全数字测量系统

全数字测量系统（精选九篇）

全数字测量系统 篇1

1 全数字地震勘探以及全数字地震测量的主要特色

全数字地震测量方式既包括常规地震勘探测量中的全部施工内容, 同时也包含了一些新的施工内容, 出现这种情况的主要原因是全数字地震勘探在一定程度上具有特殊性。将全数字地震勘探、全数字地震测量的特色进行简单的概括, 主要有以下几点:第一, 对干扰分析的要求更加严格, 同时也提高了对草图精确性的要求;第二, 点位比较密集、道距也比较小, 此外三分量检波器也不能进水, 从而导致了排列施工难度的增加;第三, 测量标志具有特殊性, 提高了对点位精度的要求;第四, 对数据一致性的要求比较高, 因此所有物理点都要进行二次测量;第五, 具有非常强的实验性, 一般是一边进行实验一边进行施工, 此外施工方案也具有一定的变化性;第六, 全数字施工的重要性与先导性对测量施工的高精度起到了决定性的作用。

2 全数字地震勘探测量技术的研究与革新

为了与全数字地震勘探相适应, 在进行实际施工的过程中, 对测量方法不断地进行总结、提炼技能、积累经验, 从而产生了一些针对全数字地震勘探的测量新方法、测量新技术, 主要有以下几点:第一, 以往所使用的电子草图不仅没有底图, 也没有附带扫描地形图。但是, 全数字地震勘探不仅对干扰分析提出了更加严格、更高的要求, 也提高了对草图精确性的要求, 为满足施工需求, 在电子草图的绘制模式进行了创新, 通过在绘图软件中加入精确度比较高航测图片 (精度为0.25米) 的作为底图, 在绘制草图时就可以先将航测图片的地貌、地形作为根据进行描绘, 之后再把野外绘制的草图作为根据加以修正, 最终就成为了附有航片底图的、可靠的、准确的电子草图。第二, 针对排列难度比较大这一问题, 则可以采取两种技术革新方式。首先是采取垂直测线偏移法, 不能随意偏移垂直测线方向, 应该使其向着最小面元距离的整数倍进行偏移;其次是拉伸定位法, 在后期施工方法上进行改变, 尽量做到少空点、少偏移点, 做到适当地对个别点位进行拉伸。也就是将两个点间的距离沿着测线方向进行拉远、拉近, 应当保证点与点间的距离不小于最小面元距离, 就可以避开房、河、沟等特殊地形。第三, 按照相关规定的要求, 在施工过程中全部物理点的标志都应该是完好的, 但是, 埋置三分量检波器时需要进行挖坑, 难以避免地会对测量标志造成一定的破坏。为解决这一问题, 需要在土堆标志埋置方式上做出了改变。何进成等人的研究中, 将土堆的埋置地点统一安排在位于正点位置东侧的30厘米处。放线过程中, 在土堆西侧的10厘米处挖一个长、宽、高分别为40厘米、20厘米、20厘米的坑, 将三分量检波器埋置在坑的中央位置, 在这样的施工方式下, 测量标志中心与检波器正点位置的距离大约为35厘米, 为了使测量正点位置、检波器中心可以尽可能地保持一致, 将埋置测量标志的地点安排在正点位置东侧的30厘米到35厘米处。经过实验表明, 在这种施工方式下, 除了特殊的变更物理点以外, 三分量检波器中心位置与其他物理点的第一次测量资料是符合0.5米限差的。第四, 对数据一致性的要求比较高, 因此需要对所有物理点行二次测量, 即要求实际生产位置与测量资料要完全一致。为了满足这个要求, 应当采用“五步法”进行二次测量, 这里所说的“五步法”指的是第一步, 找点位;第二步, 进行检查;第三步, 对中;第四步, 整平;第五步, 记录数据。第五, 针对施工方案具有变化性的这一问题, 通过测量组与施工组保持及时沟通联系, 从而保证施工组可以及时进行转线施工。第六, 针对高精度的测量施工的要求, 则通过采用严格的、严谨的测量施工程序, 从而可以保证测量施工的高精度。

此外, 还有通用的测量新方法, 例如:第一, 数据上装模式。在野外进行施工的过程中, 通常会出现航片与实际情况差别比较大的现象, 给施工增加了很大的难度, 为解决这一问题, 可以在上装数据的时候, 可以上装两套坐标, 并采用不同的前缀进行区分。第二, 拉绳过河法。在施工区域河流、鱼池很多的情况下, 可以采用在两岸拉绳的方法进行定点。

3 结语

综上所述, 本文主要分析了全数字地震勘探与测量的主要特色, 并在此基础上对全数字地震勘探测量技术进行了研究与探讨, 望有所帮助。

参考文献

[1]何进成, 陈端良, 商彬彬, 程芳波.全数字地震勘探测量技术的研究与革新[J].石油仪器, 2011, 06:62-63+66+10.

[2]撒利明, 杨午阳, 杜启振, 王成祥, 周辉, 张厚柱.地震偏移成像技术回顾与展望[J].石油地球物理勘探, 2015, 05:1016-1036+808.

全数字测量系统 篇2

大比例尺全数字地形测图在城市测量中的应用

全数字地形测图是在现代机助制图技术支持下发展起来的高新测图技术.随着GPS、GIS等相关技术的发展,全数字地形测图得到了迅速的发展和应用.为满足城市规划和建设的需要,某市市规划局决定采用高新技术建立与国家平面及高程系统统一的.高精度基础控制网及全数字化1:1000地形图图库,从8月至7月整个工程已全部完成,经某市市规划院的应用实践证明,全数字内外业一体化地形测图,速度快,精度高,为某市市的经济建设、城市发展提供了可靠的数据信息,取得了令人满意的效果.

作 者：韩艳荣 作者单位：大庆市国土资源局让胡路分局,黑龙江,大庆,163453刊 名：中国新技术新产品英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS年，卷(期)：“”(9)分类号：P2关键词：大比例尺 全数字 地形测图 城市测量

全数字测量系统 篇3

关键词：城市测绘工程；全数字化摄影；实际应用；措施

一、前言

随着现代城市建设不断的发展，为城市建设起到辅助作用的城市测绘工程也逐渐发展起来。全数字摄影是一个具有高度的自动化稳定可靠地操作系统能够有效的对地形地貌等进行数据采集等工作，对不同的地形、环境等采集分析，并进行基础空间信息产品的设计.能够依据工程不同需求建立适应于工程设计的地图，如不同比例尺的数字划线地形图、影像图以及地形模型等。全数字化摄影测绘的主要特点是数据交换速度快，数据处理较为稳定，同时能够实现全自动化的城市测绘，并依据采集的数据建立高精度的三维立体影像。在基础城市测绘中已经成为进行城市测绘最为普遍的使用方式。

二、全数字摄影测量的配置要求与基本原理

1、配置要求

全数字摄影测量使用建议配置系统软件平台为 Windows xp，CPU 为 PentiumⅣ1GHZ 或以上，内存为 512MB 或以上，硬盘位40GB或以上，为双屏显示，建议使用 1280×1024 或以上的分辨率的显示屏。其他的观测装备有N型液晶立体眼镜（Nuvision）和红外发射器、C 型液晶立体眼镜、立体反光镜、偏振光镜屏、手轮脚盘、三维鼠标等配置，使全数字摄影测绘功能得到良好实现[1]。

2、基本原理

①摄影测量主要是通过对相邻的两张图像上选取三对及其以上的坐标点计算出两张想领土想的位置关系，确定图像位置。在图像去电过程中，选择的同名坐标点越多，计算后得到的结果就越精确。通过这种方式，确定整个航带上所有影像之间的相对位置关系。

