数字水准仪测量系统关键算法

　　1 引 言

　　数字水准仪是 20 世纪 90 年代初出现的新型几何水准测量仪器，具有测量自动化、速度快、精度高和读数客观等优点，是对传统几何水准测量技术的突破，代表了现代水准测量技术的发展方向。其最初的发展可追溯到六十年代，前民主德国大地测量学者开创了机车化水准测量方法，曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的测量系统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西德先后研制过两种自动化测量系统，一种系统是扫平仪 Telamat 与主动水准标尺构成的测量系统，实验样机的测量精度达±1.47 mm/km。另一种系统是通过数字通讯方式在标尺站与测站间联络，实现读数自动化，实验样机在视距 40 m 时，一次观测高差中的误差不大于±0.1 mm。这两种系统的致命弱点是标尺构造复杂而娇嫩，极易损坏，故未能实现商品化生产。八十年代，欧美等国联合发展新的“快速精密水准测量系统”，该系统建立在双色测角原理基础上，很好地消除了垂直折光的影响，但测量方法仍是三角水准测量方法，只是测角系统采用双色法[1]。

　　1990 年瑞士 LEICA 公司推出世界上第一台数字水准仪 NA2000，首次采用数字图像技术处理标尺影像，并以行阵传感器取代观测员的肉眼获得成功。随后，德国 ZEISS、日本TOPCON和SOKKIA 等公司均生产出拥有自主知识产权的数字水准仪。我国由于编码规则、刻划工艺和解码原理等一些关键技术难点没有解决，目前尚无产品面世[2]，但北光、南方绘测、苏一光等国内测绘仪器公司都在积极研究开发中。其中，数字化读数是实现水准测量自动化的技术难点[3-7]，本文对正弦条码标尺的编码规则和解码算法进行较系统的探讨，并给出了一般计算公式和设计实例。

　　2 水准测量系统基本原理

　　水准测量是高精度高程测量的主要方法，它不是直接测定地面点的高程，而是测出两点之间的高差。即在两个点上分别竖上水准尺，利用水准仪建立一条水平视线，通过望远镜分别读取两水准尺上的高度值作差，从而由已知点的高程求出未知点的高程。十多年来，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0.3～0.5 mm/km。数字水准仪的测量系统原理图如图1 所示，标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视瞄准和调焦;另一部分光束通过分光镜转折到 CCD传感器上，经光电、A/D 转换成数字信号，通过微处理器DSP 进行解码，并与仪器内存的参考信号进行比较，从而获得CCD 中丝处标尺条码图像的高度值。传统刻度尺的自动化读数需要面阵图像传感器，且须识别数字符号[8]，算法复杂、难度大。采用条码标尺代替传统标尺[9]，则只需一维图像传感器，结构及算法得到极大简化。