专利名称：空间数字化大地测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于大地测量的技术领域，具体涉及一种空间数字化大地测量装置。
背景技术：
现有的大地测量中常用的测量仪器如水平仪、经纬仪、激光测距仪、全站仪等，其 方法都是一种基于测量远处空间目标的距离和角度的大地测量原理。该测量方法和仪器的 优点是测量精度高，缺点是测量效率低、空间各站点测量的数据不具同时性，且不能实现实 施无人监测。近期的一些能自动测量距离角度变化的大地测量方法和仪器，如激光扫描三维建 模信息处理测量系统及激光光纤自动测量位移装置和方法等。这类测量设备的测量精度 较低，真正实现高精度的自动测量还存在很大困难。如利用上述仪器在地铁、隧道，石油输 油管线，铁路等大型建筑物的形变实现无人实时自动监测是难以做到的。更不能同时满足 多目标点同步检测近代大规模建筑工程建设中，建筑物的沉降和水平位移等形变测量的要 求。
发明内容本发明的目的在于克服现有大地测量装置存在的缺点，提供一种空间数字化大地 测量装置。从而不需要通过测量远处目标角度及距离就能实现多目标点同步、实时无人监 测的空间数字化大地测量。本实用新型是把日益完善的数字(XD、CMOS等数码摄象摄影技术，成熟的望远镜， 照相物镜技术及计算机图像信息处理技术和激光以及大功率高亮度LED近代光源技术有 机结合在一起，构建或提供一种实现空间至少一个目标点同步实时，高精度、无人监测的大 地测量装置。为便于理解和实施，简述本实用新型的测量基本原理和方法是必要的。空间数字化大地测量原理是一种基于建立物象空间数字化坐标系中的目标空间 位置的坐标数字值相等的关系，把空间数字化测量标准——即空间频率，设置在被测空间 目标处的象方空间数字坐标系上，在数字空间坐标系中进行空间A/D、D/A数字变换计算， 直接在象方空间数字坐标系上对空间目标位置的空间坐标进行数字化测量。如图1、3所示，首先利用一个处于数码相机机身内且与计算机相连的数字CXD靶 面上的象元阵网格建立一个以象元为数字单位，且能在计算机中进行运算、处理，显示的物 方空间数字坐标系xoy，根据几何光学共轭成像原理，把上述物方空间数字坐标系xoy安置 在遥感图像探测处理装置中的遥感物镜组的一侧物距L处；则相应在遥感物镜组的另一侧 象距L’的被测空间目标处建立一象方数字空间坐标系χ’ ο’ y，然后把有固定间隔的标准 长度AB的标尺安装在象方空间数字坐标系χ’ 0’ r内，凭借象方空间数字坐标系χ’ 0’ r 中的目标座标数字值和物方空间目标坐标系xoy中的目标座标数字值相等的关系，便将在 物方空间数字坐标系xoy测量到的标尺AB的标准长度的投影象A’ B’数字值M，作为象方空间数字坐标系X’ O’ 1’标尺AB的数字值，且AB在物方空间数字坐标系xoy上的投影像 A’ B’，与X轴或Y轴是重合的，进行A/D数字变换计算，就可确定在被测空间目标点处空间
数字坐标系x’o’y’的空间频率F(ZZ) = :最后移去标尺AB，且在被测空间目标点更换
AB，
安装一被测点光源合作目标C，用同样方法在物方空间数字坐标系xoy中，测出点光源合作 目标在象方空间坐标系χ’ O’ r中被测点光源合作目标C的座标数字值N’ x和N’ y，据此， 在空间目标所在的象方空间数字坐标系X’ O’ y’中利用空间频率F(L’)直接在计算机中进 行D/A变换计算，其中点光源合作目标位置座标计算公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>由此确定空间单个点光源合作目标点的空间位置的坐标值即得。利用上述公式在计算机中就可以同时确定分布在空间各点光源合作目标的全部 空间位置坐标值。依此就建立一种多空间目标点的同步实时无人监测信息系统。
<formula>formula see original document page 4</formula>利用上述公式在计算机中就可以同时确定分布在空间各点光源合作目标的全部 空间位置坐标值。依此就建立一种多空间目标点的同步实时无人监测信息系统。因此，本实用新型的技术方案，包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、 有固定间隔标准长度的测量标尺AB和测量时用的点光源合作目标，以及在测量处设有的 固定在测量转台上的遥感图像探测装置和与数字CXD用USB接口电缆相连的计算机三部 分，其中遥感图象探测装置包括由望远物镜L1，耦合物镜L2和固定在座架上的数码相机变 焦摄影物镜L3组成复合的遥感物镜组，该数码相机变焦摄影物镜L3与相匹配接口的数码相 机机身相连，并且分别设置在前机壳和后机壳中，前机壳和后机壳均密封固定在中间有通 孔的座架上，并凭借座架把遥感图象探测装置安装在转台上，且遥感图像探测装置中的望 远物镜L1、数码相机变焦摄影物镜L3及耦合物镜L2组成复合的遥感物镜组，该遥感物镜组
的合成焦距/合=/；(^·)，且必须满足f合》f定的条件，,其中，δ为CCD象元
尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离。另外，把本实用新型中的遥感图象探测处理装置和点光源合作目标与激光测距装 置相结合即可构成三维大地监测信息系统或装置。上述的点光源合作目标是由前后为小孔光栏与密封板的外壳，外壳内的光源与前 方的玻璃窗五部分组成有自主发光的主动型式的点光源合作目标。本实用新型完善地实现了多目标点同步、实时和无人监测的空间数字化大地测量。[0020]
图1为本实用新型的总体结构示意图。图2为本实用新型的被动型点光源合作目标示意图。图3为本实用新型的原理结构示意图。图4为本实用新型计算机显示屏上的坐标显示的示意图。其中，1.前机壳；2.后机壳；3.座架；4数字CCD ；5.数码相机机身；6.计算机； 7.点光源合作目标；8.旁轴光栏；9.玻璃窗口 ；10.密封垫；11.转台；12.遥感图像探测 装置；13.电缆头；14. USB接口电缆； 15.外壳；16.玻璃窗；17.小孔栏；18.光源；19.密封 板；20.反射棱镜或反馈性反光膜；21.激光器；22.遥感物镜组；C为点光源合作目标位置 坐标；C’为点光源合作目标在坐标xoy上的象；AB-在合作目标处的测量标尺；A’ B’为AB 在坐标xoy上的象。
具体实施方式
如图1、图3所示，本实用新型包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率、 有固定间隔标准长度的测量标尺AB和测量时用的点光源合作目标7，以及在测量处设有的 固定在测量转台11上的遥感图像探测装置12和与数字(XD4用USB接口电缆14相连的计 算机6三部分，其中遥感图象探测装置12包括由望远物镜L1，耦合物镜L2和固定在座架3 上的数码相机变焦摄影物镜L3组成复合的遥感物镜组22，该数码相机变焦摄影物镜L3与 相匹配接口的数码相机机身5相连，并且分别设置在前机壳1和后机壳2中，同轴相接的前 机壳1和后机壳2均密封固定在中间有通孔的座架3上，并凭借座架3把遥感图象探测装 置12安装在转台11上，且遥感图像探测装置12中的望远物镜L1、数码相机变焦摄影物镜
L3及耦合物镜L2组成复合的遥感物镜组22，其合成焦距/合= λγ)，且必须满足fg彡f
定的条件，/f |/max，其中，δ为C⑶象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值， Lmax为最大测量距离。根据测量距离和精度要求，fg可以从0. 5米 12米以上内选取。上述遥感物镜组22还可由焦距为&的单个定焦物镜构成，且&彡fe，
/ 定=臺/max，其中，δ为(XD象元尺寸，Δ为目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测
量距离。考虑到多目标点的空间数字化大地测量和克服空间强背景的需要，在前机壳1的 窗口玻璃9外面又设置一个旁轴光栏8，以便于获得空间各目标点的清晰对称弥散斑的图 象，提高测量精度和保证位移的测量范围。为实现照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测，则只要把遥感物镜组22中 的望远物镜组L1或定焦物镜&，用照相物镜来替代，构成照相物镜工作距离上的空间数字 化实时监测装置。为了实现显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测，则只要把遥感物镜组22 中的望远物镜组L1或定焦物镜&，用显微镜物镜来替代，构成显微镜物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。点光源合作目标7可以有主动发光型和被动发光型两种型式其中主动型点光源合作目标7是由前后为小孔光栏17与密封板19的外壳15，夕卜 壳15内的光源18与前方的玻璃窗五部分组成。光源18是发光二极管LED或小功率激光 器。高亮度合作目标7主体通常是由作为光源的1 3瓦光电二极管LED及其后的密封板 构成的外壳，外壳前端平面开一小孔直径为Φ =0.5 2mm作为小孔光栏17，适合测量的 工作距离在100 200米范围内使用，更远距离时小孔直径及发光二极管功率相应增大。点光源合作目标7的主动发光型 和被动发光型在结构上基本相同。不同的是被动 型点光源合作目标7的光源是用外部激光器21或其它窄光束光源照明。外部的照明光源 如激光器，可以设置在遥感图象探测装置12上，且在主动型点光源合作目标7的光源18处 是用反射稜镜或反馈性反光膜替代原光源18的LED即可。点光源合作目标7是被动型，其 组成包括设置在前机壳1上激光器21，和设置在被测量处的由前后为小孔光栏17与密封 板19的外壳15，以及外壳15内的反射稜镜或反馈性反光膜20与前方的玻璃窗16。通常 被动型用在无电源供电的测量处。把本实用新型中的遥感图象探测处理装置12和点光源合作目标7与激光测距装 置相结合可构成三维大地监测信息系统或装置，该激光测距装置可以设置在前机壳1上， 也可以分体单独设置。本实用新型在隧道位移形变监测中的应用实例根据位移沉降测量精度要求在200米为士 Imm ；且在200米中有20个测量点；并 且实现无人实时多点同步自动监测。