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第7期 数字电子水准仪原理综述 · 95 ·
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数字电子水准仪原理综述
刘经南1 叶晓明2 杨蜀江1
(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 武汉 430079;
2. 武汉大学测绘学院测量工程研究所, 武汉 430079)
摘 要: 目前, 诸多文献关于数字电子水准原理的研究存在一些含糊不清的现状, 甚至有个别文献断言“解码方法可以互换”, 完全否认不同电子水准原理方法之间存在实质区别, 造成了一些研究误导。而各厂商的电子水准原理的命名角度本身也不一致, 不同原理之间的异同点也不明晰。鉴于此, 根据数字电子水准仪研究的成功经验, 明确指出电子水准原理的解码算法的本质都是模糊识别算法, 并对目前流行的几种电子水准原理的标尺编码方法进行研究, 分析它们的解码突破口, 指出它们之间的异同点, 梳理它们的学理名称与分类, 澄清学术界的一些模糊认识。
关键词: 电子水准原理；电子水准仪；数字水准仪
中图分类号: TP216　　　文献标识码: A　　　国家标准学科分类代码: 420.60
The overview of digital electronic level principle
Liu Jingnan1 Ye Xiaoming2 Yang Shujiang1
(1.2.Wuhan University, wuhan 430079, China)
Abstract: Now, there are some ambiguous situations for the research about digital electronic level principle,even individual document to assert “decode method can be exchanged”, it deny completely that differences between different electronic level principle , has caused some mislead on research. And the name angle to electronic level principle of each manufacturer are also disaccord, the point of similarities and differences between different principle is also not clear. In view of this, the author points out clearly that the essence of the decode algorithm of electronic level principle is vague identification algorithm according to the successful experience of the digital electronic level research, and study the coding method of ruler of all kinds of popular electronic level principles, analyses their decode breach, point out the point of similarities and differences between them, clear off their academic name and classfication, clarify some vague knowledges of academic circle.
Keywords: electronic level principle, electronic level, digital level.

1 引 言
测绘仪器的数字化智能化是测绘走向全数字化的必然要求, 在数字电子水准仪技术诞生十余年后的今天, 由于诸多原因, 国内仍然存在许多对数字水准仪技术的片面认识, 对不同电子水准原理之间的异同点模糊不清, 造成了一些研究误导。这里结合多年从事数字电子水准仪研究开发的实践经验, 在此专门对目前几种不同的数字电子水准仪原理的技术要点发表一些看法。
2 数字电子水准仪的技术核心
数字电子水准仪是通过阅读标尺上的条码来完成测量的, 所以数字水准仪的第一个技术门槛就是条纹图象的识别。
由于数字电子水准仪的标尺位于仪器以外几米至百余米之间的任意位置, 图象成像压缩比是随意的, 距离越远, 图象压缩越小。也由于远距离时图象太小而光电图象传感器的像素又相对太大, 图象细节很模糊, 加上望远镜调焦模糊、像差、几何失真、传感器噪声、光干扰、电干扰、标尺常年野外作业导致条码磨损、破损、视场中局部条纹被遮挡(如树枝叶等)、自然光线照度不均匀等复杂因素, 图象传感器所截取的只是一个夹杂噪声和干扰的、模糊的、甚至残缺不全的灰度图象。由于在恶劣技术条件下都要求数字水准仪还必须准确无误的完成精确测量, 从而使得数字水准仪的图象识别技术都是模糊识别算法或叫图象相关算法, 即通过对图象信号的宏观分析逐步确立图象微观细节。而采用类似商品条码阅读技术的简单边沿识别技术根本就不可能实现正常测量。
在图象识别完成以后, 条码的码序及条纹的边沿坐标信息都已经确立, 获得测量结果的后续计算处理过程当然就大同小异了。
由于图象和实物的几何比例关系随距离不同而变化无常, 这就增加了一个物象比未知量。也由于增加了这一个物象比未知量, 水准仪的一维图象识别实质是二维识别算法, 其运算量和运算时间当然是巨大的。所以人们一开始就想到尽可能缩小相关算法的搜索范围来减少运算量来提高解码测量速度, leica早期的仪器使用调焦传感器来粗略测量标尺与仪器间的距离就是这一思想的体现。由于这个粗略距离很不精确, 这一方法仅只能减少80%左右的运算量, 测量速度仍然不理想, 其他公司陆续发明了让标尺的不重复条码影象信号中包含周期波谱(重复信号)的编码方法, 通过对周期波谱的周期测量进而精确测量出标尺与仪器间距离, 把二维相关变成了一维相关。测量速度大大提高。
自数字电子水准仪进入中国以来, 就有许多科技工作者对此进行了大量研究, 从文献检索的情况看, 《数字水准仪的测量算法概述》[1]较早对三种主要电子水准原理—— 相关法、几何法、相位法的主要技术路径进行了分析和比较, 其后相继也有诸多文献[2-3]也对此进行有益的分析。
但是, 也有文献[4]明确否定不同电子水准原理之间存在实质区别, 认为“解码方法是可以互换的”, 进而研究“通用编码解码方法”, 其“解码”思路是“条码的标识符”等于“黑色部分的像素/白色部分的像素”。显然, 其“通用”“方法”是建立在条码图象的条纹边沿细节已经完成了准确的测量定位的基础之上的, 是以图象识别已经完成为前提的。这恰恰回避了数字水准仪的技术核心, 把一个大同小异的后续计算处理当成了主要文章。这是对灰度图象信号的模糊残缺本质和图象传感器的有限分辨能力等复杂因素没有足够认识的原因导致的, 把条码图象的条纹边沿识别理解成简单技术, 把数字电子水准仪解读成了类似商品条码阅读仪的技术原理。当然是对电子水准技术的曲解。
此外, 该文献[8]忽视个性研究、而仅以总结条码的局部共性得出“互换”“通用”结论的思维也是犯了哲学错误的。
也由于各厂商的解码原理的命名角度并不统一, 使得人们对他们之间的异同点模糊不清, 这里结合自己从事数字电子水准仪研发的经验, 对此做一个分析比较。
3 电子水准原理的比较
目前流行的几种电子水准原理主要是相关法[1]、几何法[1]、相位法[1,5]、RAB原理[6]及叶氏原理[7]。
从这几种原理的共同性的角度看, 都使用了光学水准仪的光路原理, 也都使用了条形码标尺, 条码明暗相间, 通过改变明暗条码的宽度实现编码, 且条码不存在重复的码段。但它们的编码规则也有非常明显的个性区别, 从这些区别是可以看出它们的解码原理的区别的。如图1所示。另外, 除上述编码环节存在共同性外, 解码环节也还是有共同性的。可以断定, 所有的电子水准原理的解码过程都存在粗测、精测和精粗衔接这些步骤过程。且这些过程 和普通的光学模拟水准仪仍然有相似之处。如图2所示。
粗测—— 确定光电传感器所截获条码片段在标尺上的位置, 这一过程也就是图象识别过程。
精测—— 确定电子中丝在所截获的条码片段中的位置。
精粗衔接—— 根据精测值和粗测值求得电子中丝在标尺上的位置—— 即测量结果。
当然, 相位法的精测粗测含义则有所不同。
3.1 相关法
Leica仪器使用相关法, 其解码原理就是对图象信号与约定的编码进行相关解算, 寻找最大相关点的位置从而完成图象识别, 进而获得所截获的条码片段的原码(粗测值)和物象比(距离), 精测原理则由电子中丝和码元的相位关系实现。其解码突破口在于二维相关搜索运算。