②在相邻的两个航带之间取一定数量的同名点，以确定每条航带之间的相互关系。在航带间选择的同名点数量越多，计算后的结果就相对较为稳定，对航带之间的联系也就越紧密。通过这货在那个方式对整个测量区域内的所有影像的关系与相对位置进行确定。

③标出图像已知的坐标高度在图像中的对应点，包括一定数量的平高控制点以及一个高程控制点，已经对象的坐标点越多，在测量系统中通过相对位置的计算也就越精确，这样在城市测绘过程中，对每对坐标点对应的位置计算就更加快速准确。

三、全数字摄影测量的发展现状与发展建议

科学技术的发展带动了经济生产各个领域的生产技术现代化，摄影技术也在科学技术的带动下有传统的手绘测量技术发展为现代的全数字摄影测量技术[2]。这种摄影测量技术的发展提高了测绘技术的准确性与测绘效率，弥补了传统测绘技术中的不足之处。但由于现阶段，我国的全数字摄影测量还处于起步阶段，对全数字摄影测量的操作步骤与操作细节等都还没有形成系统性的指导方案，因此在实际操作过程中会出现很多不必要的消耗，这就对人力物力等造成了一定程度的浪费。因此，推动全数字摄影测量的发展还需要工程测绘工作者的共同努力[3]。

1、积极推动测量规范等指导措施的建立与完善。全数字摄影测量经历了一定时期的发展，对城市测绘技术的发展进行了革新，传统测量仪器以及解析测量仪等都已经逐渐被全数字摄影测量所取代。但在实际操作中，由于工作人员的综合能力不足、操作方式不当以及环境因素等的影响，测量中所需要耗费的人力、物力等资源较大，没有充分发挥全数字摄影测量经济、快速的特点。因此需要加强对城市测量规范中对全数字摄影测量测量的操作指导，使全数字摄影测量操作有一定的科学依据作为参考。

2、提高成图精度。在较大规模的航测过程中，由于测绘数据较多，容易导致测量不精确，在航带之间出现误差，影响成图的使用效果。因此为加强成图精度，主要从两个方面着手。一是加强模型接边的精度，现在范围线是捕捉标准定向点成四边形。采集地物地貌不超描，到四边形边为止。这样不会出现模型不接边的情况。连续的模型都如此，采集地物地貌到定向点的连线上。显然这样接边精度高于矩形框。二是加强图相间接边精度，方法类似于模型接边进度的确立，将图幅的接边部位裁切出来，将周围的图像资料装载入这一区域，视为一个单独的航片进行计算，就能够有效提高成图精度。

3、提高全数字摄影测量的使用效率。随着现代化经济的发展，城市发展逐渐趋于成熟，城市的基本格局几乎固定下来。但依然要在城市测绘过程中对城市进行航飞拍摄。这样大面积的反复飞行不仅是对人力与物理的巨大浪费，同时也浪费了测绘时间，降低了工作效率。因此要加强对全数字摄影测量在以前的城市测绘工作中工作资料的重复利用，对城市发展中出现变化的城市格局景行单独拍摄，结合旧有的拍摄资料进行修复，是提高工作效率的必然要求。

4、结合新的图像采集系统，发挥全数字摄影测量优势。目前，LIDAR+CCD 相机的集成系统的出现，能够更加快速的获得地面影响，并建立出高精度的高程模型，这项技术的发展，为全数字摄影测量的应用带来了一定的挑战与启示。加强对新的影像采集系统的融合，是全数字摄影测量未来发展的关键所在。

四、总结

综上所述，科学技术的发展，现代全数字摄影测量在城市测量领域的运用中做出了突出贡献，全数字摄影测量的出现，为现代城市建设的地形勘探、城市建模等方面都有着显著效果。为加强测量技术的运用，技术人员应当深入研究全数字摄影测量的特性，在实践中总结经验，提高在操作中数据采集的精确度。

参考文献：

[1]王洛飞.无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景[J].测绘与空间地理信息，2014，（2）：216-218.

[2]张国柱，许桂平.城市大比例尺测图中全数字摄影测量的应用方法[J].科技信息2011，（5）：33-37.

浅谈全野外数字化地形图测量 篇4

随着测绘仪器向新、尖、精及快速型、智能型的发展, 全野外数字化大比例尺地形图测量已经全面普及。特别是发展较快的地区, 全野外数字化地形图在测绘市场已呈现新的发展势头。

二、作业方法

全野外数字化地形图的作业过程包括:控制测量、碎部测量、数据处理及地形图的编制输出等。

在国家基本比例尺地形图满足不了设计、施工要求时, 需要采用全野外数字化地形图施测, 这种测量方法已广泛应用于各测绘单位。采用该方法所得到的地形图的特点是精度高、信息全, 同时可根据工程特点进行偏重测设, 完全满足工程需要。这种测量方法主要缺点是消耗较大的人力、物力和财力。

三、全野外数字化地形图工作的施测

㈠控制测量在全野外数字化地形图工作中, 控制测量与传统的控制测量相比, 更为方便和高效。根据规范要求, 采用GPS进行控制测量和图、点测设能更好地满足测图要求。特别是图根的控制, 可以任意布点, 无约束条件。

随着GPS技术的发展、全站仪的普及和长距离免棱镜全站仪的出现, 极大地减轻了测绘人员的工作强度。在碎部测量中, 尤其是对危险地区 (如断崖、滑坡) 的测量发挥着至关重要的作用。现在用做地形图测量的全站仪一般为6″级仪器, 测距标称精度为3+5ppm, 与光学经纬仪相比有很大的优势。

众所周知, 在传统测图中, 地面点布点位置的误差受下列因素的影响:一是图根点的展绘误差M展;二是测定地物点的距离误差M距;三是测定地物点的方向误差M刺和M绘;四是地形图上地物点的刺点误差M刺;五是绘制时所造成的误差M绘。

综上所述, 地形图上地物点平面位置的误差可用下式表示

以1∶1000比例尺, 最大视距以100米为例, 根据经验, 见表1。

在全野外数字化地形图绘图中, 因为是计算机自动绘点, 所以图根点与地物点的展绘误差可忽略不计。主要误差为M距、M向。取方向中误差为标称精度的3倍, 因为是半测回测角, 所以方向的误差为6×3=18″, 取碎部点至测站的距离为300米, 则M向=18/206265×300=0.026米, 测距仪的标称精度取3+5ppm。考虑测量中棱镜不到5位等各因素的影响, 取经验值0.020米。则实测得的平面点相对于图根点的误差为0.032米。

由上可知, 在视线良好的情况下, 由于全站仪相对于经纬仪测角、测距精度的提高及计算机的应用, 测量碎部点的距离可以放大, 图根点的密度可作相应地降低, 边长可放宽至100~300米。对于支站也可不受2站的限制, 根据笔者的实践, 设3~4个支站所得测量结果的精确度也可达到要求。当然, 在城市建筑密集区和通视不好的条件下, 考虑对地形图修测或工程放样的要求, 图根点的密度应增加。

㈡碎部测量全野外数字化地形图测量中, 碎部测量的主要方法为极坐标法。在实测得多个碎部点的坐标后, 可利用软件的方向交汇、距离交汇、十字尺测量法或量算定点等方法来获得其余各点的坐标, 再辅以软件中的偏移、拷贝、延伸等功能, 得到图形。

以甘肃有色工程勘察设计研究院的测绘小组为例, 一般是2人一组, 主要测设小于0.5平方公里的地形图及工程放样、变形观测等工作。一般要求在2天左右得到测量结果, 在人员及设备上尽量采用适合工程特点的配备。如果在配备了免棱镜全站仪的情况下, 甚至1人可以完成测量任务。

