5电子水准测量课案.ppt

几何量电子传感测量 武汉大学测绘学院测量工程研究所 叶晓明 电子水准测量 数字电子水准仪的工作原理 数字电子水准仪的操作原理 数字水准仪的原理误差 数字式电子水准仪(1) 在GPS 全站仪这些数字化测绘仪器大面积使用的今天，许多测绘工作也逐步变得简便，劳动强度大幅下降，惟独水准测量的劳动强度没有太大进展。 世界上生产数字电子水准仪的厂家主要有LEICA、TRIMBLE、TOPCON、SOKKIA和我国的BOIF、FOIF。 数字电子水准仪的技术一直由外国公司所控制，产品价格很高，这是数字电子水准仪在国内一直未能普及的原因之一。 武汉大学开发了自主知识产权的电子水准技术，致力于廉价的普及型数字电子水准仪的开发。 图 ? Leica DNA系列数字电子水准仪 图 ? BOIF DAL系列数字电子水准仪 数字电子水准仪的工作原理 数字电子水准仪的原理结构如图所示。 数字电子水准仪的光机系统和普通自动安平水准仪的技术原理几乎完全相同。 数字电子水准仪几乎保留了光学水准仪的所有光机系统， 只是额外增加了电子读数系统，是在自动安平水准仪的基础上增加了一套电子图象自动识别系统。 数字电子水准仪的原理结构(2) 电子水准仪和普通光学水准仪在读数原理上也有许多相同相似的地方。 电子读数的过程也都存在粗测、精测和精粗衔接和光学模拟水准仪人工读数类似的步骤过程。 数字电子水准仪的原理结构(2) 光电传感器通过望远镜截取条码标尺的一段条码的图象 首先解算所截获条码片段在标尺上的位置，这一过程叫做粗测； 其次要解算出电子中丝在所截获的条码片段中的位置，这一过程叫做精测； 再次就是根据精测值和粗测值求得电子中丝在标尺上的位置---即测量结果，这一过程叫做精粗衔接。 这些过程和光学模拟水准仪的人眼读数过程完全相似。 视距的测量原理也和光学水准仪类似，也是通过物象比—即标尺实物与其成像的几何比例关系来实现。 具体说，就是通过标尺上的码元的实际宽度与其在光电传感器上的成像的宽度的比值和望远镜的焦距来推算视距值。 数字电子水准仪的技术瓶颈所在 数字电子水准仪的原理是一维图象匹配。 水准仪的工作环境条件和要求的特殊性，其技术难度也比较高。 从工作环境条件上看，数字电子水准仪是外业仪器。 水准仪的标尺是自然光照明，自然光的照度差异非常巨大。 且照度存在波动和不均匀，要求仪器自动适应。 图象成像也存在诸于调焦、像差、噪声等因素造成的图象模糊、失真、干扰等问题。 不同条件下的图象信号变化 数字电子水准仪的技术瓶颈所在(1) 这就注定了数字电子水准仪的解码算法只能是模糊识别算法。 其思路是以所有像素都参与的对各种可能结果或中间结果的“穷举式表决”，把各种可能性的图象匹配度都算出来，以最大匹配度的结果作为解码结果。 这样只要作到图象模糊、失真等不足以影响到最终“投票结果”就能保证可靠解码。 而编码规则则当然要符合所使用的“表决”方法(算法)的需要。 其次，水准仪的标尺和水准仪的距离的随意性很大，最大视距和最短视距相差数十倍。 这就导致了图象和实物的比例关系变化无常，这就增加了一个物象比未知量。 所以水准仪的一维图象匹配实质是二维匹配算法，其运算量当然是巨大的； 再次，仪器耗电不能太大且环境适应性要好，也就意味着必须尽量使用高稳定的低速微处理器来实现高速测量。 从技术要求上看，数字电子水准仪是计量仪器，要求实现亚毫米级甚至以下的电子测量精度。 即使是在距离数十米甚至一百米图象被压缩得很小的情况下也必须保证这个精度，更不容许出现粗差。 数字电子水准仪的技术瓶颈所在(2) 电子水准仪的解码算法都采用了快速模糊识别算法，相关、波谱分析、傅立叶变换等都是模糊算法的表现形式。 模糊识别算法是以图象的整体匹配度为解码突破口，只有模糊识别算法才能解决图象模糊、破损、压缩、失真、噪声干扰等难题，而编码方法当然都跟这些模糊算法有着特定的内在联系。 于是，模糊算法的运算量和运算时间就是所面临的主要矛盾了。 实现准确可靠的高速算法是数字电子水准仪的核心问题。 依靠黑白条纹信号的高低实现条纹宽度的像素计数是不可能造出仪器的 某些条件下黑条纹的信号强度甚至比白条纹还高，黑白与01很难简单对应，通过黑白判别进行像素计数根本不可能，黑白判别本身就是数字水准仪的课题研究点； 某些条件下黑白边沿的跳变也非常模糊，甚至就没有跳变，边缘检测也很不可靠。 其实以边缘检测、像素计数来实现条码的像宽的测量继而实现解码的技术路径已经被实验所证实，并不能实现有实用价值的仪器。 所有的电子水准原理的编码都是由解码模糊算法的需要决定的，根本无法“互换”。 电子解码原理概述 几种电子水准原理主要算法 相关法; 几何法; 相位法; RAB原理; 武大原理。 几种算法的共性 使用了自动安平水准仪的光路原