图1 不同电子水准原理的码尺比较
Fig. 1 The yardsticks of different electronic
level principle

图2 电子水准仪与光学水准仪的
粗精测量含义比较
Fig. 2 The coarse fine measure meaning
of electronic level and optical level
由于是直接进行相关搜索运算, 所以标尺的编码直接以伪随机码进行黑白二进制编码。如图3所示, 码元0和1分别与条码的黑白相对应。

图3 相关法的直接黑白编码原理
Fig. 3 The direct black and white coding
principle of correlate algorithm

相关法的优点是思想方法简单, 而缺点是由于粗测值和距离(物象比)二个未知量同时进行二维相关运算搜索, 而每个条纹中所包含的码元数目具有很大的随意性, 最少是1个码元, 而最多可以是16个码元, 而且码元宽度很窄(如2.025 mm),远距离是无法直接分辨码元少的窄条纹的(“淹没”现象), 由于相关法是比较实在的由所有像素参与的对可能结果的“穷举式表决”, 那些“淹没”的条纹和条纹边沿细节以及被遮挡损坏的少量条纹并不足以影响到整个“投票结果”, 实现了可靠的解码。但由此带来的运算量非常巨大, 于是导致了测量速度慢和对微处理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。
为解决测量速度慢的问题, 早期的Leica仪器在望远镜的调焦旋钮上安装传感器以实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围, 也有仪器则采用面阵光电传感器通过测量标尺条码的横向长度来实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围。
相关法的精测原理仍然利用电子中丝和所截获的码片段码元的相位(位置)关系实现。对于这一点, 目前还没发现有文献对其进行了分析和披露。目前文献所介绍的“粗相关”“精相关”概念实质都是介绍的粗测原理—— 即条码片段或其码序的确立过程, 对其真正的精测原理即电子中丝和条码片段之间的位置关系的确立过程没有涉及。
3.2 几何法
几何法的解码原理区别于相关法的地方是通过载码的引入减少了标尺上黑白条纹宽度的种类, 并使得图象信号中可以恢复出载码的周期波谱, 从而实现了准确的码元坐标定位继而实现快速的“码词”(和相关法中的条码片段概念类似)读取, 解决了相关法的测量速度慢的问题。其所谓的相似三角形空间变换几何关系[1]如图4所示不是其真正特点, 因为这种相似三角形空间几何比例关系其实是所有电子水准原理所共同采用的(包括相关法、相位法、RAB原理以及叶氏原理也实质都使用了这种望远镜成像的光学比例关系), 所有电子水准原理的精测过程实质都是使用了这种几何关系。所以我们一直认为几何法的叫法是不妥的。

