專利名稱：空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于大地測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的大地測(cè)量中常用的測(cè)量儀器如水平儀、經(jīng)緯儀、激光測(cè)距儀、全站儀等，其 方法都是一種基于測(cè)量遠(yuǎn)處空間目標(biāo)的距離和角度的大地測(cè)量原理。該測(cè)量方法和儀器的 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，缺點(diǎn)是測(cè)量效率低、空間各站點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)不具同時(shí)性，且不能實(shí)現(xiàn)實(shí) 施無人監(jiān)測(cè)。近期的一些能自動(dòng)測(cè)量距離角度變化的大地測(cè)量方法和儀器，如激光掃描三維建 模信息處理測(cè)量系統(tǒng)及激光光纖自動(dòng)測(cè)量位移裝置和方法等。這類測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度 較低，真正實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)測(cè)量還存在很大困難。如利用上述儀器在地鐵、隧道，石油輸 油管線，鐵路等大型建筑物的形變實(shí)現(xiàn)無人實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是難以做到的。更不能同時(shí)滿足 多目標(biāo)點(diǎn)同步檢測(cè)近代大規(guī)模建筑工程建設(shè)中，建筑物的沉降和水平位移等形變測(cè)量的要 求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有大地測(cè)量裝置存在的缺點(diǎn)，提供一種空間數(shù)字化大地 測(cè)量裝置。從而不需要通過測(cè)量遠(yuǎn)處目標(biāo)角度及距離就能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)無人監(jiān) 測(cè)的空間數(shù)字化大地測(cè)量。本實(shí)用新型是把日益完善的數(shù)字(XD、CMOS等數(shù)碼攝象攝影技術(shù)，成熟的望遠(yuǎn)鏡， 照相物鏡技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像信息處理技術(shù)和激光以及大功率高亮度LED近代光源技術(shù)有 機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)建或提供一種實(shí)現(xiàn)空間至少一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)同步實(shí)時(shí)，高精度、無人監(jiān)測(cè)的大 地測(cè)量裝置。為便于理解和實(shí)施，簡述本實(shí)用新型的測(cè)量基本原理和方法是必要的?？臻g數(shù)字化大地測(cè)量原理是一種基于建立物象空間數(shù)字化坐標(biāo)系中的目標(biāo)空間 位置的坐標(biāo)數(shù)字值相等的關(guān)系，把空間數(shù)字化測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)——即空間頻率，設(shè)置在被測(cè)空間 目標(biāo)處的象方空間數(shù)字坐標(biāo)系上，在數(shù)字空間坐標(biāo)系中進(jìn)行空間A/D、D/A數(shù)字變換計(jì)算， 直接在象方空間數(shù)字坐標(biāo)系上對(duì)空間目標(biāo)位置的空間坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。如圖1、3所示，首先利用一個(gè)處于數(shù)碼相機(jī)機(jī)身內(nèi)且與計(jì)算機(jī)相連的數(shù)字CXD靶 面上的象元陣網(wǎng)格建立一個(gè)以象元為數(shù)字單位，且能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算、處理，顯示的物 方空間數(shù)字坐標(biāo)系xoy，根據(jù)幾何光學(xué)共軛成像原理，把上述物方空間數(shù)字坐標(biāo)系xoy安置 在遙感圖像探測(cè)處理裝置中的遙感物鏡組的一側(cè)物距L處；則相應(yīng)在遙感物鏡組的另一側(cè) 象距L’的被測(cè)空間目標(biāo)處建立一象方數(shù)字空間坐標(biāo)系χ’ ο’ y，然后把有固定間隔的標(biāo)準(zhǔn) 長度AB的標(biāo)尺安裝在象方空間數(shù)字坐標(biāo)系χ’ 0’ r內(nèi)，憑借象方空間數(shù)字坐標(biāo)系χ’ 0’ r 中的目標(biāo)座標(biāo)數(shù)字值和物方空間目標(biāo)坐標(biāo)系xoy中的目標(biāo)座標(biāo)數(shù)字值相等的關(guān)系，便將在 物方空間數(shù)字坐標(biāo)系xoy測(cè)量到的標(biāo)尺AB的標(biāo)準(zhǔn)長度的投影象A’ B’數(shù)字值M，作為象方空間數(shù)字坐標(biāo)系X’ O’ 1’標(biāo)尺AB的數(shù)字值，且AB在物方空間數(shù)字坐標(biāo)系xoy上的投影像 A’ B’，與X軸或Y軸是重合的，進(jìn)行A/D數(shù)字變換計(jì)算，就可確定在被測(cè)空間目標(biāo)點(diǎn)處空間