在非电子平板全野外数字化地形图测量中, 很多单位所采用的方法为室外草图和室内绘图交互完成测图工作。但这样势必会降低室外的工作效率, 操作也比较繁琐。绘制草图需要有经验的老职工, 特别是地形条件复杂地区及建筑密集区, 没有一定经验的人很难胜任此工作。甘肃有色工程勘察设计研究院队的地形测绘小组, 一般由2人组成, 一人观测、记录和编码, 一人测量和绘图。实践证明, 此安排完全可行。

在点号的编码中, 一般可以采取6~7位, 为 (0~9) 、 (XX) 、 (XXX) , 第一位为连接关系, 如0表示独立点, 和其他点没有联系;1与前面的点为同一地物 (貌) , 与前点连接;2表示与前一点为隔点连接;3表示有三个方向, 4表示该地物 (貌) 到此结束;5曲线连接等等。各单位选用的方法可能不同。第二和第三位为地物 (貌) 的代码, 如2层砖房为F2;简易房为F0;建房为FJ;围墙为WQ;加固陡坎为K2;不加固陡坎为K1;高压线为D2;输电线为D1;通讯线为D3;地类界为DL等。最后三位为全站仪自动增加的点号, 如表2所示:

依此类推, 当在室外完成各点的编号 (编码) 后, 通过计算机对各点进行绘制编码。再根据测量人员所走过的路线, 帮助绘图人员完成点的编码, 顺利地将各点连接起来。或者通过编制编码引导文件, 实现自动连线。这项工作完成之后, 再把图纸拿到实地对照, 量取测量时遗漏的各种数据, 再进行交互绘制, 得到最终地形图。

当然, 采用以上方法测量, 对观测和绘图人员的要求比较高。一是配合要默契, 观测人员对仪器操作的熟练程度要高, 一般应在10秒内完成。二是绘图人员主要负责室内绘图, 也是测图过程中的指挥员, 因此对地物 (貌) 的综合取舍等应心中有数, 并且应在测量前确定测量路线, 尽量避免走冤枉路。

经笔者的实践经验证明, 利用该法测量要比草图法省事、快捷。测站人员需要做的仅是编码和照准两个过程, 绘图人员需要做的仅是通过对讲机报编码、摆放棱镜两个过程。全站仪测量一个点, 基本上在1秒内完成, 有的甚至达到0.3秒一个点。受各种外界条件的影响, 测地物约30秒内一个点、地貌约1分钟一个点。测量时间主要是从一个点到另一个点的时间, 采用传统方法测图基本上达不到这个速度。根据实际情况在通视条件较好的情况下一个小组每天可测800~1000个点, 个别小组可达1200个点, 准确率在90%以上。

对于碎部点的确定, 应注意以下几点:一是依比例规则的建 (构) 筑物只需测出三点, 第四点可由计算机来完成。二是不规则的地形地貌应尽量多测几点, 以满足软件建模要求, 在传统测图中, 一些细小的变化可通过手工来完成, 但计算机的模拟是无法真实地反映出这些实际地形地貌。三是对于程序中规定按顺序绘制的图块, 如桥梁, 涵洞等, 最好能按其顺序进行测量。

此外, 还应注意以下一些事项:一是测图单元的划分, 尽量以自然分界为界, 如河流、道路等, 以便于地形图的施测, 也减少了接边的问题;二是能够测量到的点尽量实测, 尽量避免用皮尺 (钢尺) 量取, 因为皮尺测量的速度远不及全站仪所测量的速度, 而且精度也比较低;三是同一类地物 (貌) 应先测, 避免为室内造成一些不必要的麻烦, 可根据实地的实际情况, 灵活运用, 同时, 也方便了观测人员的数字及字母输入;四是测等高线时, 除了测量特性线外, 还应尽量多测一些点, 以满足计算机建模的需要, 也能更加详尽地反映地貌;五是由于全野外数字化地形图很多工作是在计算机上完成的, 所以在野外应加强检核, 如在测站设好后瞄准两个固定方向在测站结束时进行方向检核等。特别是在测区与室内距离较远时, 必须加强检核, 避免返工。

全数字测量系统 篇5

1 RTK技术概述

RTK载波相位差分技术, 是GPS测量中一种新的常用方法, 是实时处理两个测量站载波相位观测值的差分方法, 用户接收机接收到基准站采集的载波相位, 进行求差解算坐标。RTK采用载波相位动态实时差分方法, 相对传统的静态、快速静态和动态测量等事后解算法, 它的适时性、准确性、机动性都得到了质的飞跃, 能够确保在野外作业实时得到平面坐标和高程数据, 为提升工程放样、地形测图、各种控制测量质量提供了支撑, 极大地提高了地形测量外业作业质量和效率。[1]

RTK技术在实际应用中, 通常由基准站接收机、数据链、流动站接收机三部分组成。

其主要特点包括: (1) 自动化程度高。适用于各种测绘内、外业工作, 功能强大。流动站内置软件控制系统可自动实现多种测绘功能, 而无须人工干预就能自动完成测量作业, 极大地减少了人为误差, 减轻了劳动强度, 提升了测量精度。 (2) 作业灵活度高。由于RTK技术以GPS系统为依托, 所以不要求被测目标满足光学通视的要求, 因此相对于传统测量方法和手段, RTK技术灵活性更大、制约因素更少, 只要满足基本工作条件, 就能快速、灵活、高效的进行高精度定位作业。 (3) 测量精度高。RTK技术测量数据没有误差积累, 安全性、可靠性更强。在满足基本工作条件的前提下, RTK在一定半径范围内测量的精度就能满规范技术要求。 (4) 工作效率高。传统测量方法需要设置一定的控制点数量, 并要求多次移动测量仪器位置。而RTK技术的应用, 几秒钟就可以测出一个点的平面坐标和高程数据, 速度快、强度低、省成本, 极大地提高了地形测量效率。 (5) 操作性和数据处理能力强。RTK的基准站架设、移动站操作、手簿软件使用等方面都相对简单。移动站能适时测量坐标数据或进行坐标放样, 而无需对基准站进行设置。能通过通信链路与计算机、其它测量仪器达成适时通信, 数据处理、交换和输出能力更强。

2 RTK技术在数字化全要素地形测量中的应用

本文以福建省莆田市湄洲湾北岸经济开发区地形测量为实例。莆田市地处闽中沿海山地、丘陵带, 地势由西北向东南倾斜, 背山面海, 西北部山峦叠嶂, 中部丘陵起伏, 东南部平原广阔与逶迤的木兰溪、延寿溪、芦溪构成了江南水乡。

2.1 RTK在控制测量中的应用

在湄洲湾北岸经济开发区开展6.5km2 1:500地形测量中, 此次测量范围内地势平坦, 建筑密度较小, 建筑略为凌乱, 交通便利, 便于开展成片测绘作业。区域有成片的龙眼、杂树等, 部分通视较为困难, 不便于测绘作业, 而采用RTK技术能有效克服通视困难、避免频繁搬移设备等问题。本次在测区中部的一座7层楼楼顶设置基准站, 周边环境符合基准站架设的条件和要求, 基准站与已知点的距离约为2~2.5km, 测量中以两台双频GPS接收机进行实时动态测量, 流动站采用三角架支撑竖直。

在RTK控制测量时, 先用已知控制点建立投影的局部归化参数, 再利用本次现场实测的2个C级、3个D级GPS控制点的测量数据, 将已知点的相关坐标信息输入电子手簿中进行参数转换, 查看每个控制点解算后的垂直残差和水平残差。解算后, 本次测量垂直残差最大为±0.7cm、水平残差最大为±0.4cm。为确保待测点的观测精度: (1) 将天线设置在对点器上并连续观测15s以上, 取不同时间段两次观测的平均值。 (2) 机内精度指标, 点位中误差预设为±1.5cm, 高程中误差预设为±2.0cm。 (3) 在观测过程中, 记录平面中误差和高程中误差都小于±1.0cm时的测量结果。

