Accuracy research on coded levelling staff using digital photos/Niveliacijos matuokliu kodiniu skaliu tikslumo tyrimai pagal ju skaitmenines nuotraukas.

Aksamitauskas, Vladislovas Ceslovas ; Rekus, Donatas

1. Ivadas

Precizinis niveliavimas yra vienas is placiausiai taikomu geodezijos matavimo darbu. Niveliavimo prietaisai pastaruoju metu, kaip ir daugelis kitu geodeziniu prietaisu, tapo labai modernus--skaitmeniniai matavimo prietaisai turi fotoelektriniu elementu matricas ir optine-elektronine kamera, fiksuojancia aukscio padeti pagal matuojamame taske pastatyta matuokle. Patobulintos ir matuokles zymes, jos susideda is kodiniu bruksniu, tam tikra tvarka suzymetu per visa matuokles ilgi. Nuo siu bruksniu padeties tikslumo labai priklauso viso niveliavimo komplekso darbo tikslumas.

Kiekviena skaitmeninius nivelyrus gaminanti firma turi savo kodines skales ir duomenu apdorojimo metodus. Siandien yra taikomi trys vaizdo apdorojimo metodai: koreliacijos (Leica sistemose), geometrinis (Zeiss sistemose) ir fazinis metodas (Topcon sistemose) (Skeivalas, Giniotis 2000).

Skaitmeniniuose nivelyruose NA3003 idiegta automatizuota kodiniu matuokliu atskaitu registravimo prietaiso indikatoriuje sistema. Matuokles atskaita yra registruojama pagal nivelyro optine asi. Kodines matuokles skaitmeninei atskaitai gauti taikomas koreliacijos metodas.

Prietaiso sensorius atpazista koduotas matuokles padalas ir jas panaudoja signalo vaizdui sudaryti, kad skaitmeninis nivelyras ji galetu analizuoti koreliacijos budu. Apskaiciuojami ir matuokles rodmenys, ir atstumas iki analizavimo tasko (Becker et al. 1994; Becker 1999).

Matuokliu kalibravimo komparatoriuje is dalies pakartojamos matavimo operacijos, kurios yra atliekamos niveliuojant.

Preciziniu, skaitmeniniu nivelyru sistemai kalibruoti naudojami vertikalieji komparatoriai yra irengti Graco technologijos universitete (Austrija), Suomijos geodezijos institute, Miuncheno Bundesvero universitete (Vokietija). Siuose universitetuose naudojami irenginiai yra sudetingi, brangus, dideliu gabaritu, nes yra butina zingsniais matuokle perstumti i toki pat kaip ir jos ilgis auksti. Komparatoriai turi tureti zingsnine pavara, kad matuokles zymes atsidurtu fotokameros fiksavimo (optiniame) zidinyje. Be to, yra naudojamas labai brangus ir sudetingas irenginys--lazerinis interferometras (Krikstaponis 2000, 2001, 2002). Del siu priezasciu komparatoriaus konstrukcija labai sudetinga, brangi. Tai ekonomiskai yra brangu, daug darbo, ir butini aukstos kvalifikacijos specialistai. Viso to galima isvengti kodiniu niveliavimo matuokliu tikslumo tyrimams ir kalibravimui naudojant ju skaitmeninius vaizdus.

Straipsnyje pristatomas kodiniu niveliavimo matuokliu tikslumo tyrimas pagal ju skaitmenines nuotraukas.

2. Kodiniu niveliavimo matuokliu tikslumo tyrimai

Komplekte prie skaitmeniniu nivelyru yra naudojamos kodines matuokles, kurios taip pat daro didele itaka skaitmeninio niveliavimo rezultatams. Matuokliu tipo pasirinkima lemia matuokliu ilgis, ju medziaga ir metrologiniai parametrai. Viena matuokles puse turi kodines padalas skaitmeniniam niveliavimui, kitoje matuokles puseje yra tradicines padalos (centimetrais arba pedomis).

