條碼遮擋對(duì)CL04A數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果的影響

成 樞，桑澤磊，程旭明，鄧尚奇

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

自徠卡公司發(fā)明第一代產(chǎn)品NA2000以來(lái)[1]，數(shù)字水準(zhǔn)儀憑借快速精確等優(yōu)點(diǎn),逐漸替代光學(xué)水準(zhǔn)儀,但其實(shí)際使用易受外界干擾，如光照、溫度和條碼污損等。本文對(duì)條碼遮擋因素進(jìn)行研究。郭金運(yùn)[2]研究了標(biāo)尺遮擋對(duì)DiNi12和DL-101C數(shù)字水準(zhǔn)儀讀數(shù)的影響，并概括了條碼遮擋率。岳建平[3]發(fā)現(xiàn)高程讀數(shù)對(duì)條碼刻痕和遮蔽較敏感。鈄春紅[4]通過(guò)是否對(duì)稱遮擋實(shí)驗(yàn)得出視距越遠(yuǎn)容許遮擋率越高，反之越低。李彩霞[5]分析了水準(zhǔn)儀識(shí)別錯(cuò)誤條碼并剔除相關(guān)數(shù)據(jù)的程序，列舉了幾種水準(zhǔn)儀最短視距下容許遮擋條碼個(gè)數(shù)。白鋆和熊指南[6]根據(jù)天寶DiNi12的測(cè)量原理，遮擋標(biāo)尺上不同寬度的條碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果更具說(shuō)服力。顯然，以往測(cè)繪工作者均以國(guó)外品牌為例探討條碼遮擋對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量的影響，而國(guó)產(chǎn)儀器同樣具有前景[7]，對(duì)其進(jìn)行后續(xù)研究是一件非常有意義的工作。本文對(duì)CL04A數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行條碼遮擋實(shí)驗(yàn)。

1 CL04A數(shù)字水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介

CL04A是由南方測(cè)繪集團(tuán)旗下的廣州天宇公司為全國(guó)高校大學(xué)生測(cè)繪技能大賽全新研制的國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀。

1.1 CL04A的測(cè)量原理概述

如圖1所示，CL04A測(cè)量系統(tǒng)由主機(jī)、條碼尺和圖像處理3部分構(gòu)成，其測(cè)量原理概括為根據(jù)條碼尺的編碼信息來(lái)確定視準(zhǔn)軸的位置。

圖1 CL04A數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量原理圖

(1)首先從標(biāo)尺獲取一段條碼圖像，與任意圖像段互不相同。滿足該條件的最小圖像段稱為碼區(qū)并編號(hào)，將各條碼對(duì)應(yīng)的粗讀值及編號(hào)存入水準(zhǔn)儀作為數(shù)據(jù)處理時(shí)的基準(zhǔn)值；

(2)條碼標(biāo)尺的定位。① 識(shí)別條碼圖像：提取條碼的邊緣位置、寬度、中心等信息并確定在圖像傳感器上的幾何位置；② 確定視距：根據(jù)條碼圖像特征信息，求解物像比及視距；③ 確定視線高：即定位視準(zhǔn)軸在條碼標(biāo)尺上的對(duì)應(yīng)位置。

1.2 與CL04A配套的條碼標(biāo)尺

本實(shí)驗(yàn)使用索佳條碼標(biāo)尺。特點(diǎn)：① 尺長(zhǎng)2 m，條碼數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。② 條碼段具有唯一性。條碼的寬度和組合多樣，無(wú)論遠(yuǎn)近視距，儀器均能快速識(shí)別不同的條碼圖像。③ 標(biāo)尺上的相鄰黑黃條碼的中心間距共有15種，如表1所示。

表1 索佳條碼標(biāo)尺的相關(guān)參數(shù)

1.3 CL04A的主要技術(shù)參數(shù)

(1)每公里往返標(biāo)準(zhǔn)偏差為：±1.0 mm。

(2)電子測(cè)距范圍是1.8～110 m。

(3)單次測(cè)量時(shí)間一般條件下小于3 s。

(4)高度最小顯示為0.01 mm，距離最小顯示為0.01 m。

2 條碼尺遮擋試驗(yàn)

2.1 已有參數(shù)分析

表2中CL04A的條碼標(biāo)尺容許遮擋率與距離呈線性關(guān)系，值得推敲，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

表2 CL04A出廠給定的遮擋參數(shù)

