条码遮挡对CL04A数字水准仪测量结果的影响

成 枢，桑泽磊，程旭明，邓尚奇

(山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

自徕卡公司发明第一代产品NA2000以来[1]，数字水准仪凭借快速精确等优点,逐渐替代光学水准仪,但其实际使用易受外界干扰，如光照、温度和条码污损等。本文对条码遮挡因素进行研究。郭金运[2]研究了标尺遮挡对DiNi12和DL-101C数字水准仪读数的影响，并概括了条码遮挡率。岳建平[3]发现高程读数对条码刻痕和遮蔽较敏感。钭春红[4]通过是否对称遮挡实验得出视距越远容许遮挡率越高，反之越低。李彩霞[5]分析了水准仪识别错误条码并剔除相关数据的程序，列举了几种水准仪最短视距下容许遮挡条码个数。白鋆和熊指南[6]根据天宝DiNi12的测量原理，遮挡标尺上不同宽度的条码进行实验，结果更具说服力。显然，以往测绘工作者均以国外品牌为例探讨条码遮挡对数字水准仪测量的影响，而国产仪器同样具有前景[7]，对其进行后续研究是一件非常有意义的工作。本文对CL04A数字水准仪进行条码遮挡实验。

1 CL04A数字水准仪简介

CL04A是由南方测绘集团旗下的广州天宇公司为全国高校大学生测绘技能大赛全新研制的国产数字水准仪。

1.1 CL04A的测量原理概述

如图1所示，CL04A测量系统由主机、条码尺和图像处理3部分构成，其测量原理概括为根据条码尺的编码信息来确定视准轴的位置。

图1 CL04A数字水准仪测量原理图

(1)首先从标尺获取一段条码图像，与任意图像段互不相同。满足该条件的最小图像段称为码区并编号，将各条码对应的粗读值及编号存入水准仪作为数据处理时的基准值；

(2)条码标尺的定位。① 识别条码图像：提取条码的边缘位置、宽度、中心等信息并确定在图像传感器上的几何位置；② 确定视距：根据条码图像特征信息，求解物像比及视距；③ 确定视线高：即定位视准轴在条码标尺上的对应位置。

1.2 与CL04A配套的条码标尺

本实验使用索佳条码标尺。特点：① 尺长2 m，条码数量少，结构简单。② 条码段具有唯一性。条码的宽度和组合多样，无论远近视距，仪器均能快速识别不同的条码图像。③ 标尺上的相邻黑黄条码的中心间距共有15种，如表1所示。

表1 索佳条码标尺的相关参数

1.3 CL04A的主要技术参数

(1)每公里往返标准偏差为：±1.0 mm。

(2)电子测距范围是1.8～110 m。

(3)单次测量时间一般条件下小于3 s。

(4)高度最小显示为0.01 mm，距离最小显示为0.01 m。

2 条码尺遮挡试验

2.1 已有参数分析

表2中CL04A的条码标尺容许遮挡率与距离呈线性关系，值得推敲，需要进一步实验。

表2 CL04A出厂给定的遮挡参数

2.2 条码标尺对称遮挡

CL04A望远镜的视场角是1°20′。以9.74、19.95、30.10、40.05、49.81 m视距测量时，视场内可见标尺长度分别为227、464、700、932、1 159 mm。用深色纸片从标尺截距的上下限按相等长度逐渐向中间遮挡，如图2-图5所示(部分)，直至无法读数。

图2 无遮挡时视场可见条码尺

图3 视距19.95 m遮挡22%视场可见条码尺

图4 视距9.74 m遮挡17%视场可见条码尺

图5 视距9.74 m遮挡51%时视场可见条码尺

对不同视距的不同遮挡条件进行多次测量，得到如表3数据所示(只列举视距为9.74 m的测量结果)。其中，视距和视线高的测量结果取平均值，并求取视线高的中误差(取正值)。式(1)为中误差计算公式，Δ表示观测值与平均值之差，n为观测值个数。

表3 视距为9.74 m时不同遮挡的测量结果

(1)

通过对不同视距的实测结果，分析得出只要能读数，条码遮挡对视距无影响；对视线高有一定的影响。将5种视距对应的条码遮挡引起的视线高变化绘制成折线图，如图6所示。

图6 不同视距不同遮挡比例引起的视线高变化

2.3 条码标尺非对称遮挡

为了对短、长视距分别研究，本文将1.8～10 m范围设置成短视距，大于10 m范围设置成长视距。

2.3.1 短视距

CL04A的最短测量距离是1.8 m,该距离下望远镜视场内可见条码尺长度是42 mm,自上至下依次是“黑、黄、黑、黄”4个条码，将其中的黄色条码分别记为“黄色条码1”“黄色条码2”。为了检验条码遮挡对精测读数的影响，分别用2 mm宽的黑色条码遮挡不同位置的黄色条码后进行测量，其测量结果如表4所示。

