具有自动高精度觇标点照准功能的大地测量装置的制作方法-山东亚星游戏官网机床有限公司

专利名称：具有自动高精度觇标点照准功能的大地测量装置的制作方法
具有自动高精度觇标点照准功能的大地测量装置
本发明涉及一种大地测量设备，尤其涉及根据权利要求I的前序部分所述的具有用于寻找觇标(target)的位置的自动高精度觇标照准(sighting)功能的经纟韦仪或全站仪，根据权利要求12的前序部分所述的以大地测量准确度(geodetic accuracy)寻找觇标的位置的方法，以及根据权利要求13的前序部分所述的可在(大地测量设备中的评估装置的形式的)电子数据处理单元上执行的计算机程序。
自很久以前起就已知有多种大地测量设备用于测量觇标。在这种情况下，记录方向和角度(通常还有从测量设备到待测量觇标的距离)，尤其还捕获测量设备的绝对位置连同存在的任何参考点作为空间标准数据。
此类大地测量设备的公知示例是经纬仪、视距仪和全站仪(其也称为电子视距仪或计算机视距仪)。现有技术的大地测量设备在例如公开文献EP1686350中有所描述。此类设备具有电感角度和可能的距离测量功能，这允许确定到选定觇标的方向和距离。在这种情况下，角度和距离变量在设备的内部参考系中已确定，可能还需要链接至外部参考系以用于绝对位置发现。
在许多大地测量应用中，通过将特别设计的觇标物体放置在点处来测量所述点。这些觇标物体通常由具有反射器(如，360度棱镜)的铅锤杆组成，以用于确定测量路径或测量点。对于此类测量任务，通过在觇标物体(尤其是在觇标物体的一部分上的手持式数据捕获设备)与中心测量设备之间传输许多数据项、指令、语言和其他信息来控制测量过程并约定或登记测量参数。此类数据的示例是觇标物体的标识(所用棱镜类型)、铅锤杆的倾斜、反射器高出地面的高度、反射器常数或测量值，例如温度或气压。该信息或这些取决于情况的参数是高精度照准和测量由带有棱镜的铅锤杆限定的测量点所必要的。
现代全站仪具有微处理器以用于对捕获的测量数据的进一步数字处理和存储。所述设备通常具有紧凑且集成的设计，其通常具有同轴的距离测量元件，并且计算、控制和存储单元处于同一设备中。根据全站仪的扩展水平，还可对照准和瞄准装置进行集成机动化 (integratedmotorization),并且如果回射器(例如,360度棱镜)用作觇标物体，还可对用于自动觇标搜索和跟踪的装置进行集成机动化。作为人机接口，全站仪可具有带有显示和输入装置(如，键区)的电子显示控制单元(通常为具有电子数据存储装置的微处理器计算单元)。由电感装置捕获的测量数据被提供给显示控制单元，结果是可由显示控制单元确定、视觉显示并存储觇标的位置。现有技术已知的全站仪还可具有无线电数据接口以用于建立与外设部件(例如，手持式数据捕获设备)的无线电链接，其尤其可以是数据记录器或野外计算机的形式。
为了照准或瞄准待测量觇标，所讨论类型的大地测量设备具有望远镜瞄准具(例如，光学望远镜)作为瞄准装置。望远镜瞄准具通常能够相对于测量设备的基座绕垂直轴和水平倾斜轴旋转，以使得望远镜可通过转动和倾斜来朝着待测量点取向。除了光学观察通道之外，现代设备可具有相机，其集成到望远镜瞄准具中并具有例如同轴或平行取向，以用于获取图像，其中获取的图像可尤其作为实时图像呈现在显示控制单元的显示器和/或用于远程控制的外围装置(例如，数据记录器)的显示器上。瞄准装置的光学系统可具有手动聚焦功能(例如，用于改变聚焦光学系统的位置的调节螺钉)，或者可具有自动聚焦功能(例如，通过伺服马达改变聚焦位置)。此类用于大地测量设备的瞄准装置在例如欧洲专利申请 No. 09152540. 2 中有所描述。例如，从 DE19710722、DE19926706 或 DE19949580 可知用于大地测量设备的望远镜瞄准具的自动聚焦装置。
照准装置的光学系统或光学观察通道通常包含物镜组、图像反转系统、聚焦光学系统、用于生成十字准线的分划板和目镜，它们从例如物侧开始按照这一次序排列。聚焦透镜组的位置根据物体距离来设置，使得设置在聚焦平面内的分划板上出现清晰的物体图像。然后，可通过目镜观察所述图像，或者(例如)利用同轴设置的相机获取所述图像。
例如，所讨论类型的用于大地测量设备的望远镜瞄准具的设计示于公开文献 EP1081459 和 EP1662278 中。
由于通常共同用作观察通道并用于测量的束路径，此类设备需要按照具有难以制造的专业化高精度光学系统的望远镜构造的样子对所述束路径进行技术设计。另外，提供单独的附加发送和接收通道以及针对距离测量装置的波长的附加像平面，以用于同轴电子距离测量。
由于可通过裸眼(S卩，依据非大地测量准确度要求)利用照准装置以足够的精度瞄准觇标物体(如，通常用于大地测量的带有诸如360度棱镜的觇标标记的铅锤杆)，尽管常常提供30倍光学放大，作为标准，传统测量设备同时具有对用作觇标反射器的棱镜的自动觇标跟踪功能(ATR 自动觇标识别”)。为此，传统上，望远镜中另外集成有另一单独的ATR 光源(如，发射波长在850nm区域内的光学辐射的多模光纤输出)以及对此波长灵敏的专用 ATR检测器(如，CXD区域传感器)。