數(shù)字坐標(biāo)系x’o’y’的空間頻率F(ZZ) = :最后移去標(biāo)尺AB，且在被測(cè)空間目標(biāo)點(diǎn)更換
AB，
安裝一被測(cè)點(diǎn)光源合作目標(biāo)C，用同樣方法在物方空間數(shù)字坐標(biāo)系xoy中，測(cè)出點(diǎn)光源合作 目標(biāo)在象方空間坐標(biāo)系χ’ O’ r中被測(cè)點(diǎn)光源合作目標(biāo)C的座標(biāo)數(shù)字值N’ x和N’ y，據(jù)此， 在空間目標(biāo)所在的象方空間數(shù)字坐標(biāo)系X’ O’ y’中利用空間頻率F(L’)直接在計(jì)算機(jī)中進(jìn) 行D/A變換計(jì)算，其中點(diǎn)光源合作目標(biāo)位置座標(biāo)計(jì)算公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>由此確定空間單個(gè)點(diǎn)光源合作目標(biāo)點(diǎn)的空間位置的坐標(biāo)值即得。利用上述公式在計(jì)算機(jī)中就可以同時(shí)確定分布在空間各點(diǎn)光源合作目標(biāo)的全部 空間位置坐標(biāo)值。依此就建立一種多空間目標(biāo)點(diǎn)的同步實(shí)時(shí)無人監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。
<formula>formula see original document page 4</formula>利用上述公式在計(jì)算機(jī)中就可以同時(shí)確定分布在空間各點(diǎn)光源合作目標(biāo)的全部 空間位置坐標(biāo)值。依此就建立一種多空間目標(biāo)點(diǎn)的同步實(shí)時(shí)無人監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。因此，本實(shí)用新型的技術(shù)方案，包括在被測(cè)空間目標(biāo)處設(shè)置的作為確定空間頻率、 有固定間隔標(biāo)準(zhǔn)長度的測(cè)量標(biāo)尺AB和測(cè)量時(shí)用的點(diǎn)光源合作目標(biāo)，以及在測(cè)量處設(shè)有的 固定在測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)上的遙感圖像探測(cè)裝置和與數(shù)字CXD用USB接口電纜相連的計(jì)算機(jī)三部 分，其中遙感圖象探測(cè)裝置包括由望遠(yuǎn)物鏡L1，耦合物鏡L2和固定在座架上的數(shù)碼相機(jī)變 焦攝影物鏡L3組成復(fù)合的遙感物鏡組，該數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3與相匹配接口的數(shù)碼相 機(jī)機(jī)身相連，并且分別設(shè)置在前機(jī)殼和后機(jī)殼中，前機(jī)殼和后機(jī)殼均密封固定在中間有通 孔的座架上，并憑借座架把遙感圖象探測(cè)裝置安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，且遙感圖像探測(cè)裝置中的望 遠(yuǎn)物鏡L1、數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3及耦合物鏡L2組成復(fù)合的遙感物鏡組，該遙感物鏡組
的合成焦距/合=/；(^·)，且必須滿足f合》f定的條件，,其中，δ為CCD象元
尺寸，Δ為目標(biāo)測(cè)量精度要求的位移最小值，Lmax為最大測(cè)量距離。另外，把本實(shí)用新型中的遙感圖象探測(cè)處理裝置和點(diǎn)光源合作目標(biāo)與激光測(cè)距裝 置相結(jié)合即可構(gòu)成三維大地監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)或裝置。上述的點(diǎn)光源合作目標(biāo)是由前后為小孔光欄與密封板的外殼，外殼內(nèi)的光源與前 方的玻璃窗五部分組成有自主發(fā)光的主動(dòng)型式的點(diǎn)光源合作目標(biāo)。本實(shí)用新型完善地實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)和無人監(jiān)測(cè)的空間數(shù)字化大地測(cè)量。[0020]