RTK图根点两次观测采用同一基准站, 有着基本相同的观测条件, 观测值坐标较差最大值为+2.8cm, 最小值为+0.4cm。两次观测可视为同精度观测值的情况, 可求得观测值中误差为±0.85cm, 平均值中误差为。这一结果说明, RTK技术能满足《城市测量规范》中最弱点相对于起算点的点位中误差不大于±5cm的精度要求。同时, 对RTK控制点先采用常规手段进行四等水准测量, 在平差后每公里高差中误差为±2.2mm, 最弱点高程中误差为±8.1mm。再进行RTK高程测量, 两次测量成果高程较差最大值为+2.9cm, 最小值为-1.5cm, 观测值中误差和平均值中误差分别为±1.55cm、±1.10cm。RTK高程测量与四等水准测量高程较差最大值和最小值分别为-2.8cm、+1.4cm, 观测值中误差为±1.48cm。如果RTK高程测量中误差预设精度为±1.0cm, 四等水准网高程中误差为±2.0cm, 则可得到高程较差理论中误差为±3.0cm。可见, 计算的高差较差值单位中误差小于高差较差理论单位中误差, 说明RTK高程测量精度满足《城市测量规范》对四等水准网的精度要求。

2.2 RTK在数字化地形测图中的应用

在一定条件下, 利用RTK快速、实时定位和测量坐标的优点, 可利用地形的碎部测量取代常规的数字测图。设置1个GPS基准站, 利用2台接收机分别开始进行碎部点测量。地形点的测量既能按照现场地形情况进行测量设定, 也可以在数据采集的功能下进行。数据采集完成后, 先转换数据格式, 使用南方Cass软件对数据进行编辑处理, 最终生成数字化地形图。由于RTK的采点速度很快, 且数据采集可单人作业, 所以每个碎部点采集时间不超过3s, 可边走边采集数据, RTK快速、实时、高精度的定位优势得以有效发挥。

在地形测量作业中, 还可以充分利用RTK测量的优势, 快速、准确地测量图根控制点, 由于布设图根控制点不受地形地貌的影响限制, 减少了常规全站仪测量多次转移设站所造成的累计误差。这一模式的综合运用, 不仅使地形测量中控制测量更加方便快捷, 还使外业作业效率大大提高。[2]

3 RTK技术在数字化全要素地形测量中应把握的问题

3.1 测量条件选择

为确保地形测量结果准确, 必须把握以下几点: (1) 野外测量作业时, 应尽量选择良好天气, 避免雷雨天气, 确保测量人员、设备安全, 保证测量准确、有效。 (2) 保证移动接收机周围没有大功率射频干扰, 尽量避开水面、树林、高大建筑等影响因素。 (3) 保证移动接收机能连续接收卫星信号和基准站发出的差分信号, 与基准站进行正常、稳定的数据通信。

3.2 优化测量方法

地形测量准确性要求很高, 为减少人为因素和测量方法的影响, 必须对测量措施进行优化: (1) 坚持多次测量。选择在同一天内的最少两个不同时段进行测量, 有效避免因卫星、气象等因素造成的不利影响。经多次观测和数值分析处理, 最后取测量平均值作为测量成果, 以确保测量成果的有效性、可靠性。 (2) 坚持长时间测量。有计划的延长测量时间, 可降低人为因素、观测等对测量结果的影响, 减少测量误差, 使测量准确性进一步提高。 (3) 坚持多方位测量。从不同的位置、不同角度对同一个目标进行精确测量, 利用多个观测数据对观测误差的误差模型进行优化。

3.3 人员素质要求

RTK测量专业性强、精度要求高, 对测量人员的业务素质提出了较高的要求。另外, GPS定位过程中往往容易出现三种误差:即卫星误差、传播延迟误差、接收机本身固有误差等[3]。如果作业员测量技术过硬, 在测量控制过程中就可以有效地消除大部分误差, 这就对测量人员的能力素质提出了考验。因此, 加强地形测量队伍建设, 提高整体技术水平和业务能力就显得尤为重要。一方面要加强教育引导, 进一步强化工作人员的使命意识、责任意识、质量意识、标准意识;另一方面, 要加强业务培训, 采取“走出去、请进来”等方法, 不断提升工作人员的业务技能, 为顺利完成测量任务提供技术支撑。

综上所述, RTK在数字化全要素地形测量中具有常规测量手段难以比拟的优势, 在实时确定坐标、绘制数字化地形图等方面起着重要作用。RTK技术的成功应用, 不仅提高了地形测量的精度和质量, 还节省了人力、物力和财力, 有效提高了测量工作的效率, 为地形测量向着数字化、信息化、实时化方向发展奠定了坚实的基础。

摘要：数字化全要素地形测量是现代土地管理和地形测绘工作的重要基础, 是地质勘探、土地测量、地图测绘等工作的重要内容。随着测绘技术的快速提升, 传统的地形测量手段已经难以满足数字化、高精度的要求, 而RTK技术以自动化、数字化、高精度等优势越来越受到各行业的高度重视。本文从RTK技术概述入手, 分析了RTK技术在数字化全要素地形测量中的应用, 以供参考。

关键词：RTK技术,地形测量,应用

参考文献

[1]郭恒茂, 化兴建, 支卫斌.GPS RTK技术在地形、地籍测量中的应用分析[J].职业时空, 2010, 05:158~159.

[2]雷朝锋, 鲍金红, 冯炎.GPS RTK技术在地籍地形测量中的应用分析[J].中国城市经济, 2010, 07:77+76.

全数字测量系统 篇6

地形测量包括控制测量和地物、地貌测量两大内容。传统的平板仪测图和经纬仪 (或测距经纬仪) 测图通称白纸测图, 它主要采用解析法和极坐标法, 其成果为模拟式的图解图。由于其成图周期长、精度低、劳动强度大等局限逐渐被淘汰。而全数字地形测图顺应现代测绘技术新潮流, 利用先进的测量仪器 (如GPS接收机、电子全站仪等) 和自动化成图软件, 采用各种灵活的定位方法进行的以数字信息表示地图信息的测图工作, 它的成果为模型式的数字图。具体讲就是, 以传统的白纸测图原理为基础, 采用数据库技术和图形及数字处理方法, 实现地图信息的获取、变换、传输、识别、存贮、处理、显示、编辑修改和计算机绘图。与传统白纸测图相比, 全数字地形测图不仅仅是方法的改进, 而是技术本质的飞跃。它主要有以下几个特点:

打破了内外业的界线, 从首级控制到最终成图, 实行一体化作业, 并且大大减轻了室外作业的强度, 缩短了成图周期。

打破了分级布网、逐级控制的原则。一个测区可一次性整体布网、整体平差, 控制网可以是任意混合, 所需控制点数目比传统白纸测图大大减少, 图根控制的加密可与碎部测量同时进行。

碎部点的记录要求具有特定的格式, 这种格式能被数字测图软件所识别, 能和数据库的建立统一起来;碎部点测量时可较多地应用自由设站的方法建立测站点, 确定碎部点坐标的方法除极坐标方法外, 还可灵活采用方向交会法、距离交会法、直角偏距法、导线法、对称点法等诸多方法, 根据测区情况, 可采用无码作业和编码作业。

碎部量测时不受图幅边界的限制, 外业可不分幅作业, 由内业成图时自动进行分幅与接边处理。

考虑到GPS的点位要求, 首级控制网的相对独立性、重要性以及今后的进一步应用, 为保证精度, 我们仍沿袭了分级布网的格局。首级基础平面控制网采用GPS静态相对定位方法布网, 设计60个待定点, 相对均匀地分布在120KM2的控制范围内, 下面布设Ⅰ、Ⅱ级电磁波测距导线。高程控制网以三个已知国家水准点组成三等水准网, 作为测区首级高程控制, Ⅰ、Ⅱ级导线用四等水准联测。

