條碼水準(zhǔn)尺編碼原理及其檢定方法的研究

向發(fā)廷，郭海軍，楊俊志

（1.四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072；2.包頭市測繪院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039）

目前，幾何水準(zhǔn)測量仍然是獲取高精度高程的唯一方法。水準(zhǔn)尺作為傳遞高程量值的標(biāo)準(zhǔn)尺，其量值應(yīng)與國家長度標(biāo)準(zhǔn)一致，這樣才能夠保持國家長度單位量值的統(tǒng)一。為了確認(rèn)水準(zhǔn)尺的量值是否準(zhǔn)確，各國計(jì)量和測繪工作者就水準(zhǔn)尺的檢定方法進(jìn)行過大量的研究，取得了豐碩的成果。傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀使用的是等寬分劃線水準(zhǔn)尺，雖然水準(zhǔn)尺生產(chǎn)廠家不同，結(jié)構(gòu)形式也不完全一致，但水準(zhǔn)尺上都有長度注記表明分劃線的位置、相互之間基本可以互用；從1990年開始出現(xiàn)的數(shù)字水準(zhǔn)儀，則其配套水準(zhǔn)尺采用非等寬分劃線的條碼水準(zhǔn)尺。條碼水準(zhǔn)尺的顯著特點(diǎn)是：條碼水準(zhǔn)尺由等寬/非等寬的黑白（黃）分劃線按一定規(guī)律排列構(gòu)成；無數(shù)字注記表明分劃線的位置；目前的現(xiàn)狀是條碼水準(zhǔn)尺必須與相應(yīng)的數(shù)字水準(zhǔn)儀配套使用才能完成測量工作。現(xiàn)有的水準(zhǔn)尺檢定設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)都是基于傳統(tǒng)等間隔分劃線的，不能完全滿足條碼水準(zhǔn)尺的檢定要求。

本文在分析研究條碼水準(zhǔn)尺編碼特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，糾正了現(xiàn)有檢定規(guī)程中存在的錯誤。針對條碼水準(zhǔn)尺的特點(diǎn)提出了采用“尺長改正”及“分劃精度”等新概念來替代“米真長”及“分劃偶然中誤差”等原有概念，論述了采用基于雙頻激光干涉儀的新檢定設(shè)備替代標(biāo)準(zhǔn)尺來檢定條碼水準(zhǔn)尺的必要性。

1 條碼水準(zhǔn)尺的特點(diǎn)概述

與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套使用的條碼水準(zhǔn)尺，是按照一定規(guī)律將不同寬度的條碼刻劃（或者噴涂）到水準(zhǔn)尺上。基于知識產(chǎn)權(quán)的原因，每個數(shù)字水準(zhǔn)儀生產(chǎn)廠家都開發(fā)了各自的條碼水準(zhǔn)尺條碼的排序方法，這種條碼的排序方法也稱為編碼方法。雖然各種儀器生產(chǎn)廠家條碼水準(zhǔn)尺的編碼方法不一樣，但其實(shí)質(zhì)是一樣的：即數(shù)字水準(zhǔn)儀通過對獲取的相鄰幾個條碼組合的圖像處理后來唯一確定視準(zhǔn)軸在水準(zhǔn)尺上的實(shí)際位置。文獻(xiàn)［1］較為詳細(xì)地論述了目前面世的幾種條碼水準(zhǔn)尺的條碼寬度及編碼方法。

從1990年瑞士徠卡公司研發(fā)成功世界上第一臺數(shù)字水準(zhǔn)儀NA系列以來，國內(nèi)外已有許多文獻(xiàn)依據(jù)儀器生產(chǎn)廠家公開的資料對條碼水準(zhǔn)尺進(jìn)行論述［2－4］，但大部分均限于重復(fù)廠家的資料，并未歸納出條碼水準(zhǔn)尺的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，直接后果是把檢定規(guī)程的制定引入了誤區(qū)［5］。因此，認(rèn)清條碼水準(zhǔn)尺的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)對于條碼水準(zhǔn)尺的正確檢定是十分必要的。