圖1為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的被動(dòng)型點(diǎn)光源合作目標(biāo)示意圖。圖3為本實(shí)用新型的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型計(jì)算機(jī)顯示屏上的坐標(biāo)顯示的示意圖。其中，1.前機(jī)殼；2.后機(jī)殼；3.座架；4數(shù)字CCD ；5.數(shù)碼相機(jī)機(jī)身；6.計(jì)算機(jī)； 7.點(diǎn)光源合作目標(biāo)；8.旁軸光欄；9.玻璃窗口 ；10.密封墊；11.轉(zhuǎn)臺(tái)；12.遙感圖像探測(cè) 裝置；13.電纜頭；14. USB接口電纜； 15.外殼；16.玻璃窗；17.小孔欄；18.光源；19.密封 板；20.反射棱鏡或反饋性反光膜；21.激光器；22.遙感物鏡組；C為點(diǎn)光源合作目標(biāo)位置 坐標(biāo)；C’為點(diǎn)光源合作目標(biāo)在坐標(biāo)xoy上的象；AB-在合作目標(biāo)處的測(cè)量標(biāo)尺；A’ B’為AB 在坐標(biāo)xoy上的象。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖3所示，本實(shí)用新型包括在被測(cè)空間目標(biāo)處設(shè)置的作為確定空間頻率、 有固定間隔標(biāo)準(zhǔn)長度的測(cè)量標(biāo)尺AB和測(cè)量時(shí)用的點(diǎn)光源合作目標(biāo)7，以及在測(cè)量處設(shè)有的 固定在測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)11上的遙感圖像探測(cè)裝置12和與數(shù)字(XD4用USB接口電纜14相連的計(jì) 算機(jī)6三部分，其中遙感圖象探測(cè)裝置12包括由望遠(yuǎn)物鏡L1，耦合物鏡L2和固定在座架3 上的數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3組成復(fù)合的遙感物鏡組22，該數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3與 相匹配接口的數(shù)碼相機(jī)機(jī)身5相連，并且分別設(shè)置在前機(jī)殼1和后機(jī)殼2中，同軸相接的前 機(jī)殼1和后機(jī)殼2均密封固定在中間有通孔的座架3上，并憑借座架3把遙感圖象探測(cè)裝 置12安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)11上，且遙感圖像探測(cè)裝置12中的望遠(yuǎn)物鏡L1、數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡
L3及耦合物鏡L2組成復(fù)合的遙感物鏡組22，其合成焦距/合= λγ)，且必須滿足fg彡f
定的條件，/f |/max，其中，δ為C⑶象元尺寸，Δ為目標(biāo)測(cè)量精度要求的位移最小值， Lmax為最大測(cè)量距離。根據(jù)測(cè)量距離和精度要求，fg可以從0. 5米 12米以上內(nèi)選取。上述遙感物鏡組22還可由焦距為&的單個(gè)定焦物鏡構(gòu)成，且&彡fe，
/ 定=臺(tái)/max，其中，δ為(XD象元尺寸，Δ為目標(biāo)測(cè)量精度要求的位移最小值，Lmax為最大測(cè)
量距離?？紤]到多目標(biāo)點(diǎn)的空間數(shù)字化大地測(cè)量和克服空間強(qiáng)背景的需要，在前機(jī)殼1的 窗口玻璃9外面又設(shè)置一個(gè)旁軸光欄8，以便于獲得空間各目標(biāo)點(diǎn)的清晰對(duì)稱彌散斑的圖 象，提高測(cè)量精度和保證位移的測(cè)量范圍。為實(shí)現(xiàn)照相物鏡工作距離上的空間數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則只要把遙感物鏡組22中 的望遠(yuǎn)物鏡組L1或定焦物鏡&，用照相物鏡來替代，構(gòu)成照相物鏡工作距離上的空間數(shù)字 化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。為了實(shí)現(xiàn)顯微鏡物鏡工作距離上的空間數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則只要把遙感物鏡組22 中的望遠(yuǎn)物鏡組L1或定焦物鏡&，用顯微鏡物鏡來替代，構(gòu)成顯微鏡物鏡工作距離上的空間數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。點(diǎn)光源合作目標(biāo)7可以有主動(dòng)發(fā)光型和被動(dòng)發(fā)光型兩種型式其中主動(dòng)型點(diǎn)光源合作目標(biāo)7是由前后為小孔光欄17與密封板19的外殼15，夕卜 殼15內(nèi)的光源18與前方的玻璃窗五部分組成。