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专利名称：一种自动测量的数字水准仪的制作方法
技术领域：
本实用新型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.光学水准测量主要由人工完成读数， 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， 这样一方面需要由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。

实用新型内容本实用新型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
3完成测量的数字水准仪。 为解决上述技术问题，本实用新型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 XI = 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P = ((Xl-O. 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承P)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。 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。 本实用新型具有积极的效果(l)本实用新型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。

为了使本实用新型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，对本实用新型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位置的标尺移到B位置，并自动重新照准、测 量、记录的示意图； 图2为实施例中的数字水准仪的结构框图； 图3为实施例中的广角摄像处理系统的成像示意图； 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1) 见图l-6，本实用新型的一种自动测量的数字水准仪，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；与CPU单元2相连的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。具体地CPU单元2与水平旋转基座3的控制电机相连，CPU单元2还 与望远镜调焦系统4的调焦电机相连，广角摄像处理系统1和望远镜调焦系统4设于水平 旋转基座3上。 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 XI = 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P = ((Xl-O. 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承P)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。 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1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 = ，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1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1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，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而 并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型 的保护范围之中。
权利要求一种自动测量的数字水准仪，其特征在于包括用于在水平旋转基座(3)的驱动下四周寻找标尺(a)以计算出标尺(a)所在的方位和距离的广角摄像处理系统(1)；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，并在对准标尺(a)后自动调焦的望远镜调焦系统(4)；用于在调焦后通过望远镜调焦系统(4)获取标尺(a)的精确图像的CCD装置(5)；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)并驱动望远镜调焦系统(4)到相应的焦距上，以获取在CCD装置(5)中形成标尺(a)的图像并计算出该标尺(a)的高程及距离的CPU单元(2)。
2. 根据权利要求1所述的一种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。
3. 根据权利要求1或2所述的一种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。
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，水平旋转基座(3)，望远镜调焦系统(4) ， CCD装置(5)，以及用于根据水准仪(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，并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的CPU 单元(2)。
5. 根据权利要求4所述的一种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。
6. —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)还包括望远镜调焦系统(4)，CCD装置(5)，以及根据所述标尺(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 储器中的CPU单元(2)。
7. 根据权利要求6所述的一种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。
专利摘要本实用新型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G01C5/02GK201503267SQ20092031158
公开日2010年6月9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