2.2 條碼標(biāo)尺對(duì)稱遮擋

CL04A望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角是1°20′。以9.74、19.95、30.10、40.05、49.81 m視距測(cè)量時(shí)，視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)標(biāo)尺長(zhǎng)度分別為227、464、700、932、1 159 mm。用深色紙片從標(biāo)尺截距的上下限按相等長(zhǎng)度逐漸向中間遮擋，如圖2-圖5所示(部分)，直至無(wú)法讀數(shù)。

圖2 無(wú)遮擋時(shí)視場(chǎng)可見(jiàn)條碼尺

圖3 視距19.95 m遮擋22%視場(chǎng)可見(jiàn)條碼尺

圖4 視距9.74 m遮擋17%視場(chǎng)可見(jiàn)條碼尺

圖5 視距9.74 m遮擋51%時(shí)視場(chǎng)可見(jiàn)條碼尺

對(duì)不同視距的不同遮擋條件進(jìn)行多次測(cè)量，得到如表3數(shù)據(jù)所示(只列舉視距為9.74 m的測(cè)量結(jié)果)。其中，視距和視線高的測(cè)量結(jié)果取平均值，并求取視線高的中誤差(取正值)。式(1)為中誤差計(jì)算公式，Δ表示觀測(cè)值與平均值之差，n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

表3 視距為9.74 m時(shí)不同遮擋的測(cè)量結(jié)果

(1)

通過(guò)對(duì)不同視距的實(shí)測(cè)結(jié)果，分析得出只要能讀數(shù)，條碼遮擋對(duì)視距無(wú)影響；對(duì)視線高有一定的影響。將5種視距對(duì)應(yīng)的條碼遮擋引起的視線高變化繪制成折線圖，如圖6所示。

圖6 不同視距不同遮擋比例引起的視線高變化

2.3 條碼標(biāo)尺非對(duì)稱遮擋

為了對(duì)短、長(zhǎng)視距分別研究，本文將1.8～10 m范圍設(shè)置成短視距，大于10 m范圍設(shè)置成長(zhǎng)視距。

2.3.1 短視距

CL04A的最短測(cè)量距離是1.8 m,該距離下望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)條碼尺長(zhǎng)度是42 mm,自上至下依次是“黑、黃、黑、黃”4個(gè)條碼，將其中的黃色條碼分別記為“黃色條碼1”“黃色條碼2”。為了檢驗(yàn)條碼遮擋對(duì)精測(cè)讀數(shù)的影響，分別用2 mm寬的黑色條碼遮擋不同位置的黃色條碼后進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 短視距時(shí)2 mm的黑色條碼遮擋不同位置的黃色條碼測(cè)量結(jié)果

2.3.2 長(zhǎng)視距

選取19.950 m和30.105 m兩個(gè)視距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)視距時(shí)視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)條碼較多，考慮到條碼位置的特殊性，對(duì)兩個(gè)視距，先選取視場(chǎng)內(nèi)上、下絲之間的這段條碼，自上而下分別找到對(duì)應(yīng)上、中、下絲位置最近的黃色條碼，依次記為“黃色條碼1”“黃色條碼2”和“黃色條碼3”，進(jìn)行遮擋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5-表6所示。

表5 視距為19.950 m時(shí)遮擋黃色條碼的測(cè)量結(jié)果

表6 視距為30.105 m時(shí)遮擋黃色條碼的測(cè)量結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)稱和非對(duì)稱遮擋條碼標(biāo)尺后實(shí)測(cè)，得到表3至表6相關(guān)數(shù)據(jù)及圖6?？蓪⑦@兩種遮擋視為：縮短視場(chǎng)范圍和隨機(jī)遮擋某個(gè)條碼。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：① 無(wú)論是縮短視場(chǎng)范圍還是隨機(jī)遮擋某個(gè)條碼，只要水準(zhǔn)儀能夠正常讀數(shù)，對(duì)視距測(cè)量結(jié)果影響極小。② 對(duì)稱遮擋條件下，條碼遮擋與視距有關(guān)。根據(jù)圖6，當(dāng)遮擋比例固定時(shí)，隨著視距的增加，視線高變化放緩；當(dāng)視距固定時(shí)，隨著遮擋比例的增加，視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)條碼尺長(zhǎng)度縮短，視線高讀數(shù)的中誤差增大，且視距越短遮擋時(shí)引起的讀數(shù)變化越大。當(dāng)視距為9.74 m，遮擋比例達(dá)到51%時(shí)，儀器無(wú)法正常讀數(shù)。③ 非對(duì)稱遮擋條件下，即隨機(jī)遮擋，遮擋不同位置條碼產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)越靠近中絲的條碼被遮擋時(shí)，視線高讀數(shù)錯(cuò)亂的情況就越多。

