中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.44 No.5May袁2018第 44 卷第 5 期2018 年 5 月

数字水准仪测量编解码技术研究

李学鹏 1袁 仲思东 1袁2渊1. 武汉大学电子信息学院袁湖北 武汉 430072曰 2. 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室袁湖北 武汉 430079冤

摘 要院 针对传统的数字水准仪测量精度受到测量距离和视场的制约袁 固定的码元难以兼容远近测量的精度等问

题袁为进一步提高数字水准仪的测量精度袁该文提出一种编解码方案袁利用圆的各向同性性质袁以圆形码代替传统条

形码进行编制袁并且采用面阵 CCD 获取二维编码图像袁同时在远近不同距离采用不同进制编码袁在解码粗测时应用

最大相似匹配算法袁精测时应用比例求解遥对比实验证明袁该编解码方法分辨率较高袁测量更加准确袁实现高精度尧快速水准测量遥 测量范围为 2~100m袁单点测量绝对误差小于依0.2mm遥关键词院数字水准仪曰精度曰编解码曰圆形编码曰混合编码曰面阵 CCD文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2018冤05-0017-07

Research on coding and decoding technology of digital levels measurement

LI Xuepeng1袁 ZHONG Sidong1袁2

渊1. Electronic Information School袁Wuhan University袁Wuhan 430072袁China曰2. National Key Laboratory of Surveying and Mapping of Remote Sensing Information Engineering袁

Wuhan University袁Wuhan 430079袁China冤

Abstract: Aiming at the problems that the measuring accuracy of traditional digital level isaffected by measurement distance and field of view and the fixed code element can hardly ensurethe measuring accuracy both at long and short distances袁 to further improve the measuringaccuracy of digital level袁 the paper puts forward an encoding and decoding scheme. Takingadvantage of the isotropic nature of circle袁 it uses circular bar codes to substitute the traditionalbar code for preparation袁 uses area array CCD to obtain two-dimensional encoded images袁 appliesdifferent encoding systems at different distances袁 uses the maximum similarity matching algorithmin rough measurement and makes resolution based on proportion in accurate measurement.Comparative experiments show that this method has a higher resolution袁 higher measuringaccuracy袁 and can realize high-accuracy and quick leveling. Measuring range of the device is 2-100m and the absolute error of single point measurement is less than 依0.2mm.Keywords: digital levels曰 accuracy曰 coding and decoding曰 circular coding曰 mixed coding曰 areaarray CCD

收稿日期院2017-12-21曰收到修改稿日期院2018-01-25基金项目院国家测绘地理信息公益性行业科研专项项目渊201412015冤作者简介院李学鹏渊1992-冤袁男袁河南潢川县人袁硕士研究生袁专业方向为图像处理与机器视觉遥