作为ATR精细瞄准功能的一部分，在照准装置的光学觇标轴的方向上发射ATR测量光束，所述测量光束在棱镜处回射，反射光束被ATR传感器捕获。根据来自棱镜的光学觇标轴的取向的偏差，在这种情况下，反射辐射在ATR传感器上的入射位置也相对于中心传感器区域位置偏离(即，在棱镜处回射的ATR测量光束在ATR区域传感器上的反射光点不在 ATR区域传感器的中心，因此没有入射在(例如)利用校准约定的设定点位置(该位置与光学觇标轴对应)处。
如果是这种情况，以机动化方式略微重新调节照准装置的取向，使得在棱镜处回射的ATR测量光束以高精度入射在ATR区域传感器上传感器区域的中心(B卩，以这样的方式迭代地改变和调节照准装置的水平和垂直角度，直至反射光点的中心与ATR区域传感器的设定点位置重合)。作为另外一种选择，也可在计算中考虑回射的ATR测量光束在ATR区域传感器上的入射点与传感器区域的中心之间的剩余偏差并将其转换为角度，所述角度根据情况与觇标轴所指向的空间角度(利用角度传感器捕获)相加。即，在这种情况下还可从觇标轴的空间角度(利用角度传感器捕获)和检测到的ATR测量光束反射相对于传感器中心的偏移(即，相对于绘出觇标轴的ATR传感器的中心点)导出至觇标的空间角度。
结果，与利用十字准线手动执行瞄准并仅基于眼睛的判断相比，可显著提高光学觇标轴在棱镜上取向可达到的准确度。为了确保基于对棱镜处回射的ATR测量光束的反射光点在ART区域传感器上的位置的评估的自动瞄准起作用，有必要在开始之前使照准装置至少以使得回射ATR测量光束也入射在ATR区域传感器上的近似程度朝着觇标反射器取向。这可通过(例如)基于眼睛判断的对觇标反射器的早前手动瞄准，或者通过执行自动粗略瞄准功能来实现。
觇标物体的手动粗略照准可首先由用户通过直接在测量设备的显示控制单元的用户显示器上，或者在单独的外围装置(如，作为远程控制的数据记录器)的显示器上观察和瞄准觇标物体来执行。然而，接下来常常要通过经由望远镜瞄准具(即，照准装置)的目镜观察觇标来实现，因为在实际使用中(如，在阳光下)，显示控制单元或数据记录器上显示的显示图像的可识别程度可能不令人满意。
除了 ATR精细瞄准功能之外，还可以以类似方式利用相同的ATR部件(例如ATR光源和ATR检测器)提供自动觇标跟踪功能。在执行ATR精细瞄准之后(即，在照准装置已朝着目的地取向，使得ATR测量辐射反射光点的中心与ATR区域传感器上的设定点位置(与觇标轴对应)重合之后)，照准装置可继续以适当速度“实时”跟踪觇标的移动，使得ATR测量辐射反射光点的中心继续尽可能准确地总是处于ATR区域传感器的设定点位置。然后，觇标常常称作被“锁定”。在这种情况下，当觇标以这样的速度突然移动，使得其从ATR检测器的视觉范围消失(即，在目的地反射的ATR测量辐射不再入射在ATR区域传感器上)时，可能出现问题。
例如，EP2141450描述了一种具有自动瞄准回射觇标的功能并具有自动觇标跟踪功能的测量设备。为了将觇标保持在“锁定”状态，并且为了即使在快速急促移动的情况下也不从精细瞄准检测器的视觉范围失去该觇标，提出在这种情况下，通过相机(在可见波长范围内灵敏)并行拍摄觇标的图像，并使用图像处理来跟踪觇标的移动(或者与觇标一起移动的物体的移动)，从而有利于在从“锁定”状态失去觇标的情况下回射器的恢复和重新锁定。
作为如上所述利用ATR精细瞄准功能测量回射觇标的替代方式，无回射器觇标的测量也是已知的。然而，由于这种类型的觇标在受到ATR测量光束(如上所述)的影响时将漫反射该光束，因此这将意味着ATR区域传感器上很难生成就入射位置而言足以评估的反射光点，这样基于觇标对测量辐射的积极影响的原理以及在觇标处反射的测量辐射的入射位置的检测和评估的瞄准功能(例如，上述那些)无法用于无回射器觇标。因此，现有技术的测量设备所存在的主要缺点是需要对此类无回射器觇标进行纯手动精细照准，这常常导致觇标的空间角度测量的准确度不足(因为觇标的精细照准的准确度取决于测量员/用户的技能和眼睛判断)，并且需要高复杂度(因为充分的耐心、谨慎和细心是用户手动精细照准觇标所必不可少的)。无回射器觇标所需的手动精细瞄准因此复杂、耗时、不可靠、且不够鲁棒。
另外，现有技术还公开了方法，其中使用图像和图像处理(尤其是利用在拍摄的图像中已确定的觇标物体位置并基于拍摄图像的已知方向，或者在处理中捕获的方向)来确定测量设备相对于觇标物体的空间角度。此类方法在例如W02005/026767或 W02006/053837中有所描述。
总而言之当使用适当反射器(尤其是回射棱镜)作为觇标物体时，使用现有技术的测量设备进行自动ATR精细瞄准和觇标跟踪足以工作得很好和可靠。在这点上仅有的大缺点是必须使用仅能够以高复杂度制造的此类回射觇标物体，例如360度棱镜，其由例如六个单个棱镜构造而成，以这样的方式确保ATR测量光束的精确回射。因此，这样设计非常复杂的回射360度棱镜的制造成本很高。另外，由玻璃制成的觇标物体相对容易破坏。相比之下，无回射器觇标的大地测量需要觇标的手动精细照准，因此其不够鲁棒，不够可靠，不够精确，并且执行起来复杂。
