专利名称：测量方法和测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于随着时间周期地或者连续地测量多个点的一种测量方法和一种测量设备。
背景技术：
为了观察地面的沉降、观察山崩、观察诸如水坝的建筑工程的提岸和墙壁的移位、 观察隧道的壁表面的移位，通过在于测量范围中设定的多个测量点上使用测量设备而随着时间周期地或者连续地执行测量。例如，在其中将要建造隧道以建筑地下铁路的情形中，为了观察所构造的隧道的顶板和壁表面是否可能移位，作为目标在顶板上和壁表面上安设多个棱镜，并且通过使用测量设备，在无操作员干预的情况下，全部的这些棱镜的位置移位一个接一个地得到测量 (在下文中，这被称作“监视测量”)。因为每次当将在每一个测量点上执行距离测量和角度测量时，都必须执行自动视准和距离测量，所以在存在多个测量点的情形中，要求大量的时间用于单一监视测量，并且监视测量要求的时间将是更长的。因此，已经了解到，当在测量点上发生任何变化时，引起了在发觉所述变化时的延迟。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种测量方法和一种测量设备，由此可能的是，在于多个测量点上执行监视测量的情形中缩短用于测量的时间、减少监视测量的循环时间并且使得在其中在测量点处存在任何变化的情形中最早可能地探测到该变化成为可能。本发明提供一种用于通过使用一种测量设备而在多个测量点上执行监视测量的测量方法，该测量设备包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在测量方向上拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元，和用于使得望远镜单元对测量点执行自动视准并且用于基于在数字图像上的测量点与视准轴线的偏差并且基于来自角度探测单元的探测结果而计算测量点的方向角度的算术单元，其中该监视测量包括用于获取测量方向上的数字图像并且用于根据数字图像在测量点上执行角度测量的粗略监视测量，和用于利用望远镜单元执行测量点的视准并且用于利用距离测量单元执行距离测量和利用角度探测单元执行角度测量的精确监视测量，并且其中在每一个测量点上执行粗略监视测量，通过粗略监视测量的粗略测量结果与初始值的偏差得以确定，并且在于此处偏差超过第一阈值的测量点上执行精确监视测量。而且，本发明提供如上所述的测量方法，其中粗略监视测量包括基于初始值将望远镜单元指向测量点并且获取数字图像的步骤、测量望远镜单元的视准轴线的方向角度的步骤、计算数字图像中的测量点相对于视准轴线的偏差的步骤，和基于竖直角度、水平角度
4和偏差确定测量点的方向角度的步骤。此外，本发明提供如上所述的测量方法，其中粗略监视测量被如此执行，使得望远镜单元在预设范围内执行扫描，并且粗略监视测量包括以使得待被测量物体的图像被包括于在时间方面彼此相邻的至少两个数字图像中的如此方式设置扫描速度和图像拾取时间间隔的步骤，和将所获得的测量结果平均化的步骤。而且，本发明提供如上所述的测量方法，其中当精确监视测量的测量结果与初始值的偏差超过第二阈值时发出报警信号。此外，本发明提供如上所述的测量方法，其中该方法包括与粗略监视测量的执行或者与精确监视测量的执行同时地获取测量方向上的背景图像的步骤，和在不能执行粗略监视测量或者精确监视测量的情形中根据背景图像判断不可测量状态的步骤。而且，本发明提供一种测量设备，包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在视准方向拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元、用于使得望远镜单元在测量点上执行自动视准的自动视准单元、用于探测数字图像中的测量点并且用于计算相对于望远镜的视准轴线的张角的图像处理单元，和算术单元，其中该算术单元根据初始值将望远镜单元指向测量点、基于由角度探测单元探测的方向角度并且还基于张角计算测量点的方向角度、获取由此计算的方向角度作为粗略监视测量的结果，并且在粗略监视测量的结果超过第一阈值的情形中，算术单元使得望远镜单元指向超过第一阈值的测量点、使得望远镜单元执行自动视准、利用距离测量单元和角度测量单元执行距离测量和角度测量并且获取测量结果作为精确监视测量的结果。此外，本发明提供如上所述的测量设备，其中望远镜单元具有用于在测量方向上拍摄背景图像的图像拾取单元，并且在其中不能获得粗略监视测量的结果或者精确监视测量的结果的情形中，算术单元利用图像拾取单元获取在此处不能获得测量结果的测量点的方向上的背景图像。