Matuokles referencinis kodas yra saugomas prietaiso atmintyje ir matavimu metu koreliuojamas (lyginamas) su matuokles kodiniu vaizdu tiesiniame keitiklyje (detektoriuje). Taikoma dvieju pakopu koreliacija--apytiksle ir tikslioji. Apytiksle koreliacija sumazinama paieskos sritis ir apskaiciavimu apimtis bei sutrumpinama matavimu trukme. Tiksliaja koreliacija nustatoma tiksli matuokles kodiniu bruksniu vaizdo padetis referencinio kodo atzvilgiu, t. y. sutapdinamas matuokles kodinis vaizdas su referenciniu kodu. Tokiam sutapdinimui panaudotas tiesinis detektorius, sudarytas is 256 fotodiodu (pikseliu). Tikslumas priklauso nuo pikseliu matmenu, ju skaiciaus bei detektoriaus jautrio funkcijos. Tai savo ruoztu turi itakos atskaitu, gautu nivelyro indikatoriuje, tikslumui (Krikstaponis 2000, 2001, 2002).

Paprastai, tikrinant tiksluma, stengiamasi tikrinamaja matuokle padeti i padeti, kurioje ji naudojama darbo metu, t. y. i vertikaliaja padeti, taciau esti atveju, kai matuokles tikrinamos ir horizontalioje padetyje,--toks komponavimas zymiai palengvina matavima, pakanka zemesnes patalpos.

Galimi matuokliu komparatoriu strukturiniai variantai isvardyti 1 lenteleje.

Matuokles kalibruojamos tokiu principu: matuokle komparatoriuje juda naudojant specialia kelimo sistema ir zingsnine pavara. Matuokles padetis atskaitoma lazeriniu interferometru, o matuokles skales briaunos registruojamos specialia CCD kamera. Automatine klimato kontroles sistema registruoja aplinkos temperatura, slegi, dregme, nes matuokles ilgi ir lazerio bangu sklidima reikia redukuoti, atsizvelgiant i aplinkos parametrus. Visa si sistema yra valdoma kompiuterine programa (Skeivalas, Giniotis 2000; Giniotis ir kt. 2007).

Straipsnyje pristatomas kodiniu niveliavimo matuokliu tikslumo tyrimas pagal ju skaitmenines nuotraukas. Niveliavimo matuokliu bruksniu padeties tikslumas nustatomas lyginant atramines ir tikrinamos matuokliu fotogrametrinius vaizdus arba atramini mata pakeitus fotogrametriniu atramines matuokles vaizdu, uzfiksuotu skaitmeniniu fotoaparatu ir perkeltu i kompiuterio atminti. Siuo atveju lyginamos atramines kodines niveliavimo matuokles skales bruksniu ir kalibruojamos matuokles bruksniu padetys, naudojant analizuojamaji langa, sudaryta registravimo irenginyje ir apimanti abieju matuokliu lyginamus bruksnius. Abieju matuokliu bruksniu padetis ivertinama atliekant ju skaitmenines informacijos vietine (lyginamuju bruksniu zonoje) koreliacine analize, o kalibravimo rezultatas nustatomas pagal rodmenu skirtuma tarp etalonines ir kalibruojamosios matuokliu bruksniu padeciu ties skaitmenines bruksniu padeties (bruksniu briaunos) informacijos ekstremumais.

Sio irenginio esme yra tai, kad matuoklei kalibruoti kaip etaloninis matas yra naudojama etalonine (atramine) matuokle ir skaitmenine fotokamera (CCD), perstatoma i keleta padeciu lygiagreciai su matuokliu asimis bei registruojanti abieju matuokliu bruksniu vaizdus ir ju tarpusavio padeti, o kalibravimo rezultatai yra vertinami pagal papildomos skales, esancios kompiuterio ekrane, matavimo duomenis, nustatant skaitini skirtuma tarp matuojamosios ir etalonines skales bruksniu padeciu.