表4 短视距时2 mm的黑色条码遮挡不同位置的黄色条码测量结果

2.3.2 长视距

选取19.950 m和30.105 m两个视距进行实验。长视距时视场内可见条码较多，考虑到条码位置的特殊性，对两个视距，先选取视场内上、下丝之间的这段条码，自上而下分别找到对应上、中、下丝位置最近的黄色条码，依次记为“黄色条码1”“黄色条码2”和“黄色条码3”，进行遮挡。实验结果如表5-表6所示。

表5 视距为19.950 m时遮挡黄色条码的测量结果

表6 视距为30.105 m时遮挡黄色条码的测量结果

3 实验结果分析

通过对称和非对称遮挡条码标尺后实测，得到表3至表6相关数据及图6。可将这两种遮挡视为：缩短视场范围和随机遮挡某个条码。实验数据表明：① 无论是缩短视场范围还是随机遮挡某个条码，只要水准仪能够正常读数，对视距测量结果影响极小。② 对称遮挡条件下，条码遮挡与视距有关。根据图6，当遮挡比例固定时，随着视距的增加，视线高变化放缓；当视距固定时，随着遮挡比例的增加，视场内可见条码尺长度缩短，视线高读数的中误差增大，且视距越短遮挡时引起的读数变化越大。当视距为9.74 m，遮挡比例达到51%时，仪器无法正常读数。③ 非对称遮挡条件下，即随机遮挡，遮挡不同位置条码产生不同的影响，当越靠近中丝的条码被遮挡时，视线高读数错乱的情况就越多。

3.1 条码遮挡对视距测量结果的分析

图7中，S为等效物镜至条码尺的距离，e为等效物镜至仪器竖轴的距离，C0为仪器竖轴至传感器焦线的距离，AB为视场内条码尺的特征量，ab为AB像长，α为望远镜视场角，Ti为第i个条码的粗测值，hi为水准仪的视线高，Pi为第i个条码至参考线的像素个数，t为第i个条码的宽度。

图7 CL04A数字水准仪成像原理

由图7可得物像比d，即：

(2)

CL04A与其他品牌数字水准仪类似，计算视距s时，只与平均物像比d及物镜的焦距f有关。

s=d×f

(3)

由式(2)可知，对称遮挡条码时，条码标尺的特征量AB的减少和像长ab缩短是同步的，它们的比值是一定的，所以条码遮挡对视距影响极小；随机遮挡情况下，CL04A在计算平均物像比d时，已经采取了一定的数据处理方式，剔除了个别条码遮挡产生的粗差，而获得了正确的视距。

3.2 条码遮挡对视线高测量结果的分析

如图7所示的几何关系可以得到第i个条码所确定的视线高，即：

hi=Ti+Pi×d

(4)

一般取n个条码测量的平均值作为最后的测量结果，即：

(5)

将CL04A的图像传感器获得的一段条码处理后，与存储的参考数据进行对照，首先确定出码区内每个条码对应的粗测值，条码遮挡会致使仪器误读某个条码的粗测值Ti；此外由式(2)知，越靠近视准轴的黄色条码，其Pi值越小，分母则越小，当条码遮挡引起Pi变化时，物像比d起伏越强烈，即便取n个条码测量的平均值也难以抵消该影响，所以非对称遮挡实验中遮挡黄色条码2，导致视线高读数出现错误。而对称遮挡时，短视距和遮挡比例的增加，导致条码数量n明显减小，视线高读数产生波动。

3.3 解决措施

除了测量作业时注意尺面清洁，规避测程中的房屋、树木等不利条件的影响；国产仪器厂家可以在原有读数原理下设计新程序。当从望远镜观察到存在条码遮挡时，更改模式，利用上下丝的位置和视场内条码尺长度来判断视线高。或者可根据某一段条码图像还原出视场内完整的条码图像，然后在虚拟图像中进行读数。当然，这些假设有待进一步验证可行性。

4 结 语

针对国产数字水准仪CL04A，条码遮挡的确会导致仪器读数错误的情况，视距越短，遮挡部位越靠近视准轴，影响程度越大。本文对产生乱数的原因进行了分析，实验结果可以作为此类问题的一种参考。因此，在实际测量时，需注意条码尺面的清洁，防止恶劣环境和不利条件的影响，这样才能获得最准确的测量结果。本文同时提出了设计相关新程序等粗浅的解决措施，希望未来国产仪器精度越来越高，更加智能化。