本发明提供一种用于通过使用测量设备而在多个测量点上执行监视测量的测量方法，该测量设备包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在测量方向上拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元，和用于使得望远镜单元对测量点执行自动视准并且用于基于在数字图像上的测量点与视准轴线的偏差并且基于来自角度探测单元的探测结果而计算测量点的方向角度的算术单元，其中该监视测量包括用于获取测量方向上的数字图像并且用于根据数字图像在测量点上执行角度测量的粗略监视测量，和用于利用望远镜单元执行测量点的视准并且用于利用距离测量单元执行距离测量和利用角度探测单元执行角度测量的精确监视测量，并且其中在每一个测量点上执行粗略监视测量，通过粗略监视测量的粗略测量结果与初始值的偏差得以确定，并且在于此处偏差超过第一阈值的测量点上执行精确监视测量。结果，相对于未示出任何变化的测量点，省略了精确测量。因此， 能够减少监视测量要求的时间。而且，本发明提供如上所述的测量方法，其中粗略监视测量包括基于初始值使望远镜单元指向测量点并且获取数字图像的步骤、测量望远镜单元的视准轴线的方向角度的步骤、计算数字图像中的测量点相对于视准轴线的偏差的步骤，和基于竖直角度、水平角度和偏差确定测量点的方向角度的步骤。结果，能够通过图像处理执行测量，并且无需执行精确视准，并且测量要求的时间能够被广泛地缩短。此外，本发明提供如上所述的测量方法，其中粗略监视测量被如此执行，使得望远镜单元在预设范围内执行扫描，并且粗略监视测量包括以使得待被测量物体的图像被包括于在时间方面彼此相邻的至少两个数字图像中的如此方式设置扫描速度和图像拾取时间间隔的步骤，和将所获得的测量结果平均化的步骤。结果，粗略监视测量准确度得以改进。而且，本发明提供如上所述的测量方法，其中当精确监视测量的测量结果与初始值的偏差超过第二阈值时发出报警信号。结果，仅仅在示出变化的测量点上执行精确监视测量，并且能够在不要求大量时间的情况下发出准确的报警信号。此外，本发明提供如上所述的测量方法，其中该方法包括与粗略监视测量的执行或者与精确监视测量的执行同时地获取测量方向上的背景图像的步骤，和在不能执行粗略监视测量或者精确监视测量的情形中根据背景图像判断不可测量状态的步骤。结果，判断不能仅仅根据利用背景图像的测量结果判定的不可测量状态是可能的。方便操作方判断不可测量状态的过程。而且，本发明提供一种测量设备，包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在视准方向拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元、用于使得望远镜单元在测量点上执行自动视准的自动视准单元、用于探测数字图像中的测量点并且用于计算相对于望远镜的视准轴线的张角的图像处理单元，和算术单元，其中该算术单元根据初始值将望远镜单元指向测量点、基于由角度探测单元探测的方向角度并且还基于张角计算测量点的方向角度、获取由此计算的方向角度作为粗略监视测量的结果，并且在粗略监视测量的结果超过第一阈值的情形中，算术单元使得望远镜单元指向超过第一阈值的测量点、使得望远镜单元执行自动视准、利用距离测量单元和角度测量单元执行距离测量和角度测量并且获取测量结果作为精确监视测量的结果。结果，能够缩短监视测量要求的时间。此外，本发明提供如上所述的测量设备，其中望远镜单元具有用于在测量方向上拍摄背景图像的图像拾取单元，并且在其中不能获得粗略监视测量的结果或者精确监视测量的结果的情形中，算术单元利用图像拾取单元获取在此处不能获取测量结果的测量点的方向上的背景图像。结果，判断不能仅仅根据利用背景图像的测量结果判定的不可测量状态是可能的。这方便在操作场所判断不可测量状态的过程。附图简要说明
图1是示出包括根据本发明的实施例的测量设备的系统配置的概略绘图； 图2是示出在如上所述的测量设备上提供的光学系统的绘图； 图3是如以上给出的测量设备的概略框图； 图4是示出在本发明实施例中的示教操作的流程图5是示出在本实施例中扫描轨迹、望远镜视场和反射目标的关系的解释绘图；并且图6每一幅均代表用于示出在本实施例中在望远镜的视场和反射目标之间的关系的解释绘图。图6 (A)示出其中在望远镜的视场中包括单一反射目标的情形，并且图6 (B) 示出其中在望远镜的视场中包括两个反射目标的情形。图7是示出根据本实施例的监视测量的流程图8是在本发明的第二实施例中在测量设备上提供的光学系统的图表；并且图9代表本发明的第二实施例的流程图。