1.1 條碼旁無數(shù)字注記

目前面世的所有條碼水準(zhǔn)尺均沒有在條碼旁邊注記條碼在水準(zhǔn)尺上的位置，這就表明無法采用人工讀數(shù)的方法獲取條碼的位置。文獻(xiàn)［6］曾經(jīng)提出一種編碼方法，其可以將數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀合二為一，但目前還沒有產(chǎn)品面世。

1.2 部分條碼水準(zhǔn)尺僅采用條碼寬作為編碼的唯一條件

早期研發(fā)的數(shù)字水準(zhǔn)儀（包括瑞士徠卡公司的NA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀及德國蔡司公司的DiNi系列數(shù)字水準(zhǔn)儀），由于對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理認(rèn)識不充分、對條碼水準(zhǔn)尺的編碼方法認(rèn)識不完善，導(dǎo)致這2種型號的條碼水準(zhǔn)尺的編碼方法顯得單一，信息丟失嚴(yán)重。這2種條碼水準(zhǔn)尺僅把條碼寬度作為編碼的唯一條件，例如瑞士徠卡公司GPCL條碼水準(zhǔn)尺將寬度為2.025mm、4.050mm、6.075mm、8.100mm、10.125mm、12.150mm、14.175mm、16.200mm、18.225mm、22.275mm、28.350mm、30.375mm的黑白（黃）條碼刻劃到水準(zhǔn)尺上。這些條碼的寬度基本碼元為2.025mm的倍數(shù)；又如德國蔡司公司的LD系列條碼水準(zhǔn)尺將寬度為10.0mm、20.0mm的黑白（黃）條碼刻劃到水準(zhǔn)尺上用于遠(yuǎn)距離測量，當(dāng)視距＜5～6m時，分別在10mm寬的黃（白）分劃線加入1mm寬的黑色分劃線；在10mm寬的黑色分劃線加入1mm寬的黃（白）分劃線。有關(guān)這兩種型號數(shù)字水準(zhǔn)儀條碼水準(zhǔn)尺的具體編碼方案，讀者可以參閱文獻(xiàn)［1］。

1.3 部分條碼水準(zhǔn)尺將條碼寬及相鄰條碼之間的關(guān)系同時作為編碼的條件

隨著科研人員對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理的充分認(rèn)識，在條碼水準(zhǔn)尺的編碼方案上也產(chǎn)生了較大的變化，將較多附加信息加載到條碼水準(zhǔn)尺的條碼上，使其達(dá)到提高測量精度、縮短測量時間的目的。日本拓普康公司的I－3/T系列條碼水準(zhǔn)尺、日本索佳公司的BIS系列條碼水準(zhǔn)尺、與瑞士徠卡公司SPRINTER數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的條碼水準(zhǔn)尺，國產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀（例如北京博飛儀器股份有限公司的數(shù)字水準(zhǔn)儀DAL系列及蘇一光儀器有限公司的EL系列）采用了這種方案。日本索佳公司BIS系列條碼水準(zhǔn)尺，其相鄰黑條碼的中心間隔16mm，在數(shù)據(jù)處理軟件中可以利用這個特性對光照引起的條碼變形進(jìn)行改正；又如上面提到的國產(chǎn)條碼水準(zhǔn)尺，是將相鄰的“黑條碼＋白（黃）條碼”設(shè)計(jì)為20mm，在數(shù)據(jù)處理軟件中以此來判斷條碼水準(zhǔn)尺的正倒，這樣可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)處理時間，文獻(xiàn)［7］曾稱按此編碼原理研發(fā)的數(shù)字水準(zhǔn)儀，測量速度世界第一。

