1、1数字水准仪的编码规则及原理摘 要：随着，电子技术的发展一日千里，各个领域都在进行一场电子革命，当然也包括测绘领域。由于电子设备具有许多明显的优势，以电子设备代替光学仪器是目前的发展趋势，国内的电子测绘设备发展迅速，使用电子测量仪器的越来越多。数字水准仪的问世革新了传统意义上的水准测量，利用水准标尺上（条形码）得到的光学图像转换成数字电子图像并加以处理，避免了测量员目估分划值的误差，极大的提高了测量精度和生产效率。 本文是以数字水准仪为对象，对数字水准仪的原理、编码规则等方面进行了研究。对它们进行深入的研究是电子水准仪发展的基础。希望更多的人对它们进行研究，推进国内电子水准仪的发展。 关键词：
2、数字水准仪；编码规则；自动读数原理 Abstract: With the development of electronic technology, a thousand li a day, each field in an electronic revolution, including the field of Surveying and mapping. Because the electronic equipment has many obvious advantages, electronic equipment to replace the optical instrument i
3、s the current development trend, the domestic electronic mapping equipment develops rapidly, more and more of the use of electronic 2measurement instruments. The advent of digital leveling instrument innovation in the traditional sense of the level, the level ruler (bar code) to get the optical imag
4、e into digital image and processing, to avoid the surveyor project estimate row value error, and greatly improves the measurement precision and the production efficiency. This paper is based on the digital level as the object, of the digital level principle, the encoding rules are studied. They are
5、deeply research is the foundation of electronic level development. I hope more and more people to study them, and advancing the development level of domestic electronic instrument. Key words: digital level; encoding rules; automatic reading principle 中图分类号：P24文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 1 概 述 1.1 数
6、字水准仪的运用领域 数字水准仪是现代微电子技术和传感工艺发展的产物，是一种集光、机、电、算融合一体的嵌入式高科技测绘仪器，它采用条码标尺取代等间隔刻线加数字的传统标尺，以线阵图像传感器取代测量员的肉眼，以3相应的图像处理软件及硬件通过对标尺条码图像的识别，自动显示和记录标尺读数和视距，大大提高了工作效率和测量精度。这种设备的广阔应用前景主要体现在以下几方面：（1）快速的精密水准测量，用于建筑物的变形沉降观测和工业设备的精密安装测量；（2）数字水准仪与计算机相连接，可以实现实时、自动的连续高程测量，在应用软件的支持下可实现内外业信息的一体化；（3）在标准测量、地形测量、线路测量及施工测量等领域有
7、着更为广泛的应用。 2 数字水准仪编码规则、自动读数原理 2.1 数字水准仪编码规则 随着 CCD 传感器以及微处理技术迅猛发展,高精度水准测量自动化已经成为现实,十余年来,数字水准仪在中!高精度水准测量方面已获得了长足的发展,其测量精度已达到 0.30.5mm/km。目前德国 Zeiss 公司以及日本 Topcon 和 Sokkia 公司生产的几种型号的产品.国内各大厂家虽然也在积极进行数字水准仪方面的研究工作,但是,由于数字水准仪本身是一种集光学!微电子技术!计算机图像处理技术等于一体的高科技产品,与数字水准仪配套的数字编码水准尺也是一种高精度的水准标尺,其编码规则!刻划工艺!读数原理等一