具体实施例方式通过参考附图，将在下面关于本发明的实施例给出说明。首先，参考图1，将关于提供有根据本发明的测量设备的测量系统给出说明。在图1中，引用数字1代表将在测量室9中安设的测量设备。测量设备1具有望远镜单元2并且能够在水平和竖直方向旋转望远镜单元2，并且测量设备1具有自动视准功能。数字3代表测量设备PC。这个测量设备PC 3被电连接到测量设备1，或者被与测量设备1集成。测量设备PC 3向测量设备1发出涉及测量的指令、积累如在测量设备1处获取的测量数据或者向基站PC 6传输测量数据。数字4代表电源，并且电源4向测量设备1和测量设备PC 3供应电力。虽然未在图中示出，但是测量设备1具有测量功能并且具有用于探测望远镜单元2的视准方向的水平角度测量单元和竖直角度测量单元(见图3)。引用数字5-1、5-2、5-3···5-η每一个均代表在测量点处安设的反射目标。基站PC 6被安设在管理办公室10处以掌控并且管理隧道、水坝等。基站PC 6 积累从测量设备PC 3传输的监视数据并且比较所接收的监视数据与在过去接收的监视数据，并且判断隧道、水坝等的当前状态。测量设备PC 3和基站PC 6能够经由根据需要的通信装置7例如LAN、电话线、无线通信等向和从彼此传输并且接收数据通信。图2示出测量设备1的光学系统11。在图2中，引用数字12代表光学系统11的光轴(视准轴线)，数字13代表用于距离测量的光源，数字14代表用于视准的光源，数字15 代表用于朝向光轴12引导来自用于距离测量的光源13的距离测量光的第一光投射光学系统，数字16代表用于朝向光轴12引导来自用于视准的光源14的视准光的第二光投射光学系统，数字17代表沿着光轴12置放的物镜，数字18代表被置放在光轴12上的聚焦透镜， 并且数字19代表目镜。用于距离测量的光源13发射可见光作为距离测量光，并且用于视准的光源14发射非可见光例如红外光作为视准光。从用于距离测量的光源13发射的距离测量光和从用于视准的光源14发射的视准光被分别地沿着光轴12投射。距离测量光的反射光(在下文中被称作“反射距离测量光”)和视准光的反射光(在下文中被称作“反射视准光”)进入物镜17并且被会聚。沿着光轴12置放二向色棱镜21。二向色棱镜21反射反射视准光22。反射视准光22被二向色棱镜21分离，并且如此通过反射分离的反射视准光22的一个部分进入图像传感器23。反射距离测量光M被反射并且被二向色棱镜21分离，并且被如此分离的反射距离测量光M进入用于距离测量的光电探测元件25。在通过二向色棱镜21之后，自然光 22’通过聚焦透镜18并且进入目镜19。图像传感器23是CCD、CM0S传感器等，其每一个均例如是像素集合体，并且图像传感器23输出数字信号。能够在光接收表面(图像拾取表面)上规定所接收的像素的位置。 此外，如此进行设计，使得图像传感器23的中心与光轴12相一致。通过获得像素在图像传感器23上的位置，相对于光轴12的张角(即从像素的位置确定的、相对于光轴的角度)能够得以获取。光学系统11、图像传感器23等一起地构成拍摄数字图像的图像拾取单元。在本实施例中，从由图像传感器23获取的数字图像探测反射目标5，并且如此进行设计，使得反射目标5在图像上的位置得以探测并且反射目标5的位置(竖直角度和水平角度)是从光轴12的竖直角度和水平角度探测的。图3是用于示出测量设备1的大致系统配置的概略框图。在图3中，引用数字27 代表通常由CPU代表的算术单元，数字观代表存储单元，数字四代表距离测量单元，数字 30代表图像处理单元，数字31代表竖直角度测量单元，数字32代表水平角度测量单元，数字33代表通信单元，数字34代表显示单元，数字35代表自动视准单元，数字36代表用于在竖直方向旋转望远镜单元2的竖直电机，数字37代表用于在水平方向旋转望远镜单元2 的水平电机，数字38代表在竖直电机36上安设的竖直电机编码器，数字39代表在水平电机37上安设的水平电机编码器，并且数字40代表操作单元。存储单元观具有程序存储区域和数据存储区域。在程序存储区域中，存储各种类型的程序。这些程序包括用于使得测量设备1执行测量操作并且用于获取每一个测量点 (即反射目标5)的三维数据的测量程序，和用于顺序地搜索测量点并且用于执行操作例如利用图像传感器23获取图像的序列程序、用于从由图像传感器23获取的图像探测反射目标5的图像处理程序，和用于基于反射目标5的探测结果执行望远镜单元2对反射目标5 的视准的自动视准程序，和用于运行自动视准程序和测量程序并且用于基于在每一个反射目标5上测量的数据执行示教操作的示教程序、用于基于示教操作的结果以预定时间间隔执行自动视准程序和测量程序、用于探测每一个测量点的位置并且用于以时间序列将探测结果存储到存储单元观的监视程序，和其它类型的程序。而且，在存储单元观的数据存储区域中，存储通过示教操作的执行而获得的每一个反射目标5的示教数据(初始值)。如将在以后描述的粗略测量的结果，精确测量的结果被与每一个反射目标5相关联并且被以时间序列存储。距离测量单元四包括用于距离测量的光源13、用于距离测量的光电探测元件25、 算术单元27、存储单元观等，并且距离测量单元四基于如在用于距离测量的光电探测元件 25处接收的反射距离测量光执行距离测量。自动视准单元35包括用于视准的光源14、图像传感器23、算术单元27、存储单元 28和自动视准程序等。来自反射目标5的反射视准光在图像传感器23处得以接收，并且基于光接收的结果执行自动视准，使得视准光轴与反射目标5相一致。