根据多年的应用开发经验, 我们选择了广州开思公司的“SCS多用途数字地籍测绘与管理系统”作为电子平板。该系统具有成图方法多、自动化程度高、编辑方法快捷、图形与数据 (包括编码及属性信息) 自由等价转换等特点, 经实践证明, 是一套十分优秀的自动测图系统。

依据测区特点, 结合SCS软件的功能, 经过具体的测图实践, 我们选择了外业无码作业, 在室内作引导文件, 然后进入编辑的成图方法, 提高了工作效率。值得注意的是, 外业采点不可能也没必要点点俱到, 利用野外采点的框架, 辅以细部的丈量信息, 然后直接按草图编辑是以上方法的重要补充。

在数据的组织与管理上, 向GIS靠拢, 为以后建立UGIS (城市地理信息系统) 打下了坚实基础。按相关地类组织地物数据, 分成10个大层, 多边形保持一个整体, 等高线赋高程值, 地物数据具有基本的属性信息。

2 全数字城市地形测量的几点体会

2.1 将传统的逐级控制方法与现代测量技术手段相结合, 既保证了成果的高精度, 又保证了作业的高速度。据统计, GPS首级控制点中误差 (80坐标系) 最大为1.48cm (点位中误差允许±5.0cm) , Ⅰ、Ⅱ级导线最大测角中误差4.23秒 (108个点) , 四等水准网最弱点中误差最大为1.673cm。经实地检查, 地形图中相邻地物点间距中误差为0.09m, 主要街道两边各地物点相对于邻近图根点的点位中误差为0.18m。如此高精度是传统测绘技术手段无法达到的。

2.2 即用即测, 急用先测, 边测边用, 高科技成果即刻转化为生产力, 为城市规划建设提供了科学可靠的保证。先期完成的东区48KM2成果, 已全部投入使用。99年4月, 规划局急需火车站附近的地形资料, 我们立刻投入三个组的作业力量, 短短三天时间, 便拿出了可靠的成果, 受到了市规划局的好评。

2.3 先进的测量技术在诸多方面打破了传统的观念与局限, 使整个作业流程方便快捷, 作业人员得心应手。电子全站仪, 操作简便, 观测迅速, 精度高, 可自由设站, 灵活采用多种方法求得碎部点坐标;作业人员根据各自的作业经验, 针对实地状况, 采用不同的作草图方式, 有详有略, 相形得益;作业小组可相对成片作业, 内部不存在接边问题;计算机制图编辑, 方便快捷, 随意操作, 删除改动, 不留“痕迹”等等。

2.4 高科技数字产品在今后的应用、管理、更新、维护、交换以及资源共享等方面, 具有无限的“生命力”, 精度永远保持不变, 可谓“一劳永逸”, 充分体现出一图多用的优势, 避免了重复测绘, 节约了资金。由于这项工程采用与国家平面与高程系统统一的基础控制系统, 1:1000的大比例尺具有足够的表现粒度, 因而其成果为以后的进一步应用打下了坚实的基础。而且, 可随时更新, 修改方便, 随着网络技术的发展, 可进行交换和共享, 是一笔宝贵的技术、资源“财富”。

2.5 计算机辅助制图, 精度高、速度快、线划饱满流畅, 可单色、可彩色, 具有艺术美。

3 1:1000全数字地形图进一步应用导向

100KM2千分之一数字地形图图库, 是基本地表景观的缩微。它提供了一个基础框架, 只要针对特殊的用途进行一些改动和转换, 或者辅补一些专题信息, 那么它的应用前景就非常广阔, 本文就以下几个方面, 作一简单的探讨:

可以全自动地转换为各种比例尺的地形图, 利用SCS的比例尺自动转换功能, 可以进行任意比例尺的转换, 可宏观也可微观, 小到某个街区、某个单位甚至某个院落, 大到整个测区。比例尺的变换不影响数学精度。

略加编辑, 可以转换为地籍用图, SCS具有自动展点、自动量算、自动裁图 (宗地图) 等诸多功能。

略加编辑, 辅助一些专题信息, 可以转换为房产地籍图, 可以自动计算各类建筑面积及展绘地下、地面管线网图等。

通过缩编和渲染, 可制成更小比例的全市 (或某辖区) 的平面挂图、工商企业挂图、中远期规划图、交通旅游图、文物古迹分布图等等, 不仅仅为示意图, 而且有可靠的精度保证。是建立城市GIS及其它专题系统的基础数据。这些成果图不仅仅是电子地图, 而且还具有基本的属性信息, 是进入GIS的基础数据, 辅以专题性信息, 可建立各种专题系统。

摘要：全数字地形测图是在现代机助制图技术支持下发展起来的高新测图技术。随着GPS、GIS等相关技术的发展, 全数字地形测图得到了迅速的发展和应用。为满足城市规划和建设的需要, 某市市规划局决定采用高新技术建立与国家平面及高程系统统一的高精度基础控制网及全数字化1:1000地形图图库, 从1997年8月至1999年7月整个工程已全部完成, 经某市市规划院的应用实践证明, 全数字内外业一体化地形测图, 速度快, 精度高, 为某市市的经济建设、城市发展提供了可靠的数据信息, 取得了令人满意的效果。

全数字测量系统 篇7

从设计角度来讲飞机水平测量的主要目的是用来检查飞机各部件相对位置的安装几何参数和对称性, 以及在其使用过程中的变形情况, 以保证飞机的技术性能。通过水平测量可以验证飞机对设计文件的制造符合性, 为飞机的制造符合性审定提供依据[1,2,3]。

随着数字测量技术的发展, 三维激光扫描、摄影三坐标测量技术等数字化三维测量技术日趋成熟和完善。相对于目前的机械光学测量手段, 数字测量技术有很大的优势。文章以V-STARS (VideoSimultaneous Triangulation and Resection System) 系统为例介绍数字化测量系统的功能和应用, 通过一个三维测量的实例, 探讨其在飞机水平测量中实施的可行性。

2 三维数字测量技术介绍

三维数字测量技术可以直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中, 进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体等。下面将以V-STARS单相机系统为例介绍三维数字测量技术[4]。

2.1 V-STARS系统概述

该系统是基于数字摄影的大尺寸三坐标测量系统, 也称为工业摄影测量系统。它通过V-STARS软件处理采集好的照片来得到待测点的三维坐标, 而这些照片是用一个高精度的专业相机, 通过在不同的位置和方向, 对同一物体进行拍摄所获取的, V-STARS软件会自动处理这些照片, 通过图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。一旦处理完毕, 被测对象的三维数据将会进入到坐标系统中, 三维数据可以被输出。这些被测量的物体一般是事先手动贴上回光反射标志, 也可以是探测棒上的点, 或是通过投点器投射上点云。V-STARS系统组成见图1。

2.2 V-STARS系统技术特点

(1) 高精度:单相机系统在10m范围内测量精度可以达到0.08mm, 而双相机系统则可以达到0.17mm;

(2) 非接触测量:光学摄影的测量方式, 无需接触工件;

(3) 适应性好:被测物尺寸从0.5m到100m均可用一套系统进行测量;

(4) 便携性好:单相机系统1人即可携带到现场或外地开展测量工作;

(5) 可输出STL, IGES, ASC等常用CAD软件兼容的数据文件格式。

3 基于三维数字测量技术的水平测量方法

3.1 基于三维数字测量技术的水平测量方法的流程

在三维数字测量基础上文章的改进水平测量方法, 分为的步骤如下:

(1) 通过三维数字测量系统 (如V-STARS) 系统获得被测物体表面的点云;

(2) 将点云导入逆向数据处理软件如达索公司的CATIA, 通过将点云逆向成形, 获得被测物体的外形数模[5];