因此，一个目的是提供一种具有高精度自动觇标照准功能的测量系统，其中即使低制造复杂度的觇标物体也允许使用由觇标物体限定的觇标的精细照准和测量，然而其以大地测量准确度实现。尤其是，在这种情况下目标是即使在使用无回射器觇标时，也允许以不太复杂、快速进行、并且可靠和鲁棒的方式精细照准(即，觇标轴朝着觇标的非常精确的取向)。另一目的是提供一种用于此类测量系统的大地测量设备以及利用大地测量设备进行低制造复杂度的觇标物体的高精度自动瞄准的方法，然而由觇标物体限定的觇标的瞄准和测量可具有足够的大地测量准确度(尤其是同样以鲁棒、快速、可靠且不太复杂的方式)。
这些目的通过独立权利要求的特征的实施来实现。以替代或有利方式发展本发明的特征可在从属权利要求中找到。
本发明提供用于大地测量设备的以预编程和自动方式执行的功能，以利用拍摄的觇标标记的图像进行已知觇标标记的精细猫准。
在这种情况下觇标标记(或一组不同的觇标标记)预先已知，并具有适合于指示觇标标记上的觇标的结构/形式(图案、形状等)。测量设备的评估单元还存储与所使用的觇标标记的结构对应的图案(觇标标记图案或觇标标记模板)，使得可从图案识别图像中拍摄的觇标标记，使其与图像中描绘的觇标标记一致(即，匹配)，并可以高精度确定图像中描绘的觇标标记的位置。基于此确定的觇标标记的位置或与图像中的觇标标记一致的图案，测量设备的瞄准装置现在以机动化和自动方式移动，使得瞄准装置的觇标轴准确地朝着觇标标记的觇标取向。
拍摄图像、评估拍摄的图像(利用存储的觇标标记图案并使所述图案与图像中拍摄的觇标标记匹配)以及以机动化方式移动瞄准装置(即，使觇标轴精细地朝着觇标取向) 的步骤作为以预编程方式执行的处理的一部分自动发生。
因此，本发明允许以非常鲁棒、快速、非�？煽壳也惶丛拥姆绞揭源蟮夭饬孔既范茸远樽缄璞辏灰览涤谑怯孟喽粤槊舻幕厣淦�(例如，由玻璃制成的棱镜)作为觇标标记/觇标物体。
例如，合适的觇标标记因此可以是预定义的图案，如印刷于膜上的图案，其可大量生产并安装(尤其是粘合)在标志上，所述标志可附着到立柱上。
本发明因此提供一种大地测量设备，其配备有自动觇标照准功能以用于寻找觇标的位置，其中所述觇标在空间中通过已知的觇标标记以高精度指示，所述觇标标记的外部形式为此目的而设计。所述大地测量设备优选地是经纬仪或全站仪的形式。
所述大地测量设备配备有瞄准装置(作为照准装置)，尤其是望远镜瞄准具，其中所述瞄准装置可以机动化方式相对于测量设备的基座转动以改变瞄准设备的取向。所述瞄准设备至少配备有物镜单元，其限定光学觇标轴；相机传感器，其具有像素限定的分辨率，用于获取照准的觇标标记的相机图像。另外，所述瞄准设备具有透镜单元和相机传感器之间的束路径。
大地测量设备还配备有角度测量功能，其用于觇标轴取向的高精度捕获；以及评估装置，其用于图像处理、数据存储和瞄准装置的取向的控制。
根据本发明，在这种情况下评估装置中存储有与所述已知觇标标记的外部形式对应的觇标标记图案，其中觇标标记图案中的主要点被预定义为指示觇标。
另外，根据本发明，评估装置因此被设计为执行自动觇标照准功能，使得在开始所述功能之后自动执行以下步骤
-拍摄觇标标记的相机图像，
-通过图像处理将觇标标记图案与相机图像中的觇标标记匹配，尤其是使其一致，
-基于在觇标标记图案的匹配状态下相机图像中的所述主要点的位置以机动化方式改变瞄准装置的取向，使得光学觇标轴以高精度朝着觇标取向。
通常，利用拍摄图像，反复进行匹配和改变，并且迭代收敛地进行高精度取向的步骤来实现光学觇标轴朝着觇标的高精度取向(即，迭代地改变取向，使得从觇标标记图案中的主要点到拍摄的图像中的觇标轴图像点的距离逐步减�。钪罩饕阌腙璞曛嵬枷竦愣宰�)。
在这种情况下，觇标轴图像点被理解为表示图像中这样的位置在该处，空间中与觇标轴相交的点描绘于相机区域传感器上。相机图像中的觇标轴图像点或觇标轴位置因此对应于相机图像中觇标轴所瞄准的点。例如，通过校准相机，可预先确定并定义该觇标轴图像点(作为图像中的觇标轴位置)。在这种情况下，在校准过程中，还可在子像素范围内，即，以相机传感器的像素限定的分辨率的高精度确定觇标轴位置。
换言之，作为自动觇标照准功能的一部分，评估装置因此可优选在匹配步骤之后确定相应拍摄的相机图像中主要点的位置以及这些位置相对于相应相机图像中的觇标轴图像点的偏差。然后，迭代地改变瞄准装置的取向，使得最终，匹配的觇标标记图案中主要点的位置与图像中的觇标轴位置重合。
为了帮助/加快迭代收敛处理，或者作为另外一种选择，直接以机动化方式将照准装置朝着觇标驱动，使得觇标轴以高精度朝其取向，还可直接确定相机图像中主要点的位置以及该位置相对于相机图像中的觇标轴位置的偏差，并从其导出觇标轴与朝着觇标取向的存在分离开的角偏移。然后从该角偏移，可直接确定照准装置需要以机动化方式旋转以使得光学觇标轴以高精度朝着觇标取向的水平和垂直角度。在取向对应地改变了确定的水平和垂直角度之后，现在还可这样进行检查拍摄觇标标记的另一相机图像，再通过图像处理使觇标标记图案与该相机图像中的觇标标记一致，并检查匹配的觇标标记图案中的主要点在相机图像中的位置现在是否充分准确地与觇标轴位置重合。如果需要，可基于主要点的位置与觇标轴位置之间的偏移再调节照准装置取向。
作为另外一种选择，也可直接将角偏移(从相机图像中主要点的位置相对于相机图像中的觇标轴位置的偏差导出)与觇标轴适当指向的觇标轴角度(利用测量设备的角度传感器而捕获)相加，因此可确定相对于觇标的找到的空间角度。在这种情况下，因此可直接从当前觇标轴角度(利用角度传感器捕获)以及相机图像中主要点的位置相对于相机图像中的觇标轴位置(如，相对于相机传感器中心)的剩余偏差确定相对于觇标的找到的空间角度，而无需主动改变觇标轴的取向，以接近觇标。