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2018.05.004

中国测试 2018 年 5 月

0 引 言测量仪器的数字化尧智能化尧小型化尧多功能化

是现代测绘技术发展的趋势遥 数字水准仪作为大地

测量任务的一种基本而且重要的仪器袁是集光尧机尧电尧算为一体的高科技测量设备[1]遥目前袁常用的数字

水准仪在仪器构造和数据处理等方面存在一定的差

异袁但是其测量原理都具有共性[2]遥当前数字水准仪在原理上有相关法尧 几何法和

相位法 3 种自动电子读数方法遥 国产数字水准仪研

究发展起步较晚袁现有大部分技术均为单一形式的

条形码进行编码[3]遥 传统的数字水准仪在水准测量

时袁由于受视场的制约袁近距离解码信息不足袁远距

离分辨率不高袁所以精度受限遥近几年来也不断有人

提出新的使用二维编解码的方法[4]遥本文提出一种基

于圆形为基本码元袁多进制编码袁并使用面阵 CCD 接

收二维测量信号袁同时使用了相关法和几何法的解

码方法遥1 数字水准仪编解码原理1.1 编码原理

仪器在测量范围渊视距范围 2~100 m袁视线高 0~3 m冤上获得的任意一段图像与其他相同长度的图像

互不相同遥由于在 2~100m 的视距范围内袁图像传感

器接收的条码图像变化长达几十种袁故对水准尺编

码时要做到[5-6]院1冤码元要足够大袁使得仪器在远距离观测时袁能

够区分不同的码元遥2冤码元的种类要足够多袁在近距离测量时袁最小

码段图像有多重变化袁使得仪器能够区分出标尺的

不同位置遥视准测量时袁主机和编码尺在空间上是分离的袁

而水准仪望远镜的视场角和焦距不变袁于是存在以下

问题:近距离时要满足一定的解码样本数袁所以码元

不能太大袁中远距离测量时要使系统分辨率达标袁码元又不能太小[7]遥 实际上这是相互矛盾的院在仪器视

场一定的条件下袁码元如果越大袁码元的种类就越

少袁就越难解决近视距时测量时的多值性问题曰码元

越小袁远视距时就越难区分不同的码元遥本文提出的一种基于基本码元是圆形的标尺袁

远近不同距离采用不同进制编解码方案袁解决传统

条码尺近距离多值性问题和远距离距离分辨率低的

问题遥图像测量中袁标志点的选择直接关系到测量的

速度和精度袁在以往的标尺设计上袁都是以条形码作

为基本码元袁在本方案中选用圆形码是考虑到院圆形

码袁形状规则袁具有各向同性的优良性质袁在图像处

理过程中袁圆心位置始终保持不变遥1.1.1 多进制伪随机码

本文中所设计的编码方案袁是一种非等距编码袁同进制的圆的大小是相同的遥以圆和圆心距作为基本

码元袁以图 1 大码为例袁采用三进制编码袁按着码元

的长度也就是码元和码元之间的距离即圆心距进

行编排袁最小码段为 4 个码元袁编码 1 对应圆心距为

34mm袁编码 2 对应为 36mm袁编码 3 对应为 38mm[8]遥

以大码为中心袁两侧对称分布有小码遥小码采用

四进制编码袁每 5 个码元作为最小测量码段袁4 种小

码袁其圆心距分别为 5袁6袁7袁8mm袁分别对应 1袁2袁3袁44 种码元也按伪随机规律排列遥 小码的随机排列编

制和大码的随机编制互不相关遥 标尺如图 2 所示遥

1.1.2 混合编码

在近距离物方视场较小袁靶标视角较大的时候采

用小码袁使视场中有充分的解码信息袁在远距离袁物方视场较大袁靶标视角较小袁分辨率降低袁则采用大

码解码袁使图像能够被分辨遥1.2 解码原理

1.2.1 图像预处理

面阵 CCD 采集到的原始图像数据袁图像质量

低袁要对图像进行一些预处理袁包括灰度化尧图像增

强尧高斯平滑尧中值滤波尧自适应阈值以及去除环境

噪声袁得到方便图像识别和测量的信号袁然后通过解

图2 编码尺片段示意图渊横向放置冤

图1 大码编码原理图

36mm 36mm38mm 34mm

1个码元 1个码元 1个码元 1个码元

18

第 44 卷第 5 期

码即可根据算法求出视高和视距袁总体处理框图如

图3 所示遥

边缘检测是影响数字水准仪测量精度的重要环

节[9]遥 图 4尧图 5 分别是测量时采集的原始图像和处

理后的图像遥