光源18是發(fā)光二極管LED或小功率激光 器。高亮度合作目標(biāo)7主體通常是由作為光源的1 3瓦光電二極管LED及其后的密封板 構(gòu)成的外殼，外殼前端平面開一小孔直徑為Φ =0.5 2mm作為小孔光欄17，適合測(cè)量的 工作距離在100 200米范圍內(nèi)使用，更遠(yuǎn)距離時(shí)小孔直徑及發(fā)光二極管功率相應(yīng)增大。點(diǎn)光源合作目標(biāo)7的主動(dòng)發(fā)光型 和被動(dòng)發(fā)光型在結(jié)構(gòu)上基本相同。不同的是被動(dòng) 型點(diǎn)光源合作目標(biāo)7的光源是用外部激光器21或其它窄光束光源照明。外部的照明光源 如激光器，可以設(shè)置在遙感圖象探測(cè)裝置12上，且在主動(dòng)型點(diǎn)光源合作目標(biāo)7的光源18處 是用反射稜鏡或反饋性反光膜替代原光源18的LED即可。點(diǎn)光源合作目標(biāo)7是被動(dòng)型，其 組成包括設(shè)置在前機(jī)殼1上激光器21，和設(shè)置在被測(cè)量處的由前后為小孔光欄17與密封 板19的外殼15，以及外殼15內(nèi)的反射稜鏡或反饋性反光膜20與前方的玻璃窗16。通常 被動(dòng)型用在無電源供電的測(cè)量處。把本實(shí)用新型中的遙感圖象探測(cè)處理裝置12和點(diǎn)光源合作目標(biāo)7與激光測(cè)距裝 置相結(jié)合可構(gòu)成三維大地監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)或裝置，該激光測(cè)距裝置可以設(shè)置在前機(jī)殼1上， 也可以分體單獨(dú)設(shè)置。本實(shí)用新型在隧道位移形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例根據(jù)位移沉降測(cè)量精度要求在200米為士 Imm ；且在200米中有20個(gè)測(cè)量點(diǎn)；并 且實(shí)現(xiàn)無人實(shí)時(shí)多點(diǎn)同步自動(dòng)監(jiān)測(cè)。先在200米內(nèi)布置在隧道壁上相互不遮擋的20個(gè)主動(dòng)發(fā)光型點(diǎn)光源合作目標(biāo)7 和標(biāo)尺AB的安裝點(diǎn)，最遠(yuǎn)200米，最近20米，間隔為9米；又在測(cè)量處安裝遙感物鏡組距 為6米的遙感圖像探測(cè)裝置12及其相連的計(jì)算機(jī)6，把標(biāo)尺AB從遠(yuǎn)到近逐個(gè)安裝在安裝點(diǎn) 上，以確定空間20個(gè)空間點(diǎn)光源合作目標(biāo)7安裝點(diǎn)的空間頻率并貯存在計(jì)算機(jī)中，再.移 走標(biāo)尺AB把20個(gè)點(diǎn)光源合作目標(biāo)7安裝在上述安裝點(diǎn)上，把上述的遙感物鏡組對(duì)焦到最 遠(yuǎn)的空間合作目標(biāo)7，又在遙感圖像探測(cè)裝置12的遙感物鏡組前調(diào)整或直接安裝一孔徑Φ =5mm的旁軸光欄8，在計(jì)算機(jī)顯示屏上觀察20個(gè)點(diǎn)光源合作目標(biāo)7基本均勻分布，并使最 近空間點(diǎn)光源合作目標(biāo)7的成象光束在計(jì)算機(jī)顯示屏觀察到一對(duì)稱性很好的小彌散圓斑， 設(shè)置攝象時(shí)間間隔及暴光時(shí)間，該裝置就能對(duì)地鐵隧道的位移形變實(shí)現(xiàn)無人多點(diǎn)同步實(shí)時(shí) 自動(dòng)監(jiān)測(cè)。標(biāo)尺AB的長度可取測(cè)量精度要求的1-100倍的范圍內(nèi)，通?？扇?shù)十倍，如本實(shí) 施例中，其測(cè)量精度要求為士 1mm，選用標(biāo)尺AB的長度是25mm。
權(quán)利要求空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是包括在被測(cè)空間目標(biāo)處設(shè)置的作為確定空間頻率的測(cè)量標(biāo)尺(AB)和安裝在建筑物的點(diǎn)光源合作目標(biāo)(7)，以及在測(cè)量處的固定在測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)(11)上的遙感圖像探測(cè)裝置(12)和與數(shù)字CCD(4)用USB接口電纜(14)相連的計(jì)算機(jī)(6)三部分，其中遙感圖象探測(cè)裝置(12)包括有望遠(yuǎn)物鏡L1，耦合物鏡L2和固定在座架(3)上的數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3組成復(fù)合遙感物鏡組(22)，該數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3與相匹配接口的數(shù)碼相機(jī)機(jī)身(5)相連，并且分別設(shè)置在前機(jī)殼(1)和后機(jī)殼(2)中，前機(jī)殼(1)和后機(jī)殼(2)均密封固定在中間有通孔的座架(3)上，并憑借座架(3)把遙感圖象探測(cè)裝置(12)設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)(11)上，且遙感圖像探測(cè)裝置(12)中的望遠(yuǎn)物鏡L1、數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3及耦合物鏡L2組成的復(fù)合遙感物鏡組(22)，其合成焦距 