为了确定匹配的觇标标记图案中的主要点在图像中的位置，并且还为了确定主要点的位置相对于觇标轴位置的偏移，可使用适合于此目的的现有技术已熟知的所有图像评估方法，例如，如(仅作为示例)W02005/026767中所述。
作为根据本发明的使用集成在照准装置中的相机的瞄准功能的一部分，甚至可以以比相机传感器的像素限定的分辨率高的准确度确定匹配的觇标标记图案中的主要点在相机图像中的位置，并改变瞄准装置的取向，使得主要点的位置和觇标轴位置以比相机传感器的像素限定的分辨率高的准确度以对应方式彼此重合。例如，当觇标标记图案中的主要点对应于记号，例如已知觇标图案上的几何中心点时，可实现这样提高的准确度，结果是可将相机图像中的主要点的情况确定为相机图像中觇标标记的边界的像素值的几何平均值。例如，存储的觇标标记图案可为觇标标记模板。尤其是，已知一组各以高精度限定觇标的不同的觇标标记，评估装置中的觇标标记图案数据库针对每一觇标标记存储对应的觇标标记图案。在这种情况下，有利的是，测量设备的用户能够选择所使用的相应觇标标记并从觇标标记图案数据库为觇标照准功能调用对应觇标标记图案。作为另外一种选择，例如在主动觇标标记(即，例如，通过无线电方式或光学方式将其标识发送给测量设备的觇标标记)的情况下，或者利用测量设备自己的在前或并行识别(如，通过图像处理在拍摄的相机图像中识别觇标标记，尤其是如果觇标标记带有用于此目的的诸如条形码的识别特征)，可自动从数据库选择与现场使用的觇标标记对应的觇标标记图案。在一个具体实施方式
中，所述评估装置被设计为执行自动觇标照准功能，使得在匹配步骤之前基于已知的、估计的和/或至少大致确定的至觇标标记的距离，缩放待匹配的存储的觇标标记图案。这尤其可基于设置在物镜单元和相机传感器之间的束路径中的瞄准装置的聚焦元件的当前焦点位置来实现。在另一改进形式(也可与上述实施方式组合)中，评估装置被设计为使得在匹配之后利用与相机图像中的觇标标记一致化的觇标标记图案的缩放，以确定至觇标标记的距离。在另一同样可组合的实施方式中，评估装置被设计为使得在匹配步骤(即，一致化步骤)之前基于已知的、估计的和/或至少大致确定的觇标标记在空间中的取向进行待匹配的觇标标记图案的调节，尤其是旋转和/或畸变。评估装置还可被设计为使得在匹配之后利用与相机图像中的觇标标记一致化的觇标标记图案的旋转和/或畸变，以确定觇标标记在空间中的取向。在这种情况下，尤其可确定觇标标记的水平取向和/或倾斜。根据本发明的大地测量设备优选不仅配备有集成到照准装置中并且(尤其是)相对于光学轴同轴设置的相机(称为同轴相机)，而且配备有用于获取概览图像的概览相机。同轴相机和概览相机可为数码相机的形式，例如CMOS或CCD区域阵列的形式，并至少在可见光谱范围内灵敏，分辨率大约为例如2至5百万像素。由于同轴相机处于比照准装置(例如，具有30倍光学固定变焦)的具有多倍放大效果的物镜低的水平，该相机具有相对窄的视野，而带有自己的物镜(尤其是没有光学放大效果)的概览相机(例如，设置在或处于比照准装置高的水平)具有宽的视野，并且如现有技术已知的，可由用户用来容易地寻找觇标(如，当通过此概览相机捕获的实时图像显示在数据记录器上时)。根据本发明的大地测量设备优选包括用于电子距离测量的至少一个设备和/或水平角度传感器和/或垂直角度传感器。本发明还涉及一种系统，该系统包括根据前述实施方式之一所述的大地测量设备，其具有自动觇标照准功能，用于以高精度寻找觇标的位置；并且具有一个或多个觇标标记，其各限定·一个或多个觇标。有利的是，所述一个或多个觇标标记可设置有附加识别标签或特征，如条形码。在这种情况下，与库元素(library element)对应的识别标签还优选与对应觇标标记图案一起存储在规标标记图案数据库中。如从以棱镜作为觇标标记的现有技术已知的，识别标签或特征(如，条形码)还可涉及补充信息的存储(以利用图像处理可读取的方式)，例如测量指令(如，觇标需要测量十次的指令)、反射器高度、与觇标图案中的主要点有关的信息等。另外，识别标签可为这样的形式，使得仅指示对应类型的觇标标记，或者还可读取明确标识(例如，在测量环境中仅出现一次的觇标码号)。然而，识别标签还可用于指示觇标标记的类型和明确的码号。另外，一个或多个觇标标记现在可以是无回射器形式，S卩，本发明能够省去制造复杂的回射元件。本发明还涉及一种利用根据本发明的系统的自动觇标照准方法。在第一方法步骤中，选择限定觇标的已知觇标标记并置于带有待观察觇标的物体上。然后，使瞄准设备朝着觇标标记取向，并利用相机传感器拍摄照准的觇标标记的相机图像。可选地，可利用评估装置存储相机图像。根据本发明的方法的特征在于，从评估装置加载与所述已知觇标标记对应的存储的觇标标记图案(带有指示觇标的预定义的主要点)，通过图像处理将觇标标记图案与相机图像中的觇标标记匹配，尤其是例如通过叠加使其一致。另外，以这样的方式基于在觇标标记图案的匹配状态下相机图像中的主要点的位置以机动化方式改变瞄准装置的取向，直至光学觇标轴以高精度朝着觇标取向。如果需要，这可通过重复图像拍摄、匹配和改变瞄准设备的取向的步骤来迭代实现。