间隔大于粗码区的各编码块的设置间隔。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合编码水准标尺，其特征在于所述标尺的尺面采用黑白两种颜色来突出显示标示圆及读数区读数。
5.根据权利要求4所述的复合编码水准标尺，其特征在于所述标尺的尺面底色为白色，标示圆为黑色，粗码区的编码块的标示框为黑色，矩形格分别用黑、白表示1、0，数字标注区的矩形框为黑底白字。
6.—种如权利要求I所述复合编码水准标尺的生产方法，一、二等水准测量的水准标尺为高精度铟钢尺，三、四等水准测量的水准标尺为普通标尺，其特征在于，水准标尺的生产方法如下 (1)高精度铟钢尺分铟钢带尺和辅助基尺两部分，铟钢带尺采用固定宽度和厚度的铟钢带，表面先喷涂白色涂层，采用模板复制的方式进行生产，模板采用长2m或3m、宽度与铟钢带尺一致、一定厚度的铟钢制作，按精码区内各标示圆的布设结构使用精密数控机床钻孔，孔边缘坡度为45°，孔的直径为标示圆直径，复制铟钢带尺的精码区时，模板与标尺铟钢带片紧密叠合，使用激光刻画或涂料喷涂将模板的圆孔复制到铟钢带上；读数区的模板采用不锈钢制作，采用涂料喷涂或激光刻画方式复制到铝合金辅助基尺上； 普通标尺的生产同样采用模板复制的方式进行，将所有精码区和读数区的编码刻制在一条钢板上，整体复制到辅助基尺上； (2)采用精密摄影测量系统进行标定，以O.Olmm精度标定每个标示圆的中心距标尺底面的距离及相邻两圆心之间的距离得到相应的修正值，该修正值供数字水准仪解码时改正，以达到高精度目的。
7.一种数字水准测量系统，该系统包括水准仪，该水准仪包括望远镜、分光镜、分划板、目镜、处理器和显示器，其特征在于，该系统还包括与水准仪配合使用的复合编码水准标尺，所述水准仪还包括面阵CCD用于获取所述水准标尺的图像，并上传给处理器进行处理得到测量结果；所述复合编码水准标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，所述精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆的圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到。
8.根据权利要求7所述的数字水准测量系统，其特征在于所述读数区包括数字标注区和/或粗码区，该粗码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的编码块，且每个编码块均等分为MXN个矩形格，其中M、N为正整数，编码块内各矩形格通过填充不同颜色来表示0、1用于二进制编码，编码块的四边设有用于编码块定位的标示框，所述数字标注区内竖直方向设有间隔相等、大小相同的矩形框，且各矩形框内设置自然数。
9.一种数字水准测量方法，其特征在于，该方法的步骤如下 (1)将水准仪和复合水准标尺分别设于固定位置构成数字水准测量系统，用数字水准仪获取对准后的水准标尺图像，去除背景后提取距离图像中心最近的读数区图像； (2)确定最近的读数区图像的编码含义； (3)根据读数区图像的编码含义计算读数区图像所处的位置，并结合读数区与精码区的相对位置关系，给出视场内每个圆心所处的位置； (4)由视场内各圆心所处的位置计算得到任意两圆心之间的中点位置及物像比计算得到该任两圆心之间的中点到中丝的距离，视场内该任两圆心之间的中点到标尺底部的高度减去该两圆心之间的中点到中丝的距离，即得到视线高度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，不考虑标尺模板误差修正值时，所述视线高度的计算公式为 l^kiX^+G-D/^-AUj+Xi)/^,其中 A=(j-i)k/(Xj-Xi)； 式中=Ci是第i个圆心距离标尺底部数起的序号，可由读数区解译判读出来，k为相邻两圆心间距离；k(Ci+(j-i)/2)是标尺上第i个圆心至第j圆心中点到标尺底面的距离；A(XfXi)/2是标尺第i个圆心至第j圆心边线中点到中丝的距离； 当考虑标尺模板误差改正数时，视线高度的计算公式为h=kCi+ δ i+k(j-i)/2+ δ "/2) _Α (χ」+χ)/2,其中 A=((j_i)k+ δ u) / (Xj-Xi) 上式中S i是第i个圆圆心距标尺底面的标称长度与标定实际长度的差值，δ ,j是第i个圆圆心距第j个圆圆心的标称长度与标定实际长度的差值。
全文摘要
本发明涉及数字水准测量系统、方法、复合编码水准标尺及其生产方法，复合编码水准标尺的尺面上横向设有精码区和读数区，所述精码区内竖直方向设有间隔相等、大小相同且单列排布的标示圆，各标示圆的圆心距离标尺底面的位置可通过对应设置的读数区计算得到；本发明这种设置结构简单，易于实现，生产工艺中使用模板复制形式生产复合编码水准标尺可以使每支标尺具有高度一致性，从而可以采用对模板进行高精度标定，使用数学模型进行改正的方法保证高精度读数，同时简化生产工艺，降低成本；仪器系统可以满足国家一、二等水准测量标准；且高精度铟钢尺使用铟钢带作为基尺，配合高分辨率面阵CCD可达到0.01mm分辨率，大大提高了测量精度。
文档编号G01C5/00GK102829757SQ20121030198
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者邹涛 申请人:邹涛