先在200米内布置在隧道壁上相互不遮挡的20个主动发光型点光源合作目标7 和标尺AB的安装点，最远200米，最近20米，间隔为9米；又在测量处安装遥感物镜组距 为6米的遥感图像探测装置12及其相连的计算机6，把标尺AB从远到近逐个安装在安装点 上，以确定空间20个空间点光源合作目标7安装点的空间频率并贮存在计算机中，再.移 走标尺AB把20个点光源合作目标7安装在上述安装点上，把上述的遥感物镜组对焦到最 远的空间合作目标7，又在遥感图像探测装置12的遥感物镜组前调整或直接安装一孔径Φ =5mm的旁轴光栏8，在计算机显示屏上观察20个点光源合作目标7基本均勻分布，并使最 近空间点光源合作目标7的成象光束在计算机显示屏观察到一对称性很好的小弥散圆斑， 设置摄象时间间隔及暴光时间，该装置就能对地铁隧道的位移形变实现无人多点同步实时 自动监测。标尺AB的长度可取测量精度要求的1-100倍的范围内，通常可取数十倍，如本实 施例中，其测量精度要求为士 1mm，选用标尺AB的长度是25mm。
权利要求空间数字化大地测量装置，其特征是包括在被测空间目标处设置的作为确定空间频率的测量标尺(AB)和安装在建筑物的点光源合作目标(7)，以及在测量处的固定在测量转台(11)上的遥感图像探测装置(12)和与数字CCD(4)用USB接口电缆(14)相连的计算机(6)三部分，其中遥感图象探测装置(12)包括有望远物镜L1，耦合物镜L2和固定在座架(3)上的数码相机变焦摄影物镜L3组成复合遥感物镜组(22)，该数码相机变焦摄影物镜L3与相匹配接口的数码相机机身(5)相连，并且分别设置在前机壳(1)和后机壳(2)中，前机壳(1)和后机壳(2)均密封固定在中间有通孔的座架(3)上，并凭借座架(3)把遥感图象探测装置(12)设置在转台(11)上，且遥感图像探测装置(12)中的望远物镜L1、数码相机变焦摄影物镜L3及耦合物镜L2组成的复合遥感物镜组(22)，其合成焦距 且必须满足f合≥f定的条件，其中 δ为CCD象元尺寸，Δ为最远目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离；上述点光源合作目标(7)是由前后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，外壳(15)内的光源(18)与前方的玻璃窗(16)五部分组成，所述光源(18)是发光二极管LED或小功率激光器。dest_path_FSB00000094336200011.tif,dest_path_FSB00000094336200012.tif
2.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述遥感物镜组(22)是由 焦距为&的单个定焦物镜构成，且&彡€￡，/^=|/ 1狀，其中，δ为C⑶象元尺寸，Δ为最远目标测量精度要求的位移最小值，Lmax为最大测量距离。
3.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述点光源合作目标(7) 是被动型，即该点光源合作目标(7)的光源(18)是用激光器(21)的窄光束光源照明，和前 后为小孔光栏(17)与密封板(19)的外壳(15)，以及外壳(15)内的反射棱镜或反馈性反光 膜与前方的玻璃窗(16)组成，其中激光器(21)设置在前机壳(1)上方。
4.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是上述前机壳(1)的窗口玻 璃(9)外面又设置一个旁轴光栏(8)。
5.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是所述的遥感图象探测处理 装置(12)中的望远物镜组L1用照相物镜来替代而构成照相物镜工作距离上的空间数字化 实时监测装置。
6.如权利要求2所述的空间数字化大地测量装置，其特征是所述的焦距为&的单个定 焦物镜用照相物镜来替代而构成照相物镜工作距离上的空间数字化实时监测装置。
7.如权利要求1所述的空间数字化大地测量装置，其特征是所述的遥感图象探测处理 装置(12)中的遥感物镜组中的望远物镜组L1用显微镜物镜来替代，构成显微镜物镜工作 距离上的空间数字化实时监测装置。
专利摘要本实用新型涉及一种空间数字化大地测量装置。其特征是该测量装置包括在被测空间目标处设置的标尺和点光源合作目标，以及在测量处的固定在测量转台上的遥感图像探测装置和与数字CCD用USB接口电缆相连的计算机，其中遥感图象探测装置包括有望远物镜L1，耦合物镜L2和固定在座架上的数码相机变焦摄影物镜L3组成复合遥感物镜组，复合感物镜组的合成焦距该数码相机变焦摄影物镜L3与相匹配接口的数码相机机身相连，并且分别设置在前机壳和后机壳中，同轴相连接的前机壳和后机壳均密封固定在中间有通孔的座架上，并凭借座架把遥感图象探测装置设置在转台上。本实用新型精度高，能实现多点同步，实时无人监测的大地测量。
文档编号G01B11/16GK201569415SQ200920026620
公开日2010年9月1日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者郑冰, 郑国星 申请人:郑国星