在根据本发明的方法的一个改进形式中，在利用相机传感器拍摄相机图像的步骤之前，用概览检测器拍摄概览图像，以确定概览图像中觇标标记描绘的位置。—个可能实施方式的不同之处在于，在匹配步骤之前，使用评估装置基于已知的、估计的和/或至少大致确定的至觇标标记的距离来缩放待匹配的觇标标记图案。这尤其可基于设置在物镜单元和相机传感器之间的束路径中的瞄准装置的聚焦元件的当前焦点位置来实现。在另一变型(可与上述实施方式兼容)中，在匹配之后，使用评估装置来利用与相机图像中的觇标标记一致化的觇标标记图案的缩放，以确定至觇标标记的距离。在另一同样可兼容的实施方式中，在匹配步骤之前，基于已知的、估计的和/或至少大致确定的觇标标记在空间中的取向执行待匹配的觇标标记图案的调节，尤其是旋转和
/或畸变。作为另外一种选择或除此之外，在匹配之后，可使用评估装置来利用匹配至相机图像中的觇标标记的觇标标记图案的旋转和/或畸变，以确定觇标标记在空间中的取向，尤其是确定觇标标记的水平取向和倾斜。本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读存储介质上以用于执行根据本发明的方法。下面参照附图
中示意性地示出的具体示例性实施方式仅作为示例更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的设备，还讨论本发明另外的优点。具体地讲
图I示出根据本发明的全站仪形式的大地测量设备；图2示出根据本发明的大地测量设备的瞄准装置的光学设计的第一实施方式；图3示出根据本发明的大地测量设备的瞄准装置的光学设计的第二实施方式；图4a_6b示出觇标标记和觇标标记图案的不同实施方式的示例；图7a_f示出将相机图像中的觇标标记描绘与存储的觇标标记图案匹配的第一示例；图8a_e示出将相机图像中的觇标标记描绘与存储的觇标标记图案匹配的第二示例，其中考虑觇标标记相对于观察者的畸变；图9a_e示出将相机图像中的觇标标记描绘与存储的觇标标记图案匹配的另一示例，其中另外执行长度缩放。图I示出根据本发明的全站仪形式的大地测量设备1，其用于测量与远处的觇标物体有关的水平角度、垂直角度和距离。全站仪设置在三脚架上，全站仪的基座19直接与三脚架永久性连接。全站仪的主体(也称为上部16)可相对于基座19绕垂直轴V旋转。在这种情况下，上部16具有支撑件17 (如，由两个立柱形成)、照准装置2和电子显示控制单元18，照准装置2安装在立柱之间从而能够绕水平倾斜轴H旋转。显示控制单元18可以已知方式设计，以控制测量设备I并且还处理、显示和存储测量数据。瞄准或照准装置2设置在支撑件17上，从而能够绕水平倾斜轴H旋转，因此可相对于基座19水平和垂直地转动和倾斜，以便于朝着觇标物体取向。在这种情况下，照准装置为共享照准装置单元的形式，其至少具有物镜、聚焦光学系统、同轴相机传感器、根据本发明的袖珍显示部件、目镜6以及(尤其是)集成在共享照准装置壳体中的图形处理器。照准装置2可用于瞄准觇标物体(即，使照准装置2的觇标轴朝着觇标标记的觇标取向)，并通过电感装置捕获从全站仪至觇标物体的距离。另外，提供用于电感捕获上部16相对于基座19以及照准装置2相对于支撑件17的角度取向的装置。由电感装置捕获的这些测量数据被提供给显示控制单元18并由其处理，结果是可由显示控制单元18确定、视觉显示并存储觇标相对于全站仪的位置。在本发明的上下文内，现在可根据本发明利用下面的步骤实现由觇标标记限定的觇标物体的觇标的精细高精度瞄准处理，所述步骤作为预编程的瞄准功能的一部分自动执行□拍摄觇标标记的相机图像，□通过图像处理使觇标标记图案与相机图像中的觇标标记匹配(尤其是使其一致)，□基于相机图像中匹配的觇标标记图案的确定的位置以机动化方式改变瞄准装置的取向，使得光学觇标轴(OA)以高精度朝着觇标取向。在这种情况下，由图I所示测量设备提供的根据本发明的自动精细瞄准功能还可根据先前已经描述的发展和具体变型以预编程方式执行。图2示出根据本发明的大地测量设备的瞄准装置的光学设计的第一实施方式。使用物镜单元3以及将通过物镜单元3照准的觇标或物体的相关束路径来限定光学觇标轴0A，其需要朝着待观察觇标或物体取向。物镜单元3可为多透镜设计。
使用具有像素限定的分辨率的相机传感器4来获取待照准的物体、觇标或觇标标记的相机图像。束路径5从物镜单元3延伸至相机传感器4，其可通过光学偏转元件6回旋(如图I所示)，或者可为连续直线形式(如图2所示)。例如，光学偏转元件6可为分束器或部分反射镜的形式，结果是传播至束路径5中的偏转元件6的光的一部分(如，50%)被引导到相机传感器4上，另一部分可进一步在觇标轴的方向上传播向用于观察者的目镜单元7。在物镜单元3所捕获的光的传播方向上，对准或取向辅助装置8 (例如，十字准线)可设置在目镜的前面。另外，物镜单元3和光学偏转元件6之间的束路径可包含聚焦元件9，其定位可沿着轴OA改变，以用于改变物镜单元3所捕获的光的聚焦位置。聚焦元件9可为多透镜形式。有利的是，聚焦元件9设置有稳定、可精确再现的定位，以利用至物镜单元3的事实上平行的束路径获取设置在极远处的物体的图像。可选地，所述结构还可配备有用于电光距离测量的装置。