(3) 将测得的曲面数模和理论数模, 通过在CATIA的数据分析功能, 按照水平测量的要求, 评估飞机各部件相对位置的安装几何参数和对称性。

(4) 形成水平测量报告。

3.2 基于三维数字测量技术的测量实例

文章通过实际测量某型飞机左机翼的外形, 并导入CATIA软件将测量结果与设计的理论外形进行对比分析, 验证三维数字测量技术应用于水平测量的可行性, 对比效果如图2所示。

由图2可以看出, 测量的结果不仅可以获得个别点位的偏移公差, 还可以从整体获得所有点位的公差, 云图和切面的方式表示出来, 应用CATIA分析和测量功能, 很容易获得涉及的所有的水平测量项目要求的结果。

4结束语

从文章可以看出基于三维数字测量技术的水平测量方法在技术上是可行的。基于三维数字测量技术的水平测量方法相比于传统的水平测量方法可以获得较高的测量精度, 减少飞机调水平的环节, 扫描形成的数字模型也更加方便进行后期数据的处理和对测量结果进行判定。不足之处是目前成套的测量设备价格还比较高, 在一定程度限制了该方法的实施。随着经济社会的发展和三维数字测量设备成本的下降, 该方法必然会越来越多的应用于飞机的水平测量。

参考文献

[1]HB/Z 103-86.飞机水平测量公差[S].

[2]GJBZ 20214-94.飞机修理中的水平测量[S].

[3]CCAR23正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定.2004, 12.

[4]V-STARS系统说明.辰维科技, www.chenweikeji.com.

全数字测量系统 篇8

但是,随着高速光纤通信以及其他高速系统的应用,如何提高偏振态测量速率的研究显得更加重要。例如,在光纤通信中,对偏振模色散测量与补偿中所使用的方法大多都是测量差分群时延随光频的变化或它的平均值。但当光纤周围环境干扰比较大时,即使在实验室条件下,光纤中偏振态的变化也非常快。因此为了有效地补偿偏振模色散,还是需要知道偏振态的瞬时值。这样,如何提高测量速度,从而高速地测量偏振态,就成为实现偏振模色散补偿的关键。又比如,在偏振光时域反射计(P-OTDR)的应用中,其背向散射信号是一条随时间快速变化的斜坡信号,准确探测每一时刻的偏振态成为影响传感准确性的关键。

从以上的举例可以看出,无论是在光纤通信还是传感领域中,在测量快速随机变化的偏振态时,数字信号偏振态的测量已不能满足要求。因此,全光纤高速模拟信号偏振态测量系统的研制就显得尤为重要,而这也是文中要着重研究的问题。

1 偏振态的测量原理及系统结构

光的偏振态可以用Stokes矢量表示,对于Stokes矢量的四个参量,可以用如下的光强来表示

其中,I0°、I90°、I45°、I-45°、IR和IL分别表示x轴、y轴、45°方向、-45°方向、左旋和右旋分量的光强。可见,Stokes矢量各参量都是可测量的量,只要测出上述各光强分量,即可从式(1)中得到光的偏振态。

在实验系统中,模拟偏振调制光信号由光源、函数发生器和偏振调制器产生。图1为自建SOP测量模块结构图。光源是中心波长为1 552.52 nm的激光器,函数信号发生器可以产生不同速率、不同波形的电信号来驱动偏振调制器,对光源发出的连续直流光的偏振态进行调制,产生随时间变化的偏振态。此调制光经过图1中的偏振控制器PC0后,进入一个分光比为1:9的1×2耦合器(Coupler)分光,10%的光进入校准偏振分析仪(即校准PA,此处采用的是General Photonics公司POD-101D型偏振分析仪,最高可测量20 k Hz模拟信号的偏振态),90%的光进入自建的高速SOP测量模块(图中虚线框内的部分)。SOP测量模块输出的Stokes矢量s0~ s3由高速示波器显示和记录,以便于后续的分析和处理。

当光进入SOP测量模块后,首先由一个分光比相同的1×4耦合器把光分成功率相等的4路。支路1输出的光直接进入光电探测器D0,输出的信号值为s0。其他三路先通过偏振控制器PC1~3,再进入偏振分束器PBS1~3。调节各偏振控制器,使三个偏振分束器输出的两正交偏振光分别与校准PA的x轴、y轴、45°、-45°、左旋(R)和右旋(L)相一致,这样支路2中由探测器D1、D2和电压放大器A1组成的差分光电探测器输出信号为Stokes参量s1,同理支路3、4的输出信号分别为s2和s3。为了能探测模拟光波的偏振态,光电探测器采用交直流同时响应的模拟光电探测器,支路1单端输出,2、3、4差分输出。

由于上述高速SOP测量模块存在各支路光纤长度不等,1×4耦合器输出功率不完全相同的问题,因此系统还存在着时间同步和功率均衡的需要。

(1)时间同步。模拟信号的偏振态一般是变化的,因此从SOP测量模块输出的信号要严格同步。然而购买的商用PC、PBS等器件,不能保证模块中各光纤支路长度完全相等,因此先用方波信号的上升沿为基准对各光路的光纤进行截取,以保证光纤等长。然后用等长的同轴电缆连接光电探测器与示波器,保证电路等长。这样就保证了s0~ s3的4路输出信号严格同步,测量结果代表同一时刻的4个Stokes参量。

(2) 功率均衡。由于1×4耦合器的制作误差,4路输出功率不完全相同,因此要调节差分探测器的反馈电阻,使每一路放大倍数不同但输出电信号的功率相同。这样就用电的方式对输出光功率的差异进行了补偿。调节后的光路可等效为1×4耦合器输出光功率完全相同且差分探测器放大倍数完全相同的测量光路。

2 SOP测量模块光电放大电路的研制

光电探测器作为SOP测量模块的核心部分,决定着探测到的模拟信号的带宽和波形质量,而光电放大电路的研制是该部分的关键。传统的差分电路一般选择电压差分电路,但因为运放对电压放大时有一个很小的阈值,在小于这个阈值时,会出现过零失真,导致测得的波形不能准确反映偏振态,因此选用电流差分电路作为光电探测放大电路。图2为电压差分和电流差分电路探测器测量曲线。若偏振调制信号是一个正弦信号,当选用电压差分电路作为光电放大电路时,SOP模块测得的Stokes参量曲线如图2a。而当改用电流差分电路作为放大电路时,曲线如图2b。可见,当用电压差分电路作为光电放大电路时s1和s3信号在零点附近有明显失真,而电流差分电路能够很好地解决电压差分电路存在的过零失真问题。

SOP测量模块的光电探测器采用1 550 nm时响应度为0.9 A/W的PIN光电二极管。为使得探测器能测量速 率尽量高 的模拟信 号偏振态 ,选用OPA847运放。其增益带宽积GBP为3.9 GHz,反馈电阻RF为12 kΩ ,CD是OPA847本身的共模输入电容1.2 p F和差模输入电容2.5 p F,以及PIN光电二极管的电容0.8 p F三者之和,根据3 d B带宽计算公式z可以计算出电流差分放大电路的带宽约为107 MHz。实验中为了进行功率均衡,需要将反馈电阻改为可调变阻器,并增大输出功率偏大支路的反馈电阻阻值,使得光电探测器整体带宽下降。实验 测得 ,对于50 MHz左右的信号 ,能够实现 无失真探 测 ,当信号频 率高于50 MHz时,测量结果失真。图3的图3a和图3b分别为模拟信号频率为50 MHz、60 MHz时,电流差分电路作为放大电路时,SOP测量模块的测量结果。结果表明,该探测器能够对速率0~50 MHz模拟信号偏振态进行无失真的测量。