图像处理单元30由图像处理程序驱动和控制。基于来自图像传感器23的图像信号，反射目标5得以探测。此外，根据反射目标5在图像传感器23上的位置计算反射目标 5的张角。竖直角度测量单元31测量望远镜单元2的视准光轴的竖直角度并且作为电信号将测量结果发送到算术单元27。水平角度测量单元32具有参考点并且测量视准光轴相对于参考点的水平角度，并且测量结果被发送到算术单元27。竖直电机36和水平电机37由算术单元27驱动和控制。竖直电机36的旋转量和旋转速度由在竖直电机36上安设的竖直电机编码器38探测，并且水平电机37的旋转量和旋转速度由在水平电机37上安设的水平电机编码器39探测。根据如在存储单元观中存储的程序例如序列程序和图像处理程序等，算术单元 27在预设测量范围内执行扫描并且在扫描过程中控制图像处理单元30。然后，基于来自图像传感器23的图像信号，每一个反射目标5均被探测，并且获得了每一个反射目标5的张角。此外，基于利用竖直角度测量单元31和水平角度测量单元32的探测结果，从图像确定 (通过粗略测量)了每一个目标5的竖直角度和水平角度。此外，算术单元27比较通过粗略测量获得的竖直角度和水平角度与初始值。在通过比较获得的偏差在预定阈值内的情形中，算术单元27判断在测量点中不存在任何变化， 并且通过粗略测量继续监视测量。在通过在粗略测量中获得的竖直角度和水平角度与初始值的比较获得的偏差超过预设阈值的情形中，算术单元27执行自动视准程序和测量程序并且相对于超过阈值的反射目标5执行自动视准。然后，利用距离测量单元四的距离测量和利用竖直角度测量单元31和水平角度测量单元32的角度测量得以执行，并且执行三维测量(精确测量)。算术单元27比较如此获得的精确测量的结果与初始值。如果所获得的偏差超过阈值，则算术单元27判断为异常并且经由通信装置7向基站PC 6传输报警信号和监视数据。如将在下面描述地，可以如此进行设计，使得测量设备PC 3仅仅向基站PC 6传输测量点数据。粗略测量结果和精确测量结果与初始值的比较，和基于比较结果的、关于异常的判断可以由基站PC 6做出。下面，将在下面关于测量单元PC 3给出说明。测量设备1执行示教操作或者监视操作并且通过示教操作和监视操作获得的测量点的数据例如初始值、粗略测量数据、精确测量数据等被传输到测量设备PC 3。测量设备PC 3以时间序列匹配测量点的数据与每一个反射目标5并且以时间序列保留和存储测量点的数据。可以如此进行设计，使得测量设备PC 3具有示教程序以使得测量设备1执行示教操作并且根据来自测量设备PC 3的指令，测量设备1执行示教操作。此外，测量设备PC 3具有程序例如用于使得测量设备1执行示教或者监视的控制程序和用于对于每一个反射目标(测量点)关于是否存在移位和关于移位的程度基于测量数据进行计算并且用于判断是否存在任何异常的异常判断程序。在其中由测量设备PC 3判定测量点异常的情形中，可以如此进行设计，使得能够基于来自测量设备PC 3的、关于异常的判断信息在基站PC 6处执行处理例如发出报警信号。将在下面关于在本实施例中的监视测量给出说明。作为执行监视测量的准备，有必要执行示教操作以获得初始值。首先，通过参考图4和图5，将关于示教操作给出说明。(步骤01)
规定了参考点和在此处存在测量点的范围(即搜索范围)。作为用于规定该范围的方法，例如，显示单元可以被设计成触摸面板，并且可以从在触摸面板上显示的图像规定搜索范围。(步骤02)当搜索范围的规定已经完成时，执行搜索操作。通过关于在搜索范围内的、待被测量的对象的图像处理，并且通过利用图像处理获得的张角的角度测量和在望远镜单元2的视准方向上的测得角度执行粗略测量。从测量设备PC 3指令搜索操作的执行和粗略测量的执行。图5示出搜索操作的状态。当搜索范围得以规定时，通过使用测量设备1的搜索功能，竖直电机36和水平电机37被驱动，并且望远镜单元2在水平方向往复地扫描，并且在水平扫描结束时以预定角度在竖直方向旋转。通过在水平方向往复扫描并且通过在水平扫描结束时在竖直方向旋转，能够在总体搜索范围内执行扫描。在此情形中，在竖直方向的预定旋转角度将被设为小于在望远镜单元2的视场42的竖直方向的视角的角度从而在向上扫描中的视场和在向下扫描中的视场将在预定范围中在彼此之上迭加。(步骤03)扫描被以预定速度执行，并且在扫描过程期间以预定时间间隔由图像传感器23获取图像数据。然后，从图像数据关于在图像传感器23的视场内是否存在反射目标5进行探测。关于扫描模式没有给出任何规定，然而，望远镜单元2的视场42是圆形形状的。因此，在于水平方向执行扫描的情形中和在靠近望远镜单元2的视场42的上端或者下端存在反射目标5的情形中，反射目标5仅仅在瞬间进入视场42中。因此，反射目标 5可能未被发现。相应地，在于视场42的上下方向稍微迭加的情况下在水平方向执行扫描 (见图5)。