8、些关键性的技术难点没有解决,所以目前国内还没有相关产品上市。数字编码水准尺是高精度水准测量系统的重要组成部分,其编码规则和读数方法对水准测量系统的测量精度起着重要的作用。4因此,研究国外不同厂家水准测量系统中使用的标尺的编码原则!自动读数原理,都将有助于我国自主研发国产数字水准仪的工作进程。 2.1.1 数字水准仪的测量原理 数字水准仪的测量原理可以归纳为依据条码尺的一段条码来确定视准轴的位置“将这个问题分解为:首先在水准尺上有规律地刻划黑白相间的条码,这种水准尺称为条码尺。从条码尺上获取任意一段图像,该图像段与其他相同长度的图像段互不相同。为以下叙述方便,将满足该条件的最小图像段称为码区,为
9、便于数据处理,对码区进行编号。在适当的视距范围内(1.5100m),通过对 CCD 传感器获取的一个或几个码区的条码进行处理后,精确确定水准仪视准轴的位置及条码尺至仪器竖轴的距离。 2.1.2 几个术语的定义 条码 1(黑+白):由黑白两部分组成。一个完整的条码为:起始边界:白黑;结束边界:白黑,代表的高度值为 D,将条码的黑色部分与条码白色部分的比值，条码的黑色部分或白色部分等特征值作为该条码的标识符。条码 2(白+黑):由白黑两部分组成。其定义为:起始边界：黑白;结束边界:黑白,代表的高度值 D1,将条码的黑色部分与条码白色部分的比值，条码的黑色部分或白色部分等特征值作为该条码的标识符。在
10、数字水准仪的条码尺中,条码 1 和条码 2 同时存在,如果选择 D 相等,则 D1 不相等如果选择 D1 相等,则 D 不相等“可以同时选择 D 和 D1 均不相等的情况。 垂直放大率:依据前述的编码规则,一个条码的码宽为 D,经过传输后5在 CCD 传感器上所对应的像素为 Qi,则垂直放大率为 ： 式中,K 为每个像素的宽度。 如果在 CCD 传感器上获取了 n+1 个(n)=m 连续条码,则可求得 n 个垂直放大率,取其平均值作为最后结果,即： 码区编号:确定参考线所需要的最小条码段称为码区,码区由连续的m 个条码组成,将这 m 个条码标识符间的顺序作为码区编号的标识符。根据条码的定义可知
11、,码区的宽度可以相等或不等。对于数字水准仪而言,在数据处理时可以同时选取条码 1 和条码 2,也可以仅选取条码 1 或条码2。如果同时选取条码 1 和条码 2,则码区数量为 2(N-m)+1;如果仅选取条码 1,则码区数量为(N-m+1)倍;如果仅选取条码 2,则码区数量为 N-m。 图 1 共标示了条码 1 和条码 2 组成的 4 个码区,每个码区内条码的个数为 2。 条码种类:改变条码黑白或白黑间的比例关系,构成易于相互区分的不同条码“设条码尺共有 k 种条码。 为简单起见,本文仅选取条码 1 且 D 相等的情况“ 2.1.3 编码方法 设在长度为 S 的水准尺上共刻划 N 个条码,每个码
12、区有 m 个条码,则可以组成(N-m+1)个码区,如表 2 所示。 通过调整条码间的顺序,使获得的(N-m+1)个码区标识符顺序互不相6同“该计算过程由计算机完成“由计算机存储这(N-m+1)个码区条码的顺序和每个条码的特征值(条码起始边界、质心或结束边界)所对应的高度值,供确定参考线的粗值使用。 条码种类 k，水准尺上条码总数 N 和码区内条码的个数 m 之间关系必须满足式(3): 2.2 对几种型号数字水准仪编码的比较。 本节将首先介绍目前市场上已有的 4 种型号的数字水准仪标尺的编码规则、自动读数原理,再从提高测量精度的角度出发,对他们所采用的编码和读数方式的优劣进行分析和比较。 2.2
13、.1 数字水准仪采用的条码标尺比较 目前 4 种数字水准仪都采用的是条码标尺,即用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位置,但是其设计方法却不尽相同。Leica 数字水准仪的标尺条码采用的是一种非周期性的伪随机二进制代码,在全长 3m标尺上分布有近 1500 个宽度为 2.025mm 的码元。在进行测量时条码影像相对于仪器内存参考条码会有一个相对位移,这个位移量就体现仪器与标尺间高差 h。Topcon 数字水准尺上有 3 种不同条码“一种是参考码 R 码,它为 3 道等宽的黑色码条,以中间条码的中心线为基准,每隔 3cm 就有 1组 R 码。信息码 A 和 B 分别位于 R 码的两边,上边
14、 10mm 处为 A 码,下边10mm 处为 B 码。A 码和 B 码的码条宽度按正弦规律从 2mm 到 10mm 改变,其信号波长分别为 330mm 和 300mm,在标尺底端条码的起始处,这 2 个正弦7信号有一个 P/2 的相位差,但是在标尺的不同部位相位差不同。上述 3 种条码相互嵌套在一起，对 3 组条码进行快速傅里叶变换后,可以获得在标尺某一部位的相位差。Zeiss 数字水准标尺采用的是双相位码，标尺上每20mm 为一个测量单元间距,其中的条码组成一个码组。每个码组的边界处为黑白明暗过渡,其下边界到标尺底部的高度,可以通过该码组的码词判读出来。这种双相位码在整个视场上的分布是最佳的
15、,以便水准仪在一个30cm 的视场宽度内可以至少检测到 15 个黑白过渡值。Sokkia 的编码标尺采用的是随机双向码(RA 码)，每 6 个码组成一个宽度变化的间隔,其中每个码元的宽度和 16mm 的基码宽度存在某种对应关系这种对应关系为1=4B12,2=6B10,3=8B8,4=10B6，5=12B4。通过这种对应关系,每个码的码词便能被判读出来。图 2 是这几种数字水准仪的条码图案： 2.2.2 数字水准仪测量精度的比较 测量精度是评价一种数字水准仪性能优劣的极为重要的指标，数字水准仪的测量精度不仅与仪器本身，还与外界干扰因素有关,并且还与标尺采用的编码规则以及读数方法有关。下述将就这几