Fotografuojant etalonine ir kalibruojamaja matuokles, greta ju kontrolei imontuojama papildoma milimetrine skale (arba analogine matuokle). Ja naudodami skaitmeninio vaizdo rezultatams apdoroti kompiuteriu, galime isilgai skaliu daryti atskaitymus tarp etalonines milimetrines skales, etalonines ir kalibruojamosios matuokles bruksniu padeciu. Skales padalos nuskaitomos rodykle, sujungta su analizuojanciuoju langu--diafragma. Vietoj skales tyrimams buvo taikyta AutoCad programines irangos koordinatinis tinklelis. Principine kalibravimo schema pavaizduota 1 paveiksle.

[FIGURE 1 OMITTED]

Pradineje padetyje perslenkant analizuojanciaja diafragma (3) su rodykle (6), yra atskaitoma pradine matuokles bruksniu padetis. Tai daroma diafragma (3) pastatant ant pradiniu bruksniu ir kompiuterio koreliacijos bloke fiksuojant tam tikra koreliacijos koeficiento verte. Toliau pasirinktu zingsniu diafragma (3) perstumiama isilgai matuokliu vaizdo, diafragmos padetis patikslinama perstumiant iki tokios padeties ties matuojamaja matuokle (1), kai koreliacijos koeficientas yra lygus pradiniam pasirinktam koreliacijos koeficientui. Uzfiksuojama diafragmos padetis pagal skale (5)--rodykle (6) arba kompiuterio grafine koordinaciu sistema. Tada tas pats padaroma su etaloniniu vaizdu (2), vel patikslinant diafragmos padeti koordinaciu sistemoje iki pasirinktosios koreliacijos koeficiento vertes, tik dabar fiksuojant is vaizdo (2). Gautuju verciu skirtumas rodo dvieju matuok liu bruksniu padeciu linijine paklaida. Procedura kartojama iki viso kalibruojamuju matuokliu ilgio.

3. Niveliacijos matuokliu kodiniu skaliu tikslumo tyrimai

Skaitmenine fotokamera, kuria atliekamos kodiniu matuokliu skaitmenines nuotraukos, turi buti kalibruota, ir nustatyti vidinio orientavimo elementai--simetrines ir nesimetrines distorsijos. Kalibravimas atliekamas kompiuterinemis programomis, naudojant specialu stenda su zinomomis tasku koordinatemis. Ivertintas gautu rezultatu tikslumas. Fotokameros kalibravimo rezultatai naudojami tolesniam nuotrauku apdorojimui (Suziedelyte-Visockiene 2007).

Visos nuotraukos naudotos tiriant buvo transformuotos i plokstuma fotokameros objektyvo distorcijai panaikinti, kad objektai fotonuotraukose butu detalesni.

Kodiniu matuokliu kalibravimo tikslumui ivertinti bei kodiniu niveliavimo matuokliu kodiniu skaliu tikslumui nustatyti, taikant specialiai sukurta kompiuterine programa, buvo atlikti bandymai skaitmeniniu kodiniu niveliacijos matuokliu nuotrauku dalis paversti skaitmenine informacija.

2 pav. pavaizduota viena is tiriant naudotu kodiniu skaliu. Apskritimu isskirta zona centrineje kodines skales dalyje buvo paversta skaitmenine informacija (skaiciu matrica). Centrine dalis pasirinkta, kad butu kuo mazesni skaiciu matricos duomenu netikslumai.

Eksperimentuota matuojant kodiniu niveliavimo matuokliu skaliu skaitmeniniu nuotrauku fragmentus: JPEG, BMP 16 bitu, BMP 256 bitu, BMP 24 bitu, BMP MONOCHROME, TIFF ir GIFF formatais.

Kodiniu skaliu briaunoms nustatyti ir tyrimams atlikti geriausiai tiko BMP 24 bitu formatas, nes aiskiausiai buvo matyti kodiniu skaliu briaunu ribos tarp juodu ir baltu bruksniu, ir buvo maziausi skaitmeniniu nuotrauku iskraipymai.