类似地，在于竖直方向执行扫描的情形中，用于获取图像的时间间隔和扫描速度被以如此方式设定，使得能够在视场42的左右方向在彼此之上稍微迭加地获取图像。(步骤04)在于扫描过程期间获得的图像中发现反射目标5的情形中，测量设备1 在该瞬时的测得角度数值(Hl，VI)和在反射目标5和图像传感器23上的光轴12之间的偏差量(XI，Yl)得以测量并且被确定为像素位置。(步骤05)步骤05是粗略测量的过程。从光轴12(视准轴线)的偏差量(XI，Yl) 被转换成角度数值(张角)(SH1，δν )。在当获得偏差量时的时间，从竖直角度测量单元 31和水平角度测量单元32获取了望远镜单元2的光轴12的角度。然后，基于如由竖直角度测量单元31和水平角度测量单元32探测的光轴12的竖直角度和水平角度，并且还基于图像传感器23的角度数值，根据以下等式关于反射目标5的方向角度(TH，TV)执行角度测量(计算)
THl=Hl+δ Hl ；TVl=Vl+δ Vl
(步骤06)如此计算的反射目标5的方向角度(TH，TV)被与相应的反射目标5相关联， 并且被传输到测量设备PC 3。在测量设备PC 3处，标识号被置于反射目标5，并且角度测量的结果作为粗略测量的结果被与该标识号相关联并且被以时间序列记录。当如在以后描述地执行自动视准时，如此记录的角度测量的结果将是目标值。(步骤07)对于全部反射目标5判断角度测量是否已经得以执行，并且全部搜索范围得以扫描。然后，在全部反射目标5上执行角度测量。粗略测量的结果被与反射目标5 相关联并且得以存储。当已经对于全部反射目标5完成方向角度的测量(粗略测量)时，基于反射目标5 的粗略测量(角度测量)的结果在每一个个体反射目标5上开始三维测量(精确测量)。(步骤08)角度测量的结果被视为目标值，并且望远镜单元2被在对应于在预定序列中例如在标识号序列中的标识号的目标值的方向转动。(步骤09)当在目标值的方向存在将在其上执行视准的反射目标5和将在其上执行视准的反射目标5进入望远镜单元2的视场42中时，在图像传感器23的图像中的反射目标5得以探测。然后，获得了反射目标5相对于光轴12的偏差，并且竖直电机36和水平电机37被进一步驱动和控制从而该偏差将是0，并且自动视准得以执行。(步骤10)当视准完成时，由距离测量单元四执行距离测量。同时，由竖直角度测量单元31和水平角度测量单元32关于竖直角度和水平角度执行角度测量。距离测量的结果和角度测量的结果作为示教数据被与反射目标5相关联并且还被与测量时间相关联并且被记录和存储在存储单元观中。示教数据可以经由通信单元33传输到测量设备PC 3 并且可以被记录和存储在测量设备PC 3中。(步骤11)当已经对于全部反射目标5执行了距离测量和角度测量(精确测量)时， 示教操作完成，并且示教数据作为初始值被存储在存储单元观中或者测量设备PC 3中。当示教操作已经完成并且示教数据已经被获取时，能够执行自动监视测量。如果通过测量等预先确定了参考点和测量点的初始值，则能够省略如上所述的示教操作。现在，将在下面关于监视测量给出简要说明。根据本实施例，能够执行三种模式的监视测量粗略监视测量、精确监视测量，或者粗略监视测量和精确监视测量的组合。作为粗略监视测量，存在其中没有执行扫描并且望远镜单元2处于停止状态的第一粗略监视测量和其中在执行扫描时进行测量的第二粗略监视测量。在第一粗略监视测量中，根据经由处于停止状态中的望远镜单元2获得的数字图像探测在数字图像中的测量点相对于视准轴线的移位。可以通过如从图像确定的测量点的位置与初始值的比较探测移位。或者在前拍摄的图像被与此时拍摄的图像相比较并且可以在图像上探测在垂直地穿越视准轴线的平面方向上的移位。在第一粗略监视中，能够在不执行精确视准的情况下容易地测量在垂直地穿越视准轴线的方向上的移位，例如在沉降方向上的移位。下面，通过参考图6，将关于第二粗略监视测量给出说明。利用来自测量设备PC 3的、开始监视测量的指令，望远镜单元2被在此处存在反射目标5的方向上转动。根据初始值，每一个目标的方向角度都是已知的，并且用于在目标之间移动的望远镜单元2的旋转速度可以被更高地设定。当望远镜单元2被大致指向被作为如由望远镜单元2对准的反射目标5的初始值而设置的方向时，望远镜单元2的旋转速度降低，并且在望远镜单元以预定速度旋转时执行图像采样。以预定时间间隔或者以预定角度间隔(在图中，以预定水平旋转角度)在由图像传感器23获得的图像上执行采样。为了增加测量准确度，如此进行设计，使得能够相对于单一反射目标5获得多个采样图像。由图像传感器23获得的最大图像将等于望远镜单元2的视场。从如此采样的图像，反射目标5得以探测。然后，获得了在图像中的反射目标5的角度数值(δΗ，δν)。此外，从在采样时望远镜单元2的张角和视准方向，即从水平角度和竖直角度(H，V)，反射目标5的方向角度(TH，TV)得以确定。即使当测量点移位时，在从测量设备1到测量点的水平距离中也几乎不存在任何变化，并且作为监视数据获取了这些方向角度(TH，TV)。