为此，如图I所示，可使用测量辐射源10 (如，在人眼可见的近红外光谱范围发射)，来自该辐射源的测量辐射通过光学偏转元件11 (例如，反射镜)而偏转到另一光学偏转元件12 (例如，二向色分束器，其在光源10的光谱范围内反射，在剩余光谱范围内透射)上，并从其向前穿过物镜单元3向着待照准的觇标标记传播。在根据本发明的大地测量设备的瞄准装置的光学设计的此可选实施方式中，从觇标漫反射或定向反射的光的一部分(被物镜单元3捕获并具有光源10的波长)穿过偏转兀件12并进一步朝着二向色输出光束I禹合器13传播,所述二向色输出光束f禹合器13的形式为反射来自光源10的发射波长的光，透射来自剩余光谱范围的光。被二向色输出光束耦合器13反射的测量光经由偏转元件被引导向检测器42以用于电光距离测量。例如，光源10为脉冲的,可以已知方式通过确定脉冲传播时间或发射光和反射光之间的相差来进行距离测量。如现有技术所已知并且上面在说明书的介绍部分详细说明的，另外，根据本发明的测量设备还可具有ATR精细觇标照准功能，其设计用于以回射器作为觇标来一起使用，为此，瞄准装置可另外包含设计用于此目的的部件(例如，ATR光源和ATR检测器，以及适当的光束引导光学元件)(这些部件未示出以帮助简化对本发明核心的理解)。图2示出根据本发明的大地测量设备的瞄准装置的光学设计的替代第二实施方式。根本上，此结构与图I所示构型的不同之处在于，至相机传感器4的束路径5没有通过光学偏转元件3而回旋，而是相机传感器4设置在光学觇标轴OA上。在此结构中，从物镜单元沿着光学觇标轴OA的束路径终止于相机传感器4。图2示出相机传感器4连接至评估装置50。这些评估装置50可将从相机传感器当前获取的图像(可能叠加有觇标标记图案)输出给显示器20，可能使得观察者有这样的印象好像他正在通过目镜7看观察物体、觇标或觇标图案的直接“望远镜描绘”。图3所示结构还包括用于获取概览(overview)图像的第二物镜单元31和概览检测器41。优选地，概览检测器41同样连接至评估装置50 (图2未示出)。同轴相机4处于比瞄准装置的具有多倍放大效果(如，30X变焦)的物镜3低的水平，因此具有相对窄的视野，与同轴相机4相比，物镜单元31在这种情况下可以是没有放大系数或仅非常小的放大系数的形式，因此，概览相机41覆盖相对宽的视野。图2所示结构也可配备有用于获取概览图像的设备。
为了帮助/开发自动瞄准处理，在这种情况下本发明可涉及另外提供自动粗略觇标照准功能，其在精细瞄准之前进行。尤其可在同轴相机的相对窄的视野范围内仍没有觇标标记时使用此功能。在这种情况下，可通过视野相对宽很多的概览相机41拍摄觇标标记的概览图像，并可利用概览图像的图像处理以粗略、自动机动化方式使瞄准装置朝着觇标标记取向。尤其是，为此可进行还作为根据本发明的精细觇标照准功能的一部分执行的类似程序。即，当作为可选的粗略觇标照准功能的一部分拍摄概览图像时，可将为使用的已知觇标标记存储的觇标标记模板与概览图像中拍摄的觇标标记相匹配，然后，可将(在模板的匹配状态下)觇标标记模板在概览图像中的位置作为基准，以便于基于此觇标标记位置以机动化方式自动移动瞄准装置，以进行粗略取向。在这种情况下，现在应该至少以这样的准确度进行粗略瞄准，使得在执行瞄准装置的这样的粗略取向之后，觇标标记处于同轴相机4的视野中。接下来，可自动进行精细瞄准。尤其是，在这种情况下粗略和精细瞄准程序还可在单个用户命令的引发下，自动地直接连续(即，自动地相继)进行。另外，不言而喻，图3所示实施方式也可另外具有现有技术所已知的适当部件(例如ATR光源和ATR检测器，以及可能对应的光束引导光学元件)，其提供设计用于回射器的ATR精细觇标照准功能。图4至图6示出觇标图案(右侧)以及为其存储作为觇标标记图案的觇标标记模板(左侧)的各种可能的实施方式，它们在这些实施方式中各为相关觇标图案的负或互补图像的形式。明显的是，这些仅是示例性实施方式，可根据需要扩展和增加。有利的是在觇标标记上指示明显可识别的觇标，例如十字交点，并在相关存储的觇标标记图案中预定义指示此觇标的主要点。在这种情况下图4至图6中完全作为示例示出的变型自然可利用现有技术已知的方面来修改，以便于设计合适的觇标标记，例如US2009/0148037中所述。下面的图示出将拍摄的觇标标记的图像与存储的觇标标记图案相匹配，随后改变瞄准设备的取向直至光学觇标轴朝着觇标取向的处理。图7a示出拍摄的定位于地面的觇标标记的图像。图像中心处的十字准线指示瞄准设备的瞬时取向。图7b示出相关的觇标标记图案(觇标标记模板的形式)，其带有由中心十字指示的主要点。随后，如图7c所示，将相机图像意在叠加于其上的觇标标记图案的尺寸缩放至觇标标记的当前图像的尺寸，将缩放的觇标标记图案与觇标标记在相机图像中的描绘对准(图7d)。在此示例中，觇标标记非常准确地在大地测量设备的方向(与正视图对应)上取向，而非绕由支撑垂直铅锤杆限定的轴水平旋转；原因在于，觇标图案和觇标标记的图像可准确对准。在相机图像中十字准线的未改变的位置，可看到到目前为止取向未改变。图7e和图7f示出随后如何通过使十字准线与觇标标记图案中的主要点对准，因此使光学觇标轴以高精度朝着觇标标记上的觇标取向，来(以机动化方式)改变瞄准装置的取向。在整个处理过程中使用根据本发明的大地测量设备的角度测量功能以高精度测量觇标轴的取向。