3.1 條碼遮擋對(duì)視距測(cè)量結(jié)果的分析

圖7中，S為等效物鏡至條碼尺的距離，e為等效物鏡至儀器豎軸的距離，C0為儀器豎軸至傳感器焦線的距離，AB為視場(chǎng)內(nèi)條碼尺的特征量，ab為AB像長(zhǎng)，α為望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角，Ti為第i個(gè)條碼的粗測(cè)值，hi為水準(zhǔn)儀的視線高，Pi為第i個(gè)條碼至參考線的像素個(gè)數(shù)，t為第i個(gè)條碼的寬度。

圖7 CL04A數(shù)字水準(zhǔn)儀成像原理

由圖7可得物像比d，即：

(2)

CL04A與其他品牌數(shù)字水準(zhǔn)儀類似，計(jì)算視距s時(shí)，只與平均物像比d及物鏡的焦距f有關(guān)。

s=d×f

(3)

由式(2)可知，對(duì)稱遮擋條碼時(shí)，條碼標(biāo)尺的特征量AB的減少和像長(zhǎng)ab縮短是同步的，它們的比值是一定的，所以條碼遮擋對(duì)視距影響極小；隨機(jī)遮擋情況下，CL04A在計(jì)算平均物像比d時(shí)，已經(jīng)采取了一定的數(shù)據(jù)處理方式，剔除了個(gè)別條碼遮擋產(chǎn)生的粗差，而獲得了正確的視距。

3.2 條碼遮擋對(duì)視線高測(cè)量結(jié)果的分析

如圖7所示的幾何關(guān)系可以得到第i個(gè)條碼所確定的視線高，即：

hi=Ti+Pi×d

(4)

一般取n個(gè)條碼測(cè)量的平均值作為最后的測(cè)量結(jié)果，即：

(5)

將CL04A的圖像傳感器獲得的一段條碼處理后，與存儲(chǔ)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，首先確定出碼區(qū)內(nèi)每個(gè)條碼對(duì)應(yīng)的粗測(cè)值，條碼遮擋會(huì)致使儀器誤讀某個(gè)條碼的粗測(cè)值Ti；此外由式(2)知，越靠近視準(zhǔn)軸的黃色條碼，其Pi值越小，分母則越小，當(dāng)條碼遮擋引起Pi變化時(shí)，物像比d起伏越強(qiáng)烈，即便取n個(gè)條碼測(cè)量的平均值也難以抵消該影響，所以非對(duì)稱遮擋實(shí)驗(yàn)中遮擋黃色條碼2，導(dǎo)致視線高讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。而對(duì)稱遮擋時(shí)，短視距和遮擋比例的增加，導(dǎo)致條碼數(shù)量n明顯減小，視線高讀數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)。

3.3 解決措施

除了測(cè)量作業(yè)時(shí)注意尺面清潔，規(guī)避測(cè)程中的房屋、樹(shù)木等不利條件的影響；國(guó)產(chǎn)儀器廠家可以在原有讀數(shù)原理下設(shè)計(jì)新程序。當(dāng)從望遠(yuǎn)鏡觀察到存在條碼遮擋時(shí)，更改模式，利用上下絲的位置和視場(chǎng)內(nèi)條碼尺長(zhǎng)度來(lái)判斷視線高?；蛘呖筛鶕?jù)某一段條碼圖像還原出視場(chǎng)內(nèi)完整的條碼圖像，然后在虛擬圖像中進(jìn)行讀數(shù)。當(dāng)然，這些假設(shè)有待進(jìn)一步驗(yàn)證可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀CL04A，條碼遮擋的確會(huì)導(dǎo)致儀器讀數(shù)錯(cuò)誤的情況，視距越短，遮擋部位越靠近視準(zhǔn)軸，影響程度越大。本文對(duì)產(chǎn)生亂數(shù)的原因進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以作為此類問(wèn)題的一種參考。因此，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需注意條碼尺面的清潔，防止惡劣環(huán)境和不利條件的影響，這樣才能獲得最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。本文同時(shí)提出了設(shè)計(jì)相關(guān)新程序等粗淺的解決措施，希望未來(lái)國(guó)產(chǎn)儀器精度越來(lái)越高，更加智能化。