图6 (A)示出其中在粗略监视测量期间在望远镜单元2的视场中探测单一反射目标5的情形。图6 (A)还示出其中在粗略监视测量中单一反射目标5-1被包括于在时间方面彼此相邻的三个图像中的情形。因为光轴由于望远镜单元2的旋转而被移动，所以反射目标5在图像中的位置改变，即反射目标5相对于光轴12的位置改变。因此，能够相对于反射目标5-1获得三个测量数值(测量角度)，并且该三个测量数值被平均化。通过平均化， 能够改进反射目标5-1的测量准确度。在图中，符号X和Y每一个均代表视准轴线的方向， 并且符号X代表水平角度，并且符号Y代表竖直角度。因此，采样间隔优选地是使得在时间周期内在同一反射目标5上获得至少两个图像的间隔，在该时间周期期间，望远镜单元2的视场通过反射目标5。相对于同一反射目标 5，每一个均包括反射目标5的至少两个或者更多采样图像得以获取并且通过将如此获得的反射目标5的两个或者更多方向角度平均化，能够增加监视数据的准确度。视准轴线的方向角度(X，Y)由水平角度测量单元32和竖直角度测量单元31实时地探测。在图像中的张角(SH，δ V)由图像处理单元30测量。基于方向角度(X，Y)并且基于张角(SH，δν)，通过采取测量设备1的位置作为原点，反射目标5的方向角度得以计算。如果假设在示教操作时测量设备1的安设位置和在监视测量时测量设备1的安设位置无任何变化，并且此外，通过粗略监视测量获得的方向角度是相同的或者相对于初始值是在预定阈值内的，则反射目标5不存在任何变化。图6 (B)示出其中在通过粗略监视测量当前测量的望远镜单元2的视场中探测两个反射目标5-1和5-2的情形。当在图像中包括多个反射目标5-1和5-2时，参考视准轴线为每一个反射目标5-1、5-2获得了在图像中的张角(δΗ，δ V)，并且从张角(δ H，δ V)和从视准方向的方向角度(X，Y)，反射目标5-1和5-2的方向角度(TH，TV)分别地得以确定。然后，对于搜索范围中的全部反射目标5，通过粗略监视测量测量方向角度，并且粗略监视测量数据被传输到测量设备PC 3。在测量设备PC 3处，粗略监视测量数据被与初始值相比较，并且判断测量点的方向角度是否存在任何变化，或者变化量是否超过预设阈值。如果在测量点中存在任何变化，或者当变化量超过阈值时，报警信号经由通信装置7而被从测量设备PC 3传输到基站PC 6。当在测量点中不存在任何变化时，省略了精确监视测量，并且粗略监视测量被反复地执行。在粗略监视数据中的阈值是通过图像数据的图像处理测量的，其中目标的方向角度由图像传感器23探测。相应地，测量结果是通过给予图像分辨率、图像处理误差等应有的考虑而得以确定的。在第二粗略监视测量中，没有对于每一个反射目标5停止望远镜单元2的移动，并且一个监视测量循环与在搜索范围上的扫描的时间周期相同。相应地，监视测量周期(循环)能够被广泛地缩短，并且工作质量得以改进。在于此处存在更大的移位或者在此处存在快速变化的部分上的监视测量中，使得监视测量的周期(循环)更短，并且测量点的移位被更加快速地和更加可靠地探测。下面，将关于精确监视测量给出说明。在全部反射目标5的初始状态中的位置，即全部反射目标5的方向角度(TH，TV)， 是已知的。因此，基于该方向角度，望远镜单元2按照标识号的次序被顺序地指向全部反射目标5。当望远镜单元2被指向反射目标5并且反射目标5由图像传感器23探测时，自动视准得以执行。然后，视准轴线即光轴12与反射目标5—致。当视准完成时，距离测量和角度测量得以执行，并且精确监视数据得以获取。精确监视数据被传输到测量设备PC 3。 监视数据被与初始值相比较，并且判断在测量点中是否存在任何变化，或者变化量是否超过预设阈值。当在测量点中存在任何变化时，或者当变化量超过阈值时，经由通信装置7从测量设备PC 3向基站PC 6发出报警信号。通过给予测量设备1的测量准确度应有的考虑而确定在精确监视数据中的阈值。在本实施例中，通过组合粗略监视测量与精确监视测量执行监视测量。现在，参考图7，将在下面关于根据本实施例的监视测量给出说明。从测量设备PC 3向测量设备1给出开始监视测量的指令，并且监视测量开始。首先，执行粗略监视测量。(步骤21)测量设备1和望远镜单元2被指向反射目标5，并且粗略监视测量得以执行。(步骤22和步骤23)当图像传感器23探测到反射目标5时，获得了在视准轴线(光轴12)和由图像传感器23获取的采样图像中的反射目标5之间的偏差，并且反射目标5的方向角度(TH，TV)得以计算。(步骤24)反射目标5的、计算出的方向角度被与示教数据相比较，并且获得了偏差。当探测到偏差时，判断这个偏差数值是否在粗略监视数据的阈值的范围中。如果判断这个偏差数值是在阈值的范围中的，则省略精确监视测量，并且过程前进到下一测量点。(步骤对、步骤25和步骤沈)在偏差超过粗略监视数据的阈值的情形中，执行自动视准。当视准完成时，执行精确监视测量。