摘要：针对国内文献很少涉及国外数字水准仪发展现状的问题，根据国外最新资料，介绍了国外数字水准仪测量技术的最新发展，如自动数字水准仪、图像全站仪精密水准条码读数尺、自发光条码尺、非因瓦带精密发光条码尺。希望国外最新的研究成果能启发我国测绘仪器研究领域的思考，推动我国测绘仪器制造商开发出新一代符合信息测绘要求的数字水准仪。
关键词：数字水准仪图像全站仪条码尺水准测量
引言
测量仪器的数字化、智能化、小型化、多功能化是现代测绘技术发展的趋势。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，是集光、机、电、算为一体的高科技测量设备。目前，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，但是其测量原理都具有共性。当前数字水准仪在原理上有相关法、几何法和相位法3种自动电子读数方法。国产数字水准仪研究发展起步较晚，现有大部分技术均为单一形式的条形码进行编码。传统的数字水准仪在水准测量时，由于受视场的制约，近距离解码信息不足，远距离分辨率不高，所以精度受限。近几年来也不断有人提出新的使用二维编解码的方法。
1数字水准仪发展历程
数字水准仪已经成为当今一种常见的测量仪器，国内外许多测绘仪器生产厂家都在大规模地生产，也在我国的测绘生产中大量使用。在我国使用的数字水准仪中，高精度的数字水准仪主要由瑞士Leica公司、美国Trimble公司及日本Topcon公司制造；普通精度的数字水准仪则由我国的仪器生产厂家制造。虽然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，但就其测量原理和基本构造而言是具有共性的，即数字水准仪由主机、条码尺及数据处理软件三大部分组成：主机是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，它由望远镜物镜系统、补偿器、分光棱镜、目镜系统、图像传感器、计算机、键盘等组成；条码尺由宽度相等或不等的黑白（黄）条码按某种编码规则进行有序排列而成；数据处理软件对图像传感器获取的图像进行处理，获得视距及视线高。数据处理软件及与数字水准仪相配套的条码尺的编码方法构成了数字水准仪技术的核心，其中条码尺的编码方法为仪器生产厂家的专利保护条款。在1990年代初瑞士Leica公司研发第一代对数字水准仪时，由于对其测量原理认识不足，致使需要在第一代水准仪NA2000上安置调焦镜位置传感器用于测量视距，然后才能够快速计算出测量结果，如果不能够事先已知视距，则需要在整个测量范围进行相关运算，即从最短视距开始，对整个标尺进行相关运算，如果没有获得结果，则以一定的步长增加视距，进行重复的运算工作，直到获得测量结果。这是天量运算，在野外根本无法实现。随着人们对数字水准仪测量原理的进一步认识，即采用条码尺的条码本身宽度及其在图像传感器上影像之间的相互关系确定视距，其它厂家生产出的数字水准仪均取消了调焦镜位置传感器。为了适应野外恶劣的环境条件，仪器生产厂家一方面继续改进仪器的光机结构，使仪器的光机性能更加稳定；另一方面优化图像数据处理软件，消除原软件的不足。在采取这些综合措施后，数字水准仪的性能更加稳定、测量结果更加可靠。各个仪器生产厂家也相应推出了第二代数字水准仪，例如瑞士Leica公司的DNA系列及SPRINTER系列数字水准仪、美国Trimble公司的DNi12数字水准仪、日本Topcon公司的DL101C/DL102C数字水准仪等。虽然瑞士Leica公司的DNA系列属于第二代数字水准仪，但它仍然采用Leica公司最初的因瓦条码尺编码原理进行编码，测量原理没有改变，因此在主机上仍然设置有调焦镜位置传感器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆瑞士Leica公司的SPRINTER系列数字水准仪采用了新的编码方法，能够利用条码尺的条码本身宽度及其在图像传感器上影像之间的相互关系确定视距，因此也不需要调焦镜位置传感器来确定视距了。最初应用到仪器上的图像传感器均是线阵电荷藕合器件（chargecoupleddevice，CCD）传感器，随着图像传感器技术的进步，SPRINTER系列数字水准仪已经采用了互补金属氧化物半导体（complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS）传感器，CMOS对图像的感应速度远高于CCD且价格低廉，但过去CMOS的分辨率低于CCD，因而限制了CMOS传感器件的应用，如今CMOS的分辨率也大为改观，已不逊于CCD器件，应用领域得到很大拓展，相信会有更多的数字水准仪厂家把目光投向CMOS器件。为发展国产数字水准仪，我国许多科技人员自1990年起就开始对数字水准仪测量系统的相关问题进行过研究。最初集中在弄清楚数字水准仪的测量原理，发表的研究成果都是在重复介绍仪器生产厂家的技术资料，从2004年开始，国内有关专家才在数字水准仪的编码原理上取得了突破，提出了规避国外专利限制的编码方法，为国产数字水准仪研究突破奠定了理论基础，自此数字水准仪的国产化才进入了蓬勃发展时期。
2数字水准仪编解码原理
2.1编码原理
仪器在测量范围（视距范围2~100m，视线高0~3m）上获得的任意一段图像与其他相同长度的图像互不相同。由于在2~100m的视距范围内，图像传感器接收的条码图像变化长达几十种，故对水准尺编码时要做到[5-6]：1）码元要足够大，使得仪器在远距离观测时，能够区分不同的码元。2）码元的种类要足够多，在近距离测量时，最小码段图像有多重变化，使得仪器能够区分出标尺的不同位置。视准测量时，主机和编码尺在空间上是分离的，而水准仪望远镜的视场角和焦距不变，于是存在以下问题：近距离时要满足一定的解码样本数，所以码元不能太大，中远距离测量时要使系统分辨率达标，码元又不能太小。实际上这是相互矛盾的：在仪器视场一定的条件下，码元如果越大，码元的种类就越少，就越难解决近视距时测量时的多值性问题；码元越小，远视距时就越难区分不同的码元。本文提出的一种基于基本码元是圆形的标尺，远近不同距离采用不同进制编解码方案，解决传统条码尺近距离多值性问题和远距离分辨率低的问题。图像测量中，标志点的选择直接关系到测量的速度和精度，在以往的标尺设计上，都是以条形码作为基本码元，在本方案中选用圆形码是考虑到：圆形码，形状规则，具有各向同性的优良性质，在图像处理过程中，圆心位置始终保持不变。
2.2混合编码
在近距离物方视场较小，靶标视角较大的时候采用小码，使视场中有充分的解码信息，在远距离，物方视场较大，靶标视角较小，分辨率降低，则采用大码解码，使图像能够被分辨。
结语
测量仪器的数字化、智能化、小型化、多功能化是现代测绘技术发展的趋势。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，是集光、机、电、算为一体的高科技测量设备。目前，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，但是其测量原理都具有共性。希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发.
参考文献：
[1]张志勇.数字水准仪的原理特点及测量算法综述[J].大坝与安全，2004（S1）：4-9.
[2]刘辉.数字水准仪的测量原理及误差分析[J].工业C，2016（6）：84.
论文作者:李帅
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：水准仪论文; 数字论文; 测量论文; 条码论文; 视距论文; 仪器论文; 原理论文; 《基层建设》2018年第30期论文;