且必須滿足f合≥f定的條件，其中 δ為CCD象元尺寸，Δ為最遠(yuǎn)目標(biāo)測(cè)量精度要求的位移最小值，Lmax為最大測(cè)量距離；上述點(diǎn)光源合作目標(biāo)(7)是由前后為小孔光欄(17)與密封板(19)的外殼(15)，外殼(15)內(nèi)的光源(18)與前方的玻璃窗(16)五部分組成，所述光源(18)是發(fā)光二極管LED或小功率激光器。dest_path_FSB00000094336200011.tif,dest_path_FSB00000094336200012.tif
2.如權(quán)利要求1所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是上述遙感物鏡組(22)是由 焦距為&的單個(gè)定焦物鏡構(gòu)成，且&彡€￡，/^=|/ 1狀，其中，δ為C⑶象元尺寸，Δ為最遠(yuǎn)目標(biāo)測(cè)量精度要求的位移最小值，Lmax為最大測(cè)量距離。
3.如權(quán)利要求1所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是上述點(diǎn)光源合作目標(biāo)(7) 是被動(dòng)型，即該點(diǎn)光源合作目標(biāo)(7)的光源(18)是用激光器(21)的窄光束光源照明，和前 后為小孔光欄(17)與密封板(19)的外殼(15)，以及外殼(15)內(nèi)的反射棱鏡或反饋性反光 膜與前方的玻璃窗(16)組成，其中激光器(21)設(shè)置在前機(jī)殼(1)上方。
4.如權(quán)利要求1所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是上述前機(jī)殼(1)的窗口玻 璃(9)外面又設(shè)置一個(gè)旁軸光欄(8)。
5.如權(quán)利要求1所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是所述的遙感圖象探測(cè)處理 裝置(12)中的望遠(yuǎn)物鏡組L1用照相物鏡來替代而構(gòu)成照相物鏡工作距離上的空間數(shù)字化 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
6.如權(quán)利要求2所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是所述的焦距為&的單個(gè)定 焦物鏡用照相物鏡來替代而構(gòu)成照相物鏡工作距離上的空間數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置，其特征是所述的遙感圖象探測(cè)處理 裝置(12)中的遙感物鏡組中的望遠(yuǎn)物鏡組L1用顯微鏡物鏡來替代，構(gòu)成顯微鏡物鏡工作 距離上的空間數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種空間數(shù)字化大地測(cè)量裝置。其特征是該測(cè)量裝置包括在被測(cè)空間目標(biāo)處設(shè)置的標(biāo)尺和點(diǎn)光源合作目標(biāo)，以及在測(cè)量處的固定在測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)上的遙感圖像探測(cè)裝置和與數(shù)字CCD用USB接口電纜相連的計(jì)算機(jī)，其中遙感圖象探測(cè)裝置包括有望遠(yuǎn)物鏡L1，耦合物鏡L2和固定在座架上的數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3組成復(fù)合遙感物鏡組，復(fù)合感物鏡組的合成焦距該數(shù)碼相機(jī)變焦攝影物鏡L3與相匹配接口的數(shù)碼相機(jī)機(jī)身相連，并且分別設(shè)置在前機(jī)殼和后機(jī)殼中，同軸相連接的前機(jī)殼和后機(jī)殼均密封固定在中間有通孔的座架上，并憑借座架把遙感圖象探測(cè)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)上。本實(shí)用新型精度高，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步，實(shí)時(shí)無人監(jiān)測(cè)的大地測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/16GK201569415SQ200920026620
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者鄭冰, 鄭國星 申請(qǐng)人:鄭國星