距离测量和角度测量得以执行，并且获取了精确监视数据。(步骤27)判断所获取的精确监视数据是否是在阈值的范围中的。(步骤28)在精确监视数据超过阈值范围的情形中，发出报警信号，并且过程前进到下一测量点。报警信号经由通信装置7而被从测量设备PC 3传输到基站PC 6。如果精确监视数据是在阈值的范围中的，则前进到下一测量点。然后，转变为粗略监视测量，并且监视测量将被继续。根据本实施例，粗略监视测量和精确监视测量被相组合地执行，并且精确测量仅仅在看起来移位或者看起来移位超过阈值的反射目标5上执行。因此，能够在监视测量的准确度被维持于高水平时快速地执行监视测量操作。结果，缩短了监视测量的循环。当执行监视测量时，例外地，存在其中目标的探测、自动视准和距离测量不能执行的某些情形。以上情形的原因可以是如下的其中测量点移位并且反射目标5没有进入望远镜的视场中的情形，或者其中在反射目标5和测量设备1之间存在障碍物(例如，树枝或者树叶被风移动，或者类似鸟等在树上)的情形、其中反射目标5由于某种原因而未正确地与测量设备1相对地定位的情形、其中测量设备1自身的姿态由于某种原因而改变的情形、其中在操作期间测量设备1存在问题的情形，等。因为监视测量是在无人操作中执行的，所以在其中目标探测、自动视准或者距离测量不能执行的情形中，无法找出原因。因此，在过去已经如此实践，即，管理员亲自到达现场以找出原因。在如下描述的第二实施例中，当目标探测、自动视准或者距离测量不能执行时，应该在远程点处发现问题的原因。图8示出在第二实施例中的光学系统。在图8中，与在图2中所示相同的构件由相同的符号引用。在第二实施例中，在光接收单元中提供图像拾取单元45。图像拾取单元45具有沿着视准光轴置放的半透明反射镜46和从半透明反射镜46沿着反射光轴安装的图像拾取元件47。半透明反射镜46进一步划分自然光22’的一个部分，并且被如此划分的自然光22’ 的一个部分朝向图像拾取元件47进入。图像拾取元件47当在测量范围内执行扫描时拍摄背景或者靠近反射目标5的背景并且获取背景的数字图像。如果图像拾取元件47具有如将用于识别背景的这种程度的分辨率，则这是足够的。例如，为该意图使用具有大约300,000像素的CCD或者CMOS传感器。当由图像拾取元件47拍摄图像时，由聚焦透镜18执行聚焦。聚焦是在当望远镜单元2 在两个反射目标5和5之间移动时的时间周期期间执行的，并且作出了尝试以缩短并且减少测量时间和图像拾取操作要求的时间。因为执行图像拾取操作以拍摄目标背景，所以在其中不能执行目标探测、自动视准或者距离测量的情形中，目标的背景图像得以获取。在此情形中，为了便于在图像上的反射目标5的识别，通常执行的是采取以下过程改变反射目标5的形状、改变目标的颜色，或者靠近目标安置标记或者标签(在此处置放编号、符号、符号标记等)。通过获取背景图像，能够从背景图像迅速地判断树叶正在覆盖反射目标5的反射表面，或者光程被倒下的树拦截，或者鸟在光程上栖息。此外，当目标实际上移位并且从初始值的位置广泛地偏离时，容易地从背景图像辨识目标是可能的。参考图9，将关于第二实施例的操作给出说明。为了便于解释，图9通过省略粗略监视测量而示出该操作。(步骤31)从测量设备PC3，向测量设备1发出开始监视测量的指令。然后，与待待测量的第一对象的反射目标5有关的信息或者数据即测量点的角度、距离信息等被传输到测量设备1。(步骤32)测量设备1和望远镜单元2旋转，并且望远镜单元2被指向反射目标5。(步骤33)在操作期间，其中望远镜单元2被指向反射目标5，执行望远镜单元2的聚焦。因为到下一测量点的距离是从初始值预先知道的，所以能够通过在运动期间聚焦望远镜单元2而缩短测量要求的时间。(步骤34)基于初始值，望远镜单元2被指向测量点。此外，利用测量设备1的自动视准功能，自动视准得以执行。(步骤35和步骤36)当自动视准完成时，距离测量和角度测量得以执行。(步骤36，步骤37，和步骤38)当距离测量和角度测量已经无任何问题地完成时， 并且还当测量结果在阈值内时，测量设备1和望远镜单元2旋转并且被移动到下一测量点 (步骤39)。在不能在步骤35中执行自动视准的情形中，例如在光轴12被障碍物截止的情形中，不能执行自动视准。在这种情形中，在朝向测量点的方向的背景图像由图像拾取单元45 获取(步骤40)。而且，在不能在步骤36中进行测量的情形中，或者在步骤38中测量结果超过阈值的情形中，背景图像由图像拾取单元45获取(步骤40)。
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在步骤40中获取的图像经由通信装置7而被从测量设备PC 3传输到基站PC 6。 在基站PC 6处，如此进行设计，使得当已经接收到背景图像时，发出报警信号(步骤41)从而管理人员能够可靠地观看背景图像。当背景图像得以辨识并且它具有瞬变性质时，监视测量继续。如果在现场需要任何其它过程，则可以采取措施例如到达现场。此外，当测量点广泛地移位并且不能执行测量时，能够容易地通过观看图像作出判断，并且能够采取快速反应。关于在其中不能执行测量的情形中通过使用背景图像的情况判断，显然不仅在精确监视测量的情形中，而且还在粗略监视测量的情形中，情况判断都能够得以利用。