3 系统定标与测试

3.1 定 标

系统定标的步骤如下:(1)固定系统中所有的光纤和器件,输入不经调制的直流光;(2)调整PC0,使得校准PA检测到的偏振态Sp为[1,1,0,0]T;(3)分别调整支路2、3、4上的偏振控制器PC1、PC2、PC3,使示波器检测到的信号s1、s2、s3尽量接近s0、0、0(s0为支路1的输出值);(4)调整PC0,使校准PA检测到的偏振态Sp分别改为[1,0,1,0]T和[1,0,0,1]T,重复步骤(3)使s1、s2、s3尽量接近0、s0、0与0、0、s0。这样D1~D6所在光路坐标分别与校准PA的x轴、y轴、45°方向、-45°方向、右旋R和左旋L相一致,从而完成系统定标。

系统定标时的测量结果如表1所示。其中每组归一化SOP模块测量值S0~S3为SOP模块测量值s0~s3与s0的比值。邦加球上每点表示一个偏振态,两偏振态的差别可用二者在邦加球上对应点的距离来表示,因此SOP模块测量值与校准PA测量值在邦加球上的距离可表示定标误差。按照表1的测量结果,三次定标误差ΔS分别为0.020 3、0.019 5和0.021 7,这一误差与校准PA测量时抖动产生的误差为同一量级,因此可认为定标结果是准确的。

3.2 低速模拟信号SOP的测量实验

上述定标完成后,首先对直流光信号的SOP进行多次测量:保持支路2~4上的偏振控制器PC1~3拨片的位置固定不变,调节偏振控制器PC0的拨片,输入不同的偏振态。在每次测量中,同时记录校准PA测量值和SOP模块测量值。图4为直流信号SOP测量结果与误差。按照定标时的方法计算归一化SOP模块测量值,与同次测量的校准PA测量值画在同一邦加球上,如图4a所示。测量误差ΔS如图4b所示。

通过图4a可见,对于同一次测量,SOP模块测量值和校准PA的测量值在邦加球上非常接近,有些近似重合。图6的误差曲线显示,多次测量的误差介于0.01~0.03之间,这与定标时的误差属于同一量级,但总的来讲偏大一些。这是由于定标后的系统虽然固定了光路中各器件,但仍无法避免外界轻微振动和环境温度变化对偏振态的影响。因此,对于直流信号的测量,实验所用SOP测量模块能够达到准确测量偏振态的要求,并有着很好的重复性。

下面再对20 k Hz以下的低速模拟信号进行测量并与校准PA进行误差比较:保持定标后各支路偏振控制器拨片的位置不变,将函数信号发生器产生的正弦信号加载至偏振调制器上,使其输出偏振调制模拟信号。让正弦信号的频率分别为1,2,…,19,20 k Hz,记录每次测量的校准PA测量曲线和高速SOP模块测量曲线,并对后者进行归一化,再计算误差随时间的变化。

以频率7 k Hz为例,校准PA测量值Sp1~Sp3随时间变化的曲线如图5a。高速SOP模块测值s1~s3随时间变化的曲线如图5b。可见,校准PA和SOP模块的测量曲线有一致的形状,只是由于示波器的基底噪声,后者的测量曲线较宽。对SOP模块测量值进行归一化,并用小波函数进行滤波去噪,得到归一化SOP模块测量值随时间变化的曲线,如图5c。此时可见滤波去噪后的归一化SOP模块与校准PA在每一时刻测得的偏振态都非常接近,二者误差随时间变化的曲线如图5d。误差在0~0.025之间波动,与直流时基本相同。因此可以认为对于频率为7 k Hz的模拟信号,其每一时刻的偏振态测量都是准确的。

对其他频率的信号分别进行上述实验,都能够得到和7 k Hz信号类似的测量结果。其中,当速率达到校准PA最高测量值20 k Hz时的误差曲线如图6。因此,通过与校准PA比较的方法,说明SOP测量模块可准确测量0~20 k Hz速率范围模拟信号的偏振态。

3.3 高速模拟信号SOP的测量实验

若继续提高模拟信号的速率,校准PA已无法测量其偏振态,不能再采用比较方法判断测量结果的准确性。因此,使用另外一种方法来判断:根据函数发生器驱动信号的类型及频率,从理论上推出SOP测量模块的每个Stokes参量的变化规律,然后进行实验测量,若实验结果与理论分析一致,可认为SOP测量模块的测量结果是准确的。实验中使用的驱动信号是不同频率的正弦信号,通过理论分析,测量到的每个Stokes参量应按同频率的正弦规律变化。通过第三部分放大电路的分析可知,SOP测量模块的探测速率可以达到50 MHz,测量结果如图7。与理论分析一致;当频率高于50 MHz时,Stokes参量的变化频率虽然与驱动信号的频率相同,但其波形出现了严重失真,这说明SOP测量模块可准确测量0~50 MHz速率范围模拟信号的偏振态。

4 结 论

首先研究了两种不同差分放大电路的特点,最终选择电流差分电路作为模拟光电探测器的放大电路。使用这种电路后,光电探测部分具有低噪声、高带宽、交直流同时响应的优点。然后,使用搭建了全光纤模拟信号偏振态测量系统,实现了0~50 MHz范围模拟信号的偏振态检测,且重复性良好,邦加球上的检测误差半径小于0.03,与商用偏振分析仪达到了同一量级,但能够检测的模拟信号速率远高于目前商用偏振分析仪的1 MHz。不但如此,本系统仍可以准确测量数字信号的偏振态,成功拓宽了偏振态检测适用的信号类型和速率,为许多光纤传感系统提供了准确的测量手段,可极大提高传感的精度和分辨率。

摘要：全光纤高速偏振态测量,尤其是模拟信号的偏振态高速测量在光纤通信和光纤传感等领域中有着重要应用。在深入研究光电探测器放大电路的基础上,搭建了基于光纤偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)以及模拟光电探测器的全光纤高速偏振态测量系统。用搭建的系统对0~50 MHz模拟信号的偏振态进行了测量,并与商用偏振分析仪进行了误差比较。实验表明,此偏振态测量系统可实现速率0~50 MHz模拟信号Stokes参量的准确测量,显示在邦加球上的测量误差半径在0.03以下,与商用偏振分析仪处于同一量级。系统重复性良好,且可测模拟信号的速率远超目前商用偏振分析仪,为许多待测光为模拟信号的光纤传感系统提供了有效的测量手段。

数字水准仪测量系统关键算法 篇9

数字水准仪是20世纪90年代初出现的新型几何水准测量仪器,具有测量自动化、速度快、精度高和读数客观等优点,是对传统几何水准测量技术的突破,代表了现代水准测量技术的发展方向。其最初的发展可追溯到六十年代,前民主德国大地测量学者开创了机车化水准测量方法,曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的测量系统,由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西德先后研制过两种自动化测量系统,一种系统是扫平仪Telamat与主动水准标尺构成的测量系统,实验样机的测量精度达±1.47 mm/km。另一种系统是通过数字通讯方式在标尺站与测站间联络,实现读数自动化,实验样机在视距40 m时,一次观测高差中的误差不大于±0.1 mm。这两种系统的致命弱点是标尺构造复杂而娇嫩,极易损坏,故未能实现商品化生产。八十年代,欧美等国联合发展新的“快速精密水准测量系统”,该系统建立在双色测角原理基础上,很好地消除了垂直折光的影响,但测量方法仍是三角水准测量方法,只是测角系统采用双色法[1]。1990年瑞士LEICA公司推出世界上第一台数字水准仪NA2000,首次采用数字图像技术处理标尺影像,并以行阵传感器取代观测员的肉眼获得成功。随后,德国ZEISS、日本TOPCON和SOKKIA等公司均生产出拥有自主知识产权的数字水准仪。我国由于编码规则、刻划工艺和解码原理等一些关键技术难点没有解决,目前尚无产品面世[2],但北光、南方绘测、苏一光等国内测绘仪器公司都在积极研究开发中。其中,数字化读数是实现水准测量自动化的技术难点[3,4,5,6,7],本文对正弦条码标尺的编码规则和解码算法进行较系统的探讨,并给出了一般计算公式和设计实例。