图4 文献[1]对几何法原理的描述示意
Fig. 4 The describe of document [1] for
geometry algorithm principle

先看几何法的相位调制编码原理。如图5所示。

图5 几何法的相位调制编码原理
Fig. 5 The phase modulation coding principle
of geometry algorithm

图中反映了载码遇0码元则反相遇1码元则同相的编码规则。可以看出这样的条码的宽度种类仅有二种宽度, 大的条纹宽度就是码元的宽度, 小的条纹宽度就是半个码元的宽度, 比相关法中的16种宽度大大减少, 条纹也粗得多, 100 m距离不可能出现整条纹完全“淹没”(至少在理论上), 根据恢复出的周期波谱的波长和相位, 码元成像在CCD上的坐标分布定位就清清楚楚, 简单的一维相关就可以完成粗测, 物象比由周期值直接求解。但由此带来的问题是: 信息密度稀疏了, 很难同时顾及远近距离的测量要求。因为近距离时望远镜成像很大, 在光电传感器上成像的码元个数大大减少, 少到一定限度就保证不了解码的唯一性。但若减少码元宽度顾及近距离又对远距离的图象分辨不利。为解决短视距的测量问题, 几何法采用双相位码编码—— 在单相位码的基础上加入约定的1 mm明暗窄条码, 这种码只有在近距离时光电传感器才可以分辨并参与解码, 在远距离时其在光电传感器上无法分辨(淹没), 不参与解码。这是几何法原理的远近兼容测量原理。
目前文献所介绍的几何法原理其实只是着重强调了其精测原理和精粗衔接过程, 其望远镜成像几何比例关系就是说明的电子中丝和码元之间的相位(位置)关系。而对于其粗测原理——“码词”[1]的获取这一数字水准仪的最实质的图象识别技术问题则没有涉及。
可以看出, 相关法和几何法的命名角度本身是不一致的, 前者是粗测特征, 后者是精测特征。这样的命名与分类当然是不严谨的。
实际上, 相关法也利用了望远镜成像几何位置(相位)关系实现精测, 几何法也可以使用相关算法(但不是二维相关)实现粗测(获得“码词”)。而其区别仅在于是否利用载码调制来实现解码运算量的减少。
3.3 相位法
相位法原理的基本特征是利用标尺条码图象信号中的几个不同周期码的波谱的相位差来实现粗测, 算法是快速傅里叶变换, 其运算量也不小。精测原理利用R周期码的相位信息实现。
其测量原理和光电测距仪的组合频率测距法是类似的, 如图6所示。主要分如下6个步骤进行:
1) 分别测量出电子中丝在标尺成像中的A码、B码和R码三种周期信号中的相位值fA、fB和fR;
2) 用fA、fB求解出电子中丝在隐含频率FC = FB-FA中的相位fC = fB-fA;
3) 根据隐含频率FC的波长 和相位fC求得第一高度粗测值HC;
4) 根据A码(或者B码)信号的波长LA (或者LB)和相位fA(或者fB)求得第二高度粗测值HA(或者HB);
5) 再根据R信号的周期LR和相位fR求得高度精测值HR。
6) 最后依次将HC、HA(或者HB)和HR逐次精粗衔接就可以获得精确的高度测量结果H了。
之所以要使用第二粗测值, 是因为第一粗测值的精度很容易超出精测R码的波长, 将第一粗测值和精测值直接衔接将容易出现整周期的R码粗差。

图6 相位法的编码解码原理示意
Fig. 6 The principle of coding and decoding
of phase algorithm
3.4 RAB原理
RAB原理编码规则是载码码宽数字调制, 其解码的突破口是利用相邻码元中心等距离特征—— 即图象信号中包含有周期波谱, 从而通过周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、快速粗测的相关运算等, 精测原理和其他方法仍然类似。如图7所示。

图7 RAB原理的码宽调制编码原理
Fig. 7 The yard wide modulation coding
principle of RAB principle