图8a至图Se示出可如何补偿在觇标标记图案和觇标标记的相机图像匹配的过程中觇标标记绕水平轴的旋转并确定觇标标记的水平取向。图8a示出圆形觇标标记的正视图，图8c示出与正视图对应的相关觇标标记图案。所述图案具有关于其几何中心对称的点，黑白“条”长度相等。位于之间的部分的面积尺寸相等。图Sb示出在旋转(当觇标标记垂直设立在野外时，绕垂直轴)的情况下觇标标记相对于观察者出现时其视图觇标标记的左半边比右半边更靠近观察者，因此更靠近的条部分和面积部分看起来比后面那些的更大。在这种情况下，假设的情形是，绕野外水平轴没有导致相对于尺寸的附加畸变的旋转或倾斜。从“正面”和“背面”部件的长度和面积尺寸(其描绘畸变)之商，尤其还与“未畸变”，即未旋转状态的相对比率(在此示例中，1:1)比较，可根据正视图通过简单、已知的几何考虑以及基于其的计算来确定取向偏差。为了根据觇标标记的正视图基于角度以高准确度确定这样的偏差，觇标标记图案绕虚轴旋转，其相关线和面积尺寸以精确已知和可计算的方式改变(参见图8d)，直至其可与觇标标记的图像恰好对准(参见图Se)。以总体类似的方式，还可考虑并以高准确度数量上确定绕水平轴的旋转或倾斜，或者绕两个轴的旋转的混合或叠加。图9a至图9e示出处于“未旋转”状态的正方形觇标标记的类似示例性实施方式，其中还可容易地确定在与觇标标记相同距离处的物体的长度尺寸。图9a示出与正视图相比，绕垂直轴旋转的觇标标记，所述觇标标记安装在铅锤杆上，其长度已知，并且觇标与铅锤杆下端之间的距离已知。图9b示出从觇标标记图案数据库检索的合适的觇标标记图案，在所述觇标标记图案的几何中心指示主要点。图9c示出觇标标记图案的呈现如何缩�。员闵院竽芄挥腙璞瓯昙堑牡鼻巴枷穸宰�。然后，缩小的觇标标记图案再绕虚轴旋转，以随后将觇标标记的当前图像一致地叠加到其上。然后，如先前关于图6e说明的，结束步骤将通过使十字准线与觇标标记图案中的主要点对准，因此使光学觇标轴以高精度朝着觇标标记上的觇标取向来改变瞄准装置的取向。通过缩放觇标标记上的觇标与铅锤杆的下端之间的已知距离，可确定处于距观察者相同距离处的物体的尺寸。不言而喻，这些呈现的图仅示意性地示出可能的示例性实施方式。各种方法同样可彼此组合，以及与现有技术的方法组合。在本发明的上下文内，术语“大地测量设备”总是意在以广义方式理解，以表示具有用于以空间基准测量或检查数据的设备的测量仪器，但尤其是经纬仪或全站仪。尤其是，其涉及与觇标标记所指示的觇标或测量点有关的距离和/或方向或角度的测量。另外，然而，还可存在其他设备，如用于卫星辅助定位的部件(例如GPS、GL0NASS或GALILEO)，其可用于补充测量或数据记录。
权利要求
1.一种大地测量设备(I)，尤其是经纬仪或全站仪，其用于寻找觇标的位置，所述觇标在空间中通过已知的觇标标记以高精度指示，所述觇标标记的外部形式为此目的而设计，所述大地测量设备(I)具有瞄准装置，尤其是望远镜瞄准具，其中所述瞄准装置能够以机动化方式相对于所述测量设备的基座转动以改变其取向，并至少具有〇物镜单元(3)，其限定光学觇标轴(0A)，以及〇相机传感器，其用于获取照准的觇标标记的相机图像，角度测量功能，其用于所述觇标轴取向的高精度捕获，以及评估装置(50)，其用于图像处理、数据存储和所述瞄准装置的取向的控制，所述大地测量设备(I)的特征在于存储与所述已知觇标标记的外部形式对应的觇标标记图案，其中所述觇标标记图案中的主要点被定义为指示所述觇标，并且在于所述评估装置(50)被设计为执行自动觇标照准功能，使得在开始所述功能之后自动执行以下步骤〇拍摄所述觇标标记的相机图像，〇通过图像处理将所述觇标标记图案与所述相机图像中的所述觇标标记相匹配，尤其是使其一致，〇基于在所述觇标标记图案的匹配状态下所述相机图像中的所述主要点的位置以机动化方式改变所述瞄准装置的取向，使得所述光学觇标轴(OA)以高精度朝着所述觇标取向。
2.根据权利要求I所述的大地测量设备(I)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得利用拍摄图像，反复进行匹配和改变，并且迭代收敛地进行高精度取向的步骤来实现所述光学觇标轴朝着所述觇标的高精度取向。
3.根据权利要求I或2所述的大地测量设备(I)，其特征在于所述评估装置被设计为执行自动觇标照准功能，使得在所述匹配步骤之后确定所述相机图像中所述主要点的位置以及此位置相对于所述相机图像中的觇标轴位置的偏差，所述觇标轴位置对应于所述相机图像中所述觇标轴所瞄准的点，并且迭代地改变所述瞄准装置的取向，使得所述主要点的位置和所述觇标轴位置重合。
4.根据权利要求3所述的大地测量设备(I)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得在子像素范围内，即，以高于所述相机传感器的像素限定的分辨率的准确度，确定所述相机图像中所述主要点的位置，并改变所述瞄准装置的取向，使得所述主要点的位置和所述觇标轴位置在所述子像素范围内重合，g卩，以高于所述相机传感器的像素限定的分辨率的准确度重合。
5.根据权利要求I至4中一项所述的大地测量设备(I)，其特征在于存储的觇标标记图案是觇标标记模板。