1.2.2 视距的求解

如图 6 所示袁对经过预处理后的图像进行行扫

描袁每行得到直线边缘间的像素数 L i袁共扫描 n渊1 000~1 200冤次左右袁两条直线间的距离是已知的

常量Width袁那么综合 CCD的焦距和像元尺寸袁由图 6所示的成像原理和式渊1冤得到视距袁y 为实际尺寸袁y忆为在图像上所成像的尺寸遥 视距为

D= f窑yy 忆

渊1冤计算标尺两端刻线像素差 L 时袁使用 3滓 方法剔

除粗大误差可以减小误差袁具体过程[10]是院计算不同

行的像素 L i袁首先求平均值为

L軈= 1n

n

i = 1移L i 渊2冤

然后求出残差院淄i=L i-L軈 渊3冤

再求其标准差院

滓=n

i = 1移淄i2

n-1 渊4冤剔除 3滓 以外的粗大误差袁再重新计算标尺的宽

度袁采用这种方法袁可以避免标尺的微小倾斜导致宽

度测量不准的问题遥像元尺寸 啄 为固定值 4.5 滋m袁在不同的视距像

素分辨率为

驻= Width啄窑L軈 渊5冤

视距院D= f窑Width

啄窑L軈 渊6冤1.2.3 视高的求解

1冤粗测

由以上可知袁由于准确计算 L袁通过轮廓检测可

以得到每个圆的外轮廓的位置袁并且由灰度相关的

质心定位法得到灰度圆的质心袁然后由 L 同比可得

圆的半径遥灰度相关的质心定位算法院

xi= 1n 移x窑f渊 i袁 j 冤 渊7冤

yi= 1n 移y窑f渊 i袁 j 冤 渊8冤

鄣= 渊 xi +1-xi冤 2+渊 yi + 1-yi冤 2姨 渊9冤由式渊5冤算出的像素分辨率袁能够计算出解码图

像圆心之间的距离袁再获得其对应的编码遥比如在观

测时袁通过直线校准袁获得观测距离为 D袁每两个圆

心之间袁根据图像处理后的结果计算圆心像素差袁那么能获得这两个圆心的距离及圆心距对应的编码遥

每连续的 n 个圆可以得到 n-1 个圆心距袁那么

就对应 n-1 个编码袁超过 4 个就可以确定一个码段袁

获取1帧图像

图像预处理

图像解码

实时动态显示测量结果

图3 图像总体处理框图

图4 原始图像 图5 处理后图像

y

2f F

D U

F 2fy忆

图6 测距原理图

李学鹏袁等院数字水准仪测量编解码技术研究 19

中国测试 2018 年 5 月

由前面的伪随机码部分知袁在用大码测量时 4 个及

4 个以上的编码才能在完整码上确定唯一位置遥 在

图像解码过程中袁无可避免地会存在着视距计算的偏

差尧图像边缘尧噪声等的影响袁解码也可能出现一定

的偏差袁导致出现错码的情况袁那么就要使用最大相

似匹配算法遥具体操作是袁把解码得到的码段和完整的编码

码段从起始位置开始的相同长度的一段码段进行比

较遥 设置合适的权重袁如果码值相同袁字符串权值加

K1曰码值差 1袁字符串权值加 K2曰码值差 2袁字符串权

值加 K3噎袁比较完所有字符串得到一个权值遥再把解

码得到的码段与完整码段第 2 位开始的码段进行

比较袁一直到比较结束遥这样袁通过一次完整比较袁权值最大的位置所在的码段就是相似度最高码段袁就确定了解码的码段在完整码中的位置袁 那么此时

驻H+驻h 在理论上就是一个确定值袁如图 7 所示遥

2冤精测

在精测时袁从视准轴中心分别向上和向下分别

搜索一个码元袁假设其距离上码元中心的距离是 x袁距离下码元中心的距离是 y袁 由上面的粗侧部分可

知两码元之间的距离 z 是已知的遥如图 8 所示袁视准轴到下码元中心距离院

驻x = xx+y 窑z 渊10冤

因为 z 是理论真值袁由于图像处理中 x 和 y 会引

入测量误差袁经过图像处理后图像两边的膨胀或腐

蚀效果相同袁 而 驻x 是按着 x 和 y 的比例计算得到

的袁所以这种方法在理论上可以大大减少图像处理过

程带来的误差遥视准轴到编码尺底端高度差院

H =驻H +驻h+驻x 渊11冤2 实验设计和数据分析

实验系统硬件包括袁基于 win7尧64 位操作系统的

PC 机袁按照如上的编码规则制作的标尺袁以及 CCD相机遥 CCD 相机型号是北京微视 RS2300 工业相机袁象元尺寸 4.5 滋m伊4.5 滋m袁焦距 f=50mm遥