Gautose kodiniu skaliu skaiciu matricose tamsesnes pikseliu spalvos isreiskiamos mazesnes vertes skaiciais, o sviesesnes--didesnes. Del to galime nustatyti riba tarp juodu ir baltu kodines skales bruksniu briaunu arba matyti kodines skales mechaninius pazeidimus.

Pagal skaiciu matricos rezultatus galime nustatyti kiekvienos kodines skales bruksniu storius, kurie bus reikalingi tolesniam matuokliu kalibravimui. Kodiniu skaliu bruksniu storis buvo gautas AutoCad programine iranga, i jos darbini langa ikelus kodiniu skaliu skaiciu matricos rezultatus. Atliktu tyrimu tikslumui ivertinti kontrolei tu paciu kodiniu skaliu bruksniu storiai buvo ismatuoti mikroskopu UIM-21, Nr. 640072. Matavimu rezultatai bei ju skirtumai pateikti 2 lenteleje.

I skales skirtumus 1 ir 2 bei III skales skirtuma 3 gavome labai didelius, todel tolesnei analizei ju nenaudosime (blogai buvo atlikti matavimai mikroskopu, dideles paklaidos).

Isanalizavus kitus galutinius rezultatus matome, kad maziausias skirtumas yra apie 2 [micro]m, o didziausias nevirsija 10 [micro]m. Abieju variantu matavimu tikslumas yra beveik vienodas, nes matavimu rezultatai mazai skiriasi.

[FIGURE 2 OMITTED]

4. Isvados

1. Sukurta kompiuterine programa, kuria galima niveliacijos matuokliu kodiniu skaliu skaitmeniniu nuotrauku pikseliu reiksmems suteikti skaitines vertes. Tamsesnes pikseliu spalvos isreiskiamos mazesnes vertes skaiciais, sviesesnes--didesniais.

2. Pagal sukurtaja kompiuterine programa atlikti kodiniu skaliu bruksniu briaunu nustatymo tikslumo tyrimai.

3. Atliktu tyrimu tikslumui ivertinti tu paciu kodiniu skaliu bruksniu storiai kontrolei buvo ismatuoti mikroskopu UIM-21. Maziausias skirtumas tarp abieju tipu matavimu yra apie 2 [micro]m, o didziausias nevirsija 10 [micro]m. Abieju variantu matavimu tikslumas beveik vienodas, nes matavimu rezultatai mazai skiriasi.

4. Is pradiniu tyrimu akivaizdu, kad skaitmenine vaizdo analize labai priklauso nuo apsvietimo fotografuojant, matuokliu pavirsiaus sviesos atspindzio koeficiento ir to pavirsiaus svarumo, atstumo tarp fotoaparato ir matuokles pavirsiaus, kodiniu bruksniu kontrastingumo.

doi: 10.3846/1392-1541.2009.35.140-143

Iteikta 2009 06 23; priimta 2009 09 23

Literatura

Becker, J. M.; Andersson, B.; Eriksson, P. O.; Nordquist, A. 1994. A new generation of levelling instruments: NA2000 and NA3000, in FIG XX. International Congress, Melbourne, Australia, 294-305.

Becker, J. M. 1999. History and evolution of height determination techniques especially in Sweden, in Geodesy Surveying in the Future, The Importance of Heights, Gavle, Sweden, 15-17th of March, 43-57.

Giniotis, V.; Rekus, D.; Aksamitauskas, C. 2007. Accuracy calibration of the bars of levelling meters, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 33(4): 102-105.

Krikstaponis, B. 2000. Matavimu analoginiais ir skaitmeniniais nivelyrais tikslumo tyrimai, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 26(2): 69-72.

Krikstaponis, B. 2001. Precizinio niveliavimo paklaidos ir ju itaka matavimu rezultatams: Kvalifikacinio mokslo darbo ataskaita. Vilniaus Gedimino technikos universitetas. Geodezijos institutas. 60 p.