6.根据权利要求I至5中一项所述的大地测量设备(I)，其特征在于已知一组组各以高精度限定觇标的不同的觇标标记，所述评估装置中的觇标标记图案数据库针对每一觇标标记存储对应的觇标标记图案，尤其其中所述测量设备的用户能够选择所使用的相应觇标标记并从所述觇标标记图案数据库中为所述觇标照准功能调用对应觇标标记图案。
7.根据权利要求I至6中一项所述的大地测量设备(1)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得在所述匹配步骤之前基于已知的、估计的和/或至少大致确定的至所述觇标标记的距离，尤其是基于设置在所述物镜单元和所述相机传感器之间的束路径中的瞄准装置的聚焦元件的当前焦点位置，缩放待匹配的觇标标记图案。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的大地测量设备(I)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得在所述匹配步骤之后使用匹配至所述相机图像中的所述觇标标记的觇标标记图案的缩放，以确定至所述觇标标记的距离。
9.根据权利要求I至8中一项所述的大地测量设备(1)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得在所述匹配步骤之前基于已知的、估计的和/或至少大致确定的所述觇标标记在空间中的取向进行待匹配的觇标标记图案的调节，尤其是旋转和/或畸变。
10.根据权利要求I至9中一项所述的大地测量设备(I)，其特征在于所述评估装置被设计为执行所述自动觇标照准功能，使得在所述匹配步骤之后利用匹配至所述相机图像中的所述觇标标记的觇标标记图案的旋转和/或畸变，以确定所述觇标标记在空间中的取向，尤其是确定所述觇标标记的水平取向和倾斜。
11.一种大地测量系统(1)，该大地测量系统(I)至少包括根据权利要求I至10中一项所述的用于寻找觇标的位置的大地测量设备，以及已知觇标标记，其外部形式被设计为使得在空间中通过所述觇标标记以高精度指示所述觇标。
12.一种利用大地测量设备(I)以大地测量准确度寻找觇标的位置的方法，所述觇标在空间中通过已知的觇标标记以高精度指示，所述觇标标记的外部形式为此目的而设计，所述大地测量设备具有瞄准装置，尤其是望远镜瞄准具，其中所述瞄准装置能够以机动化方式相对于所述测量设备的基座转动以改变其取向，并至少具有〇物镜单元(3)，其限定光学觇标轴(OA)，以及〇相机传感器，其用于获取照准的觇标标记的相机图像，角度测量功能，其用于所述觇标轴取向的高精度捕获，以及评估装置(50)，其用于图像处理、数据存储和所述瞄准装置的取向的控制，所述方法的特征在于由上述觇标标记指示的觇标的高精度瞄准通过，尤其是在所述评估装置(50)的自动控制下，执行以下步骤来实现拍摄所述觇标标记的相机图像，通过图像处理将觇标标记图案与拍摄的相机图像中的觇标标记匹配，尤其是使其一致，所述觇标标记图案与所述已知觇标标记的外部形式对应，并且所述觇标标记图案的主要点被定义为指示所述觇标，基于在所述觇标标记图案的匹配状态下所述相机图像中的所述主要点的位置以机动化方式改变所述瞄准装置的取向，使得所述光学觇标轴(OA)以高精度朝着所述觇标取向。
13.一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读存储介质上以用于执行根据权利要求12所述的方法的步骤，其被执行以实现由所述觇标标记指示的觇标的高精度瞄准，尤其是当所述程序在根据权利要求I至11中一项所述的大地测量设备(I)的评估装置(50 )形式的电子数据处理单元(16 )上运行时。
全文摘要
本发明涉及一种大地测量装置，其配备有自动觇标点照准功能以用于确定觇标点的位置。觇标点通过已知的分划板以高空间精度指示。所述大地测量装置配有照准设备，所述照准设备可以机动化方式相对于测量装置的基座枢转，以改变设备的取向。所述照准设备至少配备有限定光学觇标轴OA的物镜单元(3)以及用于拍摄照准的分划板的相机图像的相机传感器(4)。所述大地测量装置还配备有用于捕获觇标轴OA的取向的角度测量功能以及用于图像处理、数据存储和照准设备取向的控制的评估装置(50)。根据本发明，存储与已知分划板的外形对应的分划板图案，其中分划板图案的主要点被预定义为指示觇标点。为了执行自动觇标点照准功能，评估装置被设计为使得在所述功能开始之后，分划板的相机图像被自动记录，通过图像处理在相机图像中将分划板图案与分划板对准以及，根据处于分划板图案的匹配状态下的相机图像中的主要点的位置，以机动化方式改变照准设备的取向，使得在觇标点处光学觇标轴OA以高精度取向。
文档编号G01C1/04GK102985787SQ201180033675
公开日2013年3月20日申请日期2011年7月7日优先权日2010年7月7日
发明者N·科特祖尔, 伯恩哈德·麦茨勒申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司

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具有自动高精度觇标点照准功能的大地测量装置的制作方法