1.4 大部分條碼水準(zhǔn)尺無法確定名義米長的位置

由于條碼水準(zhǔn)尺的條碼寬度不同，導(dǎo)致部分條碼水準(zhǔn)尺的條碼邊緣無法與整米、整厘米、整毫米對齊，在這樣的條碼水準(zhǔn)尺上就無法獲取米長的名義位置。例如GPCL條碼水準(zhǔn)尺條碼是2.025mm的倍數(shù)，1cm需要4.938個2.025mm，1m需要493.827個2.025mm；又如I－3/T系列條碼水準(zhǔn)尺，相鄰分劃線中心間隔為30mm，需要33.333個30mm才能夠構(gòu)成1m尺段。對于這些無法分辨出整米、整厘米及整毫米示值的條碼水準(zhǔn)尺，自然無法采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)尺對其進(jìn)行檢定。

2 條碼水準(zhǔn)尺的檢定

雖然國內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)認(rèn)識到條碼水準(zhǔn)尺檢定的重要性，也曾經(jīng)起草過檢定規(guī)程［8］，但由于有關(guān)人員對條碼水準(zhǔn)尺的特點(diǎn)認(rèn)識不足，導(dǎo)致起草的檢定規(guī)程缺乏實(shí)用性；而文獻(xiàn)［9－10］僅僅能夠滿足等寬分劃線的水準(zhǔn)尺的檢定，而且文獻(xiàn)［9］還出現(xiàn)計(jì)算刻劃標(biāo)準(zhǔn)差公式中自由度用錯的情況。

2.1 條碼水準(zhǔn)尺檢定原理

從1.2節(jié)及1.3節(jié)可知：由于條碼水準(zhǔn)尺的編碼原理不同，每個條碼水準(zhǔn)尺上所載的信息量不同。文獻(xiàn)［8］試圖從不同的條碼水準(zhǔn)尺上提取出“基本碼寬”這一基本參數(shù)，并以表1的形式給出。但這種歸納是不正確的，即把不同的量混為一談：瑞士徠卡公司及美國天寶公司采用本文1.2節(jié)所述的編碼方法，即條碼寬度分別是表1中“2.025mm”及“10mm”的倍數(shù)；日本拓普康公司及日本索佳公司采用本文1.3節(jié)所述的編碼方法，即相鄰黑條碼中心間隔分別是表1中“10mm”及“16mm”。因此沿此思路起草的文獻(xiàn)［8］自然缺乏實(shí)用性［5］。

表1 因瓦條碼水準(zhǔn)尺基本參數(shù)［8］ mm

雖然各種條碼水準(zhǔn)尺的編碼方法不同，但依據(jù)現(xiàn)有的研究成果可以確定每個條碼邊緣線在條碼水準(zhǔn)尺上的名義值［1］，若采用標(biāo)準(zhǔn)裝置獲取條碼邊緣線的實(shí)際值，則可以采用常用的比較法獲取條碼水準(zhǔn)尺的參數(shù)。目前，采用光電顯微鏡或者圖像傳感器配合雙頻激光干涉儀所構(gòu)成的比長器來獲取條碼邊緣線的實(shí)際位置。

2.2 檢定設(shè)備

為了滿足條碼水準(zhǔn)尺的檢定要求，國外許多單位都研發(fā)了自動化的檢定設(shè)備，雖然這些檢定設(shè)備的參數(shù)各異，但其結(jié)構(gòu)形式可以分為圖1及圖2這2種。圖1為奧地利格拉茨大學(xué)研發(fā)的條碼水準(zhǔn)尺檢定裝置（亦稱為豎直比長器），圖2為德國慕尼黑國防大學(xué)研發(fā)的條碼水準(zhǔn)尺檢定裝置（亦稱為水平比長器）。

