基于复合编码标尺的数字水准测量系统设计与实现

摘要

水准测量技术目前仍然是高程控制测量中不可或缺的技术手段。传统水准测量需要通过人眼对水准标尺进行照准读数，长时间测量观测使人产生视觉疲劳，引入视觉误差，测量结果受人为因素影响较大。数字水准测量以其精度高、效率高、易于操作等优势，广泛应用于地质勘探、变形监测、工件加工测量、大型机械安装和精密工程测量等领域。自1990年世界上第一台数字水准仪Leica WILD NA2000问世至今，数字水准仪已经经历了数代的发展，目前世界上精度最高的数字水准仪每公里往返测量高差中误差的标称值可以达到0.2mm，可以满足一等水准测量及地震检测测量。然而国内各大生产厂商由于受到工艺上的限制和技术上的壁垒制约，仍无法生产高精度的数字水准仪。同时，就数字水准仪的测量原理而言，仍然没有摆脱相关法、几何法和相位法。三种方法都是通过对因瓦水准标尺上的条形码进行识别，从而获得待测点的高程数据，因而测量原理上都存在一定的缺陷。
　　基于此，本论文的主要工作为：
　　1.对传统高程测量手段进行了必要的基础研究，总结了常用的高程控制测量的方法，对水准测量的原理进行了系统性研究，并介绍了课题研究的背景和意义。
　　2.基于对传统水准测量原理和方法的研究和总结，对数字水准测量系统进行了研究。回顾了数字水准测量系统的发展历程，介绍了相关的标准与规范，分析了数字水准测量的特点和相关应用并对各类数字水准仪标尺编解码原理进行了介绍，同时简要介绍了数字水准仪的误差源及检定项目。
　　3.针对各类数字水准测量系统存在的问题和不足，本论文设计了一种通过面阵CCD采集图像，基于复合编码标尺的新型数字水准测量系统，并介绍了其总体设计目标和原则，以及有关总体系统、编码标尺、电子系统、内置算法、桌面办公系统和定标系统的设计方案。
　　4.根据原理的设计实现了复合编码标尺的图像采集、识别和解算。同时简要介绍了相关的编程语言和硬件的选取与搭建。
　　5.通过实验，对新型仪器的测量准确度、精度和稳定性等性能进行了系统测试和评估。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 水准测量相关基础研究

1.3 论文主要内容和结构

第二章 数字水准测量系统

2.1 数字水准测量系统发展

2.2 数字水准测量的特点及应用

2.3 各类数字水准仪标尺编码原理与解码方法

第三章 复合编码数字水准测量系统设计

3.1总体设计目标及原则

3.2系统总体设计方案

3.3复合编码标尺设计方案

3.4电子系统设计方案

3.5内置算法软件设计方案

3.6桌面办公系统设计方案

3.7定标系统设计方案

第四章 复合编码数字水准测量系统实现

4.1标尺图像的获取与识别

4.2 Python编程语言

4.3硬件的选取与搭建

第五章 系统测试与精度评估

5.1 测试环境的建立

5.2 性能测试

第六章 总结与展望

6.1 文主要完成工作

6.2 论文主要创新点

6.3 下一步主要工作

致谢

参考文献

作者简历