16、种型号的数字水准尺在编码规则和读数方法两方面的差异对测量精度的影响进行比较。 对于一个标尺长为 3m 的数字水准仪,要使其在近 100m 的测量范围内进行很精确的读数,其测量所使用的码必须具备以下几个条件: 1）码元的宽度必须足够窄。这是因为测量精度取决于所使用的码元的宽度,宽度越小,测量精度越高。 2）测量所用码的自相关特性为 D 函数,且互相关函数为零。 83）为了提高测量的效率,测量所用码中 0 和 1 出现的次数大致相等。Leica 的数字水准尺采用的是伪随机码“伪随机码是指一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它虽然仅有 2 个电平,却具有类似白噪声的相关特性,只是幅度概
17、率分布不再服从高斯分布。它具有功率谱密度在很宽的频带内是均匀的、自相关特性为 D 函数以及互相关函数为零等优点,显然具备了上述 3 个条件,很适合在数字水准仪中使用。 Zeiss 的数字水准尺使用的是双相位码,这种码对每个二进制代码分别用 2 个具有 2 个不同相位的二进制新码去取代。编码规则之一是: 001(零相位的 1 个周期的方波) 110(P 相位的 1 个周期的方波) 它的特点是:码元具有内在检错能力;码元间的相关性低,误码增殖系数小;编码简单。所以,在数字水准仪中采用双相位码也能提高测量精度,但是从这 2 种码自身的特点来看伪随机码更适合作测量码使用,因而仅从编码规则来讲,Leic
18、a 所用的编码规则较 Zeiss 的更为理想。 数字水准仪在进行自动判读时,通过观测信号和参考信号的全截段对比,对条码图案的影像所有分化取平均值来消除分化误差,从而提高了精度。所以数字水准仪的测量精度要较传统光学水准仪的高。为了提高测量精度,ZeissDINI12 取 15 个测量距离(30cm)来进行平均计算,Leica 则是取约 4 个码来进行平均,而 Sokkia 的视线间隔为 8cm,它的基准码元的宽度为 16mm,所以最大只能取 5 个码来平均。设 Gi 为第 i 个码或测量间距,其宽度为 p,Bi 为它在 CCD 上所成的像且到中丝的距离为 bi,取 n 个 G9进行平均计算,则其
19、物像比为 A=np/(bn-b0)。由此可见,在一定的程度上,一个数字水准仪在进行自动读数时,参与平均计算的码元或测量间隔越多,则它的分化误差越小,测量精度越高。因而,利用几何测量法进行自动读数较其他几种读数方式测量精度要高。 2.3 自动读数原理 在数字水准测量系统中,当望远镜把标尺成像在其十字丝分划面上时,一组由光敏二极管组成的探测器阵列把条码图像转换成具有 256 位灰度值的模拟视频信号,对其整形放大和数字化后,形成的测量信号与仪器内存的标准信号进行比较,就可以实现自动读数,如图 3 所示。 Leica 数字水准仪采用相关法读数测量时,由望远镜截取的某段标尺条码被 CCD 传感器转换成测
20、量信号后,与水准仪内存的参考信号做 2 维离散相关,相关函数值最大的地方其坐标值即为所求的高度读数,根据所成像的放大倍率可以求出视距的大小。在一个高度为 03m,距离为 1.860m的测量范围内,高度或距离上毫米级的微小变化都将导致微处理器做几万次的相关系数计算。为减少次数,提高测量速度,读数过程被分为 3 步。第 1 步首先通过调焦透镜的位置算出一个粗略的视距;第 2 步是作粗相关,即根据精度要求在第 1 步所确定的大致距离的基础上以一定的步距改变仪器内存参考信号的宽窄与测量信号进行比较来探求近似值;最后一步是在粗相关结果的基础上进行精相关,找到其最佳相关位置,高精度地确定标尺条码相对于行阵
21、探测器的位置以及标尺条码的比例,最终高精度地获取10视距和高度的值。 Topcon 水准仪读数时采用的是相位法。A,B 两种信息码的码元宽度按正弦规律变化,因而在标尺长度增加方向就形成了按正弦规律变化的亮度波。当水准仪照准标尺时,就会截取 A 波和 B 波的一段,其亮度变化通过线阵 CCD 转换成相应电信号,再通过快速傅里叶变换(FFT)就可以获得频率和相位差,进而确定视距和高度。 Zeiss 的水准仪采用几何位置法进行读数。它在 1.5100m 范围内用一个仅为 30cm 的最小视场就足以确定高程和视距的大小。标尺上的码元只被用来作粗测,精测则是通过探测码元间边界的明暗过渡来进行的。Sokk
22、ia 采用的读数方法和 Zeis 很相似，它用最小为 8cm 的视场间隔来进行测量。需要说明的是,尽管各厂家的编码尺具有不同的编码规则和读数方法,但编码标尺全是由同一厂家,即德国的 Zeiss 公司生产的。这也是目前世界上唯一能够生产数字编码水准标尺的厂家。 3 结束语 本文主要论述了数字水准仪的编码规则和自动读数原理。数字水准仪的编码规则和自动读数原理是数字水准仪实现自动读数的基础。数字水准仪的条码尺与传统的水准尺是不同的，它是数字条码，只有数字条码才能被数字水准仪识别。所以就产生了不同的编码规则。当数字水准仪进行测量时，它把获得的条码尺数据与预先存储在水准仪中的数据进行对比，由此获得待定点的高程数据。这就是电子水准仪的自动读数原理。