圖1 檢定條碼水準(zhǔn)尺的豎直比長器示意圖［11］

2.3 檢定方法

這里以因瓦條碼水準(zhǔn)尺為例進(jìn)行說明，普通精度的條碼水準(zhǔn)尺可以做相應(yīng)簡化。利用圖1或圖2的檢定裝置，采用人工或自動照準(zhǔn)的方法從尺底端開始照準(zhǔn)條碼的邊沿后，讀取雙頻激光干涉儀的讀數(shù)，進(jìn)行往測；然后從尺頂端開始照準(zhǔn)條碼的邊沿后，讀取雙頻激光干涉儀的讀數(shù)，進(jìn)行返測。取往返測的平均值作為條碼邊沿的觀測值。利用條碼水準(zhǔn)尺的編碼方法可以獲得分劃線的示值，這樣就能夠采用線性回歸方法計(jì)算出分劃精度及尺長改正等參數(shù)。

圖2 檢定條碼水準(zhǔn)尺的水平比長器示意圖

3 檢定實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

本文以徠卡因瓦條碼水準(zhǔn)尺GPCL2為例敘述數(shù)據(jù)處理方法。GPCL2為2m因瓦條碼水準(zhǔn)尺，其上可見的邊沿線共有444條。設(shè)對GPCL2進(jìn)行往返測后獲得邊沿線處雙頻激光干涉儀的實(shí)測值為（N1，N2，N3，…，N444），依據(jù)編碼方法可以獲得的名義值為（L1，L2，L3，…，L444）。采用一元線性回歸的方法對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，構(gòu)建如下殘差方程式：

式中：vi為殘差，C為未知的常數(shù)，表示雙頻激光干涉儀置零不準(zhǔn)確，K為回歸直線的斜率，代表了該條碼水準(zhǔn)尺的尺長改正，通常以“μm/m”為單位，bi＝Li－Ni。

按照最小二乘的方法，可得法方程

解法方程得將式（3）求得的結(jié)果代入式（1）得殘差vi，則分劃精度（標(biāo)準(zhǔn)差）為

3.2 檢定實(shí)例

利用某檢定機(jī)構(gòu)建造的如圖2所示的水平比長器對一根新研制的2m長的因瓦條碼水準(zhǔn)尺進(jìn)行檢定，以確認(rèn)新研制的產(chǎn)品是否滿足要求。該產(chǎn)品與GPCL2的編碼方法一致。檢定方法與數(shù)據(jù)處理方法依照本文提出的方法進(jìn)行，其結(jié)果見表2，限于篇幅僅羅列部分?jǐn)?shù)據(jù)。

3.3 實(shí)測結(jié)果分析

從表2數(shù)據(jù)可以看出，新研制的因瓦條碼水準(zhǔn)尺的尺長改正為98.3μm/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的膨脹系數(shù)，原因有待進(jìn)一步分析；分劃精度為14.3μm，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國外同類產(chǎn)品的5μm的要求。因此，新研制的因瓦條碼水準(zhǔn)尺無法應(yīng)用到測繪生產(chǎn)實(shí)踐中。

表2 新研發(fā)的因瓦條碼水準(zhǔn)尺的檢定結(jié)果

4 結(jié)束語

與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的條碼水準(zhǔn)尺出現(xiàn)已經(jīng)20多年了，到目前為止我國還未制定出 完善的檢定規(guī)程或檢定規(guī)范來完成條碼水準(zhǔn)尺的檢定工作，以致一些錯誤概念在業(yè)界流行。因此，制定與條碼水準(zhǔn)尺相適應(yīng)的檢定規(guī)程或規(guī)范，對于推廣應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀、確保測量成果的質(zhì)量具有十分重要的意義。

［1］楊俊志，李恩寶，溫殿忠.數(shù)字水準(zhǔn)測量［M］.北京：測繪出版社，2009：19－43.

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［4］林四新.數(shù)字水準(zhǔn)儀的自動讀數(shù)原理分析［C］//2002全國測繪儀器綜合學(xué)術(shù)年會論文集.長春：中國測繪學(xué)會測繪儀器專業(yè)委員會，2002：54－58.

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