RAB原理为解决远近视距兼容使用了6种宽度的编码, 且6种码分为三组, 每组2种宽度的码元, 同组中的2种码元的宽度差别不大, 这种不大的差别在近距离是容易区别的, 在远距离时由于截获了较大视场的条码片段, 同组中的2种宽度差别不大的码元按一种码处理。
RAB码的显著特点是相邻暗条纹(或者相邻明条纹)中心距离等于定值。
3.5 叶氏原理
叶氏原理是武汉大学发明并实现的数字水准原理, 已经应用于博飞DAL系列和苏一光EL系列数字水准仪中。其核心思维是以比例码为载码, 测量码调制寄生在比例码之中。解码时首先通过条码图象信号中的比例载码周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、快速粗测、精测。如图8所示。

图8 叶氏原理的比例调制编码原理
Fig. 8 The proportion modulation coding
principle of YE’s principle

本原理中条码区别于其他原理的显著特点是相邻明暗条纹的边界(或者暗明条纹的边界)之间的距离等于定值。
比较这5种原理可以看出, 除前边提到的粗测、精测、精粗衔接这些大体过程存在相同以外, 所有电子水准原理的精测原理其实也是基本相同的, 都要涉及电子中丝和所截获条码图象中的某种信息的相位(位置)关系, 都要涉及望远镜成像的三角形几何比例关系的应用。
而不同之处在于粗测的实现过程(图象识别)以及精测、粗测都要涉及到的物象比的确立过程。
除相关法外, 相位法、几何法、RAB原理和叶氏原理都使用和利用了载码调制编码解码, 通过载码波谱的使用以实现快速图象识别, 也由于相位法的波谱相对复杂, 必须以傅里叶变换来解码, 而后3种原理则只需相对简单的算法就可以获得载码成像的周期波谱信息。而实践应用也证实了后三种原理的实际测量速度效果也的确比相位法和相关法明显快捷。
就三种使用载码调制的原理而言, 几何法必须增加细条纹码克服近距离时信息密度过低的缺陷, RAB原理和叶氏原理只需增加调制级数就可以轻易解决近距离时信息密度低的问题。
4 电子水准原理的学理分类
通过上面的比较, 目前电子水准原理的实质区别是解码的第一突破口—— 粗测的方法(图象识别)有所区别。所以名称和分类方法应该围绕这个特点来进行, 这样才能明晰地区别它们各自的技术特点, 否则各自按自己认为的特点来命名将只能使问题更模糊。图9是笔者对目前水准原理的名称与分类关系的认识。

图9 电子水准原理的学理分类
Fig. 9 The academic classfication of
electronic level principle
二维相关法即是原来的相关法, 加上“二维”二字是为了突现其特点, 因为其他原理其实也有使用相关算法的。
相位法的名称没变, 因为这一名称的确反映了其特点。
几何法、RAB和叶氏原理由于都利用载码波谱作为快速解码的突破口, 精测都是以电子中丝与载码的相位关系来实现, 故将这3种方法归类为载码相位法一个大类的3个子类。

叶晓明
Trimble的几何法由于是对载码进行相位调制, 故命名为相位调制载码相位法; SOKKIA的RAB原理由于是对载码进行脉宽调制, 故命名为脉宽调制载码相位法; 叶氏原理由于是对载码进行比例调制, 故命名为比例调制载码相位法。
5 结 论
可以看出, 现有的五种解码原理的发明思想是具有同源性的—— 那就是图象识别的快速模糊算法的实现手段, 而远不只是码段不重复这个纯粹的编码问题。以上原理方法之所以都能获得专利授权, 那是因为这些原理方法一个比一个更具有解码速度上的先进性、形式上的新颖性和实现上的简单实用性。从载码调制方法使用的情况看, 相位调制、脉宽调制和比例调制方法三种可能的调制方法都已经用完, 新原理的发明将更加困难。而“通用”方法的误区就在于没有注意到图象识别技术因而找不到不同原理之间的技术差异之所在。
参考文献:
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[6] SOKKIA Ltd.Electronic level and it’s measuring scale[p]. The patent of the People’s Republic of China 98125342.3.
[7] YE X M, LIU J N. Carrier code phase method for digital electronic level[J]. Geomatics and Information Science of Wunan University, 2007, 1.
作者简介:

刘经南
刘经南: 1982年于武汉测绘学院获得硕士学位, 大地测量学家。现为武汉大学教授、博导、中国工程院院士。研究方向为空间大地测量技术。
E-mail: jnliu-ch@
Liu Jingnan: obtained Master’s Degree in 1982, He’s a professor in geodesy, academician of Chinese Academy of Engineering. His research area is in spatial geodesy.
叶晓明: 1984年于武汉测绘学院获得学士学位, 现为武汉大学教师, 高级工程师。研究方向为电子测量技术及现代测绘仪器。
E-mail: xmye@
Ye Xiaoming: got scholar’s degree in Wuhan Institute of Surveying and Mapping in 1984. Now he is a teacher and high-grade engineer in Wuhan University. His study direction is electronic measure technology and modern survey instrument.

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