2 水准测量系统基本原理

水准测量是高精度高程测量的主要方法,它不是直接测定地面点的高程,而是测出两点之间的高差。即在两个点上分别竖上水准尺,利用水准仪建立一条水平视线,通过望远镜分别读取两水准尺上的高度值作差,从而由已知点的高程求出未知点的高程。十多年来,数字水准仪在中、高精度水准测量方面已获得了长足的发展,其测量精度已达到0.3～0.5 mm/km。

数字水准仪的测量系统原理图如图1所示,标尺上的条码图案经过光反射,一部分光束直接成像在望远镜分划板上,供目视瞄准和调焦;另一部分光束通过分光镜转折到CCD传感器上,经光电、A/D转换成数字信号,通过微处理器DSP进行解码,并与仪器内存的参考信号进行比较,从而获得CCD中丝处标尺条码图像的高度值。传统刻度尺的自动化读数需要面阵图像传感器,且须识别数字符号[8],算法复杂、难度大。采用条码标尺代替传统标尺[9],则只需一维图像传感器,结构及算法得到极大简化。

3 编码与定位原理

根据采样理论,当采样频率大于2倍的正弦信号频率时,采样数据就能完整地恢复出原连续正弦信号。对周期满足Τa<Τb,其最小公倍数z=ΤaΤb/(Τb-Τa)的两正弦信号以等间隔∆L(1/∆L>2/Τa,1/∆L>2/Τb)采样,得到不同数字频率ω=2π∆L/T,初相位ϕ,带有一定直流分量d的离散信号,即

其中:采样点i=1,2...,z/∆L,A、T和ϕ分别表示正弦信号的振幅、变化周期和初相角,量纲分别为mm、mm和rad。以各采样点为中心,采样值为宽度绘制Α、Β条码,引入参考码R,其固定不变的宽度便于CCD识别,以确定一个采样周期长度的定位,从而提高标尺读数精度和利于求视距。三种码沿着一维方向等间距(∆L/3)交替排列,如图2所示。

则上述两信号在任一采样点x(i)=∆Li处的相位差可表示为

可见,在小于标尺长度z时,两信号的相位差∆ψ、采样值组合(Υa(i),Υb(i))都与x(i)保持一一对应的映射关系。

正弦条码标尺数字水准仪正是利用上述特点实现测量定位的。

4 解码算法

正弦条码标尺通过CCD传感器得到的图像信号是一带限信号,对此信号序列处理方式的不同会产生不同的解码算法。

4.1 相位差法

相位差法对正弦信号序列的处理是通过傅里叶变换求初相位进行的。设条码图像通过识别后[10],得到长度为N的理想加窗信号序列

其中采样点i=1,2,...,Ν,ω0为该码(A码或B码)序列的已知数字频率,θ0为序列首码的相位值,w[i]为单位矩形窗序列。

为了消除加窗作用的影响[11],对式(3)作长度为Μ(Μ≥Ν,且为序列数字周期Τ/∆L的整数倍)的傅里叶变换得:

取ω=ω0,则W[ej0]=M,W[ej2ω0]=W[ejω0]=0。设S[ejω]在ω=ω0处的值已通过离散傅里叶变换算出为S[ejω0]=rejδ,其中r、δ分别为序列傅里叶变换的幅度谱和相位谱,则θ0=δ+π/2。如此确定序列首组A、B码的相位,再利用正弦信号的内在特点进行修正:数字频率为ω=2π∆L/T的正弦条码的所有初相位仅有T/∆L种可能,必定是ωi+ϕ(0≤i

结合式(2)得到测量高度计算式为

相位差法通过傅里叶变换提取同类码序列的初相位,修正后经线性运算,换算出图像中丝处的相位,作差后得到测量高度值。该法因序列初相位只有已知的有限种可能,因此可以对比修正,减少了计算误差。

4.2 码宽匹配法

码宽匹配法是根据编码标尺中任意一组条码宽度的组合与标尺的高度值具有单值性这一特点实现水准测量定位的。它在编码时存在A、B码的条码宽度需同时匹配和表征标尺高度的基准设置二个问题,前者需精心选取正弦信号参量,以使相邻条码的宽度值变化明显;后者要求便于几何中心定位,可选A、B码的中心为基准。

设计解码标准库,它由每组条码的高度基准序号i、条码宽度组合(Υa(i),Υb(i))及对应的高度值x(i)=(i-1)∆L+x0三项内容组成,其中x0为第1个基准对应的高度值。码宽匹配法解码分高度基准定位和几何法修正两步。

高度基准定位:CCD传感器存储的是倒立实像,设每个像素宽度为p,离图像中丝位置最近的基准m对应的A、B码像素数分别为ga、gb,两个R码之间的像素数为gr,则物像比λ=∆L/pgr,A、B码图像表征的实际宽度分别为Υa(m)=λpga、Υb(m)=λpgb。根据码宽组合(Υa(m),Υb(m))在标准库查找最佳匹配信息,得到高度基准序号数m。

几何法修正:设第i个基准在CCD线阵上的虚拟成像为Zi,Zi到中丝的像素数为gi,则距离为pgi,pgi在光轴之上取负值,之下取正值。用第m个和第m+1个基准的间距(∆L)测量时,由相似三角形求得:

测量高度为

为了提高精度,取第m个基准上面h个、下面k个共计(h+k+1)个基准间距进行平均计算(见图3),于是物像比为

测量高度值计算公式为

码宽匹配法先以识别出的条码宽度与解码库参考信息进行对照,确定离图像中丝最近的高度基准序号数,再通过几何法精测出标尺高度值,算法简单,而且只有一组条码时也能进行读数,但存在两种条码宽度的同时匹配问题,需精心选取正弦曲线参量。

5 算法实现与实验结果

根据上述解码算法的不同特点,设计条码标尺。取两正弦信号参量为Aa=Ab=4 mm、da=db=5 mm、Ta=300 mm、Tb=330 mm;采样间隔∆L=30 mm,首个基准高度x0=15 mm。

对于用相位差法解码的标尺条码,取ϕa=π/2、ϕb=0,相位在端点错开π/2,以确保标尺端面零点位置相位差具有唯一性。

对于用码宽匹配法解码的标尺条码,取ϕa=π/4、ϕb=π/11,以使同类码相邻码宽差距较大。表1所示为其第一个周期内的部分参考信息,其它位置的编码按此规律依次排列即可。

为验证算法设计的正确性和可行性,基于上述算法思想和去干扰、边缘检测、图像识别等图像处理技术,利用VC++6.0编译标尺条码图像自动读数软件系统,进行了模拟读数测量实验。软件系统处理的对象为数码相机拍摄的条码图像,处理方法为:软件系统读入图像文件后,取行阵扫描图像得到各条码灰度值,通过阈值处理,确定黑条码位置及相对距离,再根据文中所述算法求出读数。数据获取的初始条件是图像按编码方式无弯曲、倾斜显示。部分实验读数结果如表2所示,可以看出,在标尺范围内任一条码所处位置的高度读数误差控制在±0.4 mm内,两种读数方法的实验数据精度由标准差公式算得分别为0.27 mm和0.30 mm,结果表明了解码算法的有效性。

mm

6 结论

模拟读数实验结果表明:在完成编码标尺图像信息的去干扰、边缘检测等图像处理后,利用本文的条码识别算法能够识别出编码标尺读数,证明了算法在设计方案、原理上的可行性。将算法与图像处理模块烧至硬件设备组成样机,进行实际测量将在下一步进行。

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