权利要求
1.一种用于通过使用一种测量设备而在多个测量点上执行监视测量的测量方法，所述测量设备包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过所述望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在测量方向上拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测所述望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元，和用于使得所述望远镜单元对测量点执行自动视准并且用于基于在数字图像上的测量点与视准轴线的偏差并且基于来自所述角度探测单元的探测结果而计算测量点的方向角度的算术单元，其中所述监视测量包括用于获取测量方向上的数字图像并且用于根据数字图像在测量点上执行角度测量的粗略监视测量，和用于利用所述望远镜单元执行测量点的视准并且用于利用所述距离测量单元执行距离测量和利用所述角度探测单元执行角度测量的精确监视测量，并且其中在每一个测量点上执行粗略监视测量，通过所述粗略监视测量的粗略测量结果与初始值的偏差得以确定，并且在于此处偏差超过第一阈值的测量点上执行精确监视测量。
2.根据权利要求1的测量方法，其中所述粗略监视测量包括基于初始值将所述望远镜单元指向测量点并且获取数字图像的步骤、测量所述望远镜单元的视准轴线的方向角度的步骤、计算数字图像中的测量点相对于视准轴线的偏差的步骤，和基于竖直角度、水平角度和偏差确定测量点的方向角度的步骤。
3.根据权利要求1的测量方法，其中所述粗略监视测量被如此执行，使得所述望远镜单元在预设范围内执行扫描，并且所述粗略监视测量包括以使得待被测量对象的图像被包括于在时间方面彼此相邻的至少两个数字图像中的如此方式设置扫描速度和图像拾取时间间隔的步骤，和将所获得的测量结果平均化的步骤。
4.根据权利要求1的测量方法，其中当精确监视测量的测量结果与初始值的偏差超过第二阈值时发出报警信号。
5.根据权利要求1的测量方法，其中所述方法包括与粗略监视测量的执行或者与精确监视测量的执行同时地获取测量方向上的背景图像的步骤，和在不能执行粗略监视测量或者精确监视测量的情形中根据背景图像判断不可测量状态的步骤。
6.一种测量设备，包括用于执行在此处初始值已知的测量点的视准的望远镜单元、用于通过将距离测量光投射经过所述望远镜单元而测量到测量点的距离的距离测量单元、用于在视准方向拍摄图像并且用于获取数字图像的图像传感器、每一个均用于探测所述望远镜单元的视准方向上的方向角度的角度探测单元、用于使得望远镜单元在测量点上执行自动视准的自动视准单元、用于探测数字图像中的测量点并且用于计算相对于所述望远镜的视准轴线的张角的图像处理单元，和算术单元，其中所述算术单元根据初始值将所述望远镜单元指向测量点、基于由所述角度探测单元探测的方向角度并且还基于张角计算测量点的方向角度、获取由此计算的方向角度作为粗略监视测量的结果，并且在粗略监视测量的结果超过第一阈值的情形中，所述算术单元使得所述望远镜单元指向超过第一阈值的测量点、使得所述望远镜单元执行自动视准、利用所述距离测量单元和所述角度测量单元执行距离测量和角度测量并且获取测量结果作为精确监视测量的结果。
7 .根据权利要求6的测量设备，其中所述望远镜单元具有用于在测量方向上拍摄背景图像的图像拾取单元，并且在其中不能获得粗略监视测量的结果或者精确监视测量的结果的情形中，所述算术单元利用所述图像拾取单元获取在此处不能获取测量结果的测量点的方向上的背景图像。
全文摘要
本发明涉及一种测量方法和测量设备。本发明提供一种用于通过使用测量设备而在多个测量点上执行监视测量的测量方法，该测量设备包括望远镜单元、距离测量单元、图像传感器、角度探测单元，和算术单元，其中该监视测量包括用于获取测量方向上的数字图像并且用于根据数字图像在测量点上执行角度测量的粗略监视测量，和用于利用望远镜单元执行测量点的视准并且用于利用距离测量单元执行距离测量和利用角度探测单元执行角度测量的精确监视测量，并且其中在每一个测量点上执行粗略监视测量，通过粗略监视测量的粗略测量结果与初始值的偏差得以确定，并且在于此处偏差超过第一阈值的测量点上执行精确监视测量。
文档编号G01C1/00GK102445195SQ201110225528
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月8日 优先权日2010年9月30日
发明者永井胜之 申请人:株式会社拓普康