Krikstaponis, B. 2002. Skaitmeninio nivelyro Wild NA3003 atskaitos sistemos ypatumu tyrimai, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 28(2): 39-44.

Skeivalas, J.; Giniotis, V. 2000. Elektroniniu nivelyru atskaitymo sistemos tikslumo analize, Matavimai 1(13): 30-32.

Suziedelyte-Visockiene, J. 2007. Skaitmenines matuojamosios fotokameros kalibravimo parametru itaka nuotraukas transformuojant i plokstuma, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 28(1): 26-30.

Vladislovas Ceslovas Aksamitauskas, Donatas Rekus

Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Geodezijos ir kadastro katedra, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva El. pastas gkk@vgtu.lt

Ceslovas AKSAMITAUSKAS. Assoc. Prof., Dr. at the Department of Geodesy and Cadastre, Vilnius Gediminas Technical University, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 2744 703, Fax +370 5 2744 705, e-mail gkk@vgtu.lt.

Doctor of Science (1990). The author of two teaching books and more than 15 scientific papers. Participated in a number of international conferences.

Research interests: geodetic instrumentation, automation of measurements, angular and distance measurements

Donatas REKUS. Doctoral student at the Department of Geodesy and Cadastre, Vilnius Gediminas Technical University. Dept of Geodesy and Cadastre. Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 2744 705, Fax +370 5 2744 705, e-mail gkk@vgtu.lt.

A graduate of Vilnius Gediminas Technical University (VGTU) (MSc, 2005).

Research interests: geodetic networks, calibration of geodetic instruments.

Table 1. The principal structure of comparators

1 lentele. Komparatoriu principine struktura

Komponuote Naudojamas etalonas Judamoji dalis

Vertikalioji lazerinis interferometras kalibruojamoji matuokle
 karietele su

Horizontalioji lazerinis interferometras CCD kamera ir atspind-
 incia prizme
 be judesio arba

Vertikalioji, etalonines matuokles skait- dalinio judesio
 (kaitmeninis
horizontalioji meninis vaizfdas fotoaparatas)

Table 2. Coded scale thickness of the lines measured using a
microscope in the AutoCAD environment

2 lentele. Kodiniu skaliu bruksniu storiai, ismatuoti mikroskopu
ir AutoCad aplinkoje

I skale

 kodines skales kodines skales
 bruksniu bruksniu storis
Eil. storis ismatavus ismatavus skirtumas
nr. U7M (mm) AutoCad (mm) [DELTA] (mm)

1 2,084 9 1,849 7 0,235 2
2 1,921 6 1,599 9 0,321 7
3 4,759 9 4,750 0 0,009 9
4 0,933 3 1,600 0 -0,666 7
5 1,805 6 1,799 7 0,005 9
6 1,609 0 1,600 3 0,008 7
7 14,803 9 14,800 1 0,003 8

II skale

 kodines skales kodines skales
 bruksniu storis bruksniu storis
Eil. ismatavus ismatavus skirtumas
nr. U7M (mm) AutoCad (mm) [DELTA] (mm)

1 1,048 1 1,049 8 -0,001 7
2 0,955 7 0,949 8 0,005 9
3 2,755 1 2,750 3 0,004 8
4 0,946 7 0,950 2 -0,003 4
5 1,051 2 1,049 5 0,001 7
6 0,990 5 1,000 2 -0,009 7
7 8,554 9 8,549 9 0,005 0

III skale

 kodines skales kodines skales
 bruksniu storis bruksniu storis skirtumas
Eil. ismatavus ismatavus [DELTA] (mm)
nr. U7M (mm) AutoCad (mm)

1 0,603 2 0,600 3 -0,002 9
2 0,406 4 0,400 9 0,005 5
3 1,336 2 1,399 0 -0,062 8
4 0,457 8 0,449 0 0,008 8
5 0,552 8 0,550 2 0,002 6
6 0,456 0 0,450 5 0,005 5
7 4,394 9 4,398 8 -0,003 9