系统软件设计程序框图如 9 所示袁为单次测量流

程图遥软件是通过 Visual Studio 2013 编写的基于对

话框的 MFC 程序袁软件界面如图 10 所示遥 图中显示

了近距离解算时检测的圆心的位置遥为进一步提高测

量精度袁取 20 次计算结果的平均值作为测量结果遥2.1 实验结果

2.1.1 圆形码元实验结果

由圆形码元制作的水准尺袁分别模拟了在 2.389袁8.722袁22.804袁40.475袁44.241袁75.228袁99.556 m 远近

不同的距离的实验袁 标尺固定在 ABS 光栅尺上袁标尺每次在光栅尺上移动 50 mm遥 所得的最近和最远

的测量结果如表 1 和表 2 所示遥2.1.2 条形码元实验结果

现有条码尺均有其对应的伪随机数列袁由于这

部分信息是不公开的袁所以按照传统的条形码的设

计方案[11]袁自制伪随机条形码进行解码遥 为了方便比

较袁设计条码宽度是 42 mm袁最近视距在 2 m 左右遥四进制编码袁条码尺如图 11 所示遥在同样的环境中袁模拟的最近和最远实验结果如表 3 和表 4 所示遥2.2 数据分析

2.2.1 圆形编码理论分析

由式渊1冤可以推导出视距和视场的关系遥 Height

最佳相关位置

测量信号 渊在水准标尺的目视片段冤

视准轴高度

参考信号渊存储在电子水准仪中的水准标尺片段冤

驻x驻h

驻H

图7 解码示意图

上码元中心线

视准轴

下码元中心线

x

y

z

图8 精测原理图

20

第 44 卷第 5 期

观测距离

15.555mABS 坐标/

mm 测量高/mm 高度差/mm 误差/mm

模拟视距

99.556m

2 000.000 499.388 - -1 950.000 549.247 49.859 -0.1411 900.000 599.045 49.798 -0.2021 850.000 649.113 50.068 0.0681 800.000 699.168 50.055 0.0551 750.000 749.282 50.114 0.1141 700.000 799.150 49.868 -0.1321 650.000 849.308 50.158 0.1581 600.000 899.492 50.184 0.1841 550.000 949.600 50.108 0.108

表 2 圆形码远距离测量数据

开始

采集图像并处理

根据两侧边缘求视距

大于10m钥N

Y求中心大圆中心

根据圆心距求出对应编码

实时显示视高

停止钥

结束

YN

求两侧小圆圆心

根据圆心距求出对应编码

左右视高取平均值

图9 系统软件设计程序框图

数字水准测量嫡解研研究

关闭相机 保存图片

测量方法

霍夫变换 质心

显示网格 网格大小院 + -停止测量20

退出

高度院

精度院

序列院

距离院观测结果院

测量平均次数院

17.364 3m

3333220.244186mm

1566.038 936mm

图10 软件测试界面

表示图像高度遥y=D / 渊 f窑啄窑Height冤 渊12冤

设计 2 m 作为最近视距袁10 m 左右作为远近视

观测距离

0.373mABS 坐标/

mm 测量高/mm 高度差/mm 误差/mm

模拟视距

2.389m

1 203.000 296.973 - -1 153.000 347.111 50.138 0.1381 103.000 397.005 49.894 -0.1061 053.000 447.057 50.052 0.0521 003.000 496.951 49.894 -0.106953.000 546.985 50.034 0.034903.000 597.160 49.922 -0.078853.000 647.082 49.857 -0.143803.000 696.946 50.033 0.033753.000 746.936 49.997 -0.003

