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ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand
Automatic Height DeterminationAutomatic Height Determination
On the Way to Digital On the Way to Digital LevellingLevelling
The forerunnersThe forerunnersBasics (configuration ,numerical and optical codes)Basics (configuration ,numerical and optical codes)Image processingImage processingThe individual Solutions The individual Solutions ((LeicaLeica, Topcon, , Topcon, Trimble,SokkiaTrimble,Sokkia))Performances Performances
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DevelopmentsDevelopments and Patents and Patents
1966 Nivellier mit digitaler Anzeige (UNI Bonn) 1976 Sagem (Patentschrift ) 1978 Thomson (Patentschrift) 1984 Messeinrichtung zur Erfassung der Relativposition zwischen
zwei Teilen (WILD Heerbrugg). (Patentschrift) 1985 Längenmessverfahren (TU Dresden, Zeiss Jena) (Patentschrift) 1988 Anordnung zur Höhenmessung (Zeiss Jena) (Patentschrift) 1990 Wild NA2000 1990 Measuring a Difference in Elevation (Optec, Japan)
(Patentschrift)1992 Wild NA3000 1994 Zeiss DiNi10/20 und Topcon DL 100 1998 Sokkia2003 Leica DNA 03/10 Baureihe2004 Neue Trimble Baureihe auf Basis DINI (Zeiss)2004 Leica Sprinter
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CategorisationCategorisation of Electronic Levelsof Electronic Levels
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ActiveActive SystemsSystems
Rotationslaser Diode line
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ActiveActive Systems Systems „„Das Aachener NivellierDas Aachener Nivellier““
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Concept Study Concept Study UniBWUniBW (1984)(1984)
Chorobat
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RijkswaterstaatRijkswaterstaat und DMT (WBK)und DMT (WBK)
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ConceptConcept StudyStudy UNI BonnUNI Bonn
ING 1980
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TheThe PriciplePriciple of of thethe „„BonnBonn““ Digital LevelDigital Level
ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand
TheThe semisemi--automatisatedautomatisated„„BonnBonn““ Digital Level (1970)Digital Level (1970)
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Das Bonner Das Bonner NivellierNivellier
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TheThe Dresden/Jena Digital Level (1982)Dresden/Jena Digital Level (1982)
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Inside the Inside the ZeissZeiss Ni002 DL Prototype Ni002 DL Prototype
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TodayToday‘‘ss Digital LevelsDigital Levels
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Basic Basic configurationconfiguration of DLof DL
D
H
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General DesignGeneral Design
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Image Processing inImage Processing in DigitalDigital LevelsLevels
PREPROCESSING DATA REDUCTION
FINAL IMAGE PROCESSING
OPERATING SWAPPLICATION SW
µP
OBJECT STAFF
CCD CAMERA IMAGE - A/D CONVERSION
123. 45647. 4
MAN-MACHINE-INTERFACE
A/D
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The Information Transfer in DLThe Information Transfer in DL
SourceCoding
BiphasenAmplitudenPolarisation
Channel Decoding