表 1 圆形码近距离测量数据

李学鹏袁等院数字水准仪测量编解码技术研究 21

中国测试 2018 年 5 月

图11 实验用条码尺

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100观测距离/m

0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014

图12 精度与视距关系理论计算结果渊圆形码冤

000.5

10 20 30 40 50观测距离/m

60 70 80 90 100

1.01.52.02.53.0

图13 精度与视距关系理论计算结果渊条形码冤

距的分界线袁以大码观测为例袁在视野内出现的码元

数量为

N= floor渊y+12冤/渊2窑R+驻軍冤 渊13冤2窑R+驻軍为码元之间平均圆心距袁floor渊冤函数表示

向下取整遥 参与运算的所有码元中的像素数为

sum=PI窑渊R窑Heigthy 冤2窑N 渊14冤

按照误差理论与数据处理袁单点定位误差为

啄1=驻/ sum姨 渊15冤那么与视距的关系理论计算结果如图 12 所

示袁从图中可以看出袁在用圆形码小码观测时袁在 10m的时候测量误差最大袁测量标准差是 0.001 mm袁在用大码观测时在 100 m 时误差最大袁测量标准差是

0.014mm遥2.2.2 条形编码理论分析

条形码的单点测量精度由式渊5冤可知院啄2= Width

啄窑L軈 渊16冤单点测量精度与视距的关系如图 13 所示遥从图

中可以看出袁在用条形码进行观测时袁测量误差与观

测距离成线性关系袁在 100m时袁误差达到 2.833mm遥2.2.3 实验结果分析

通过实验测试远近不同距离下视高的观测

精度袁由表 1耀表 4 的观测记录可以看出袁圆形码在

最近和最远的高差测量标准差分别是依0.096 mm袁依0.143mm曰同等测量环境条件下袁条形码在最近和最

远测量的高差标准差分别是依0.121 mm袁依 3.894 mm遥两种实验测量结果均比理论误差要大遥 误差来源主

要包括 CCD 相机量化误差尧标尺刻化误差尧视准线

误差尧大气抖动[12]袁此外袁光照不均匀等因素对图像

的边缘提取也有一定的影响[13]遥 在同等实验条件下袁在近距离时袁两种编码方式精度相近袁但是当距离不

断增加时袁圆形编码的精度要高于条形码袁在 100 m左右的时候袁圆形编码要优于条形码一个数量级遥通

过测试袁软件进行一次测量的时间约为 250 ms遥 实

观测距离

0.373mABS 坐标/

mm 测量高/mm 高度差/mm 误差/mm

模拟视距

2.389m

680.000 239.768 - -630.000 289.588 49.820 -0.120580.000 339.771 50.183 0.183530.000 390.000 50.229 0.229480.000 439.943 49.943 -0.057430.000 490.042 50.099 0.099380.000 540.087 50.045 0.045330.000 590.243 50.156 0.156280.000 640.360 50.117 0.117230.000 690.303 49.943 -0.057

表 3 条形码近距离测量数据

观测距离

15.555mABS 坐标/

mm 测量高/mm 高度差/mm 误差/mm

模拟视距

99.556m

605.000 263.703 - -555.000 289.588 47.080 -2.920505.000 339.771 45.754 -4.246455.000 390.000 55.677 5.677405.000 439.943 52.046 2.046355.000 490.042 51.534 1.534305.000 540.087 54.538 4.538255.000 590.243 45.558 -4.442205.000 640.360 48.647 -1.353155.000 690.303 54.059 4.059

表 4 条形码远距离测量数据

22

第 44 卷第 5 期

性综合验证方案遥 通过证明在规定的测试性指标点

估计值范围内二项分布和正态分布的近似性袁 为综

合验证方案提供了理论依据遥 最后在同一试验对象

下对两种方案进行对比验证袁 结果表明该方案不仅

可行袁 且明确了样本量计算方法袁 实现了样本量优

化遥 同时该方案实现了对检测率尧 隔离率的量值估

计袁更具有实用价值遥 但是袁该方案只在 0.1臆P臆0.9的条件下适用袁当 P<0.1 或 P>0.9 时袁二项分布与正

态分布近似性较差袁该方法无法使用遥参考文献

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渊上接第 16 页冤

验测试中袁软件稳定尧可靠遥 理论上观测距离能到

100 m袁单点测量绝对误差小于依0.2 mm袁符合常用的

数字水准仪的测量精度要求遥3 结束语

实验数据表明袁本文所提出的编解码设计方案

原理上是正确的袁在技术上也是可行的袁达到了准实

时测量的要求遥 本文研究的成果为数字水准仪的研

制奠定了一个良好的理论基础遥同时袁也给现有编码

尺的设计方案提供了一种较好的设计思路袁这种新

型的设计方法袁具有一定的实用价值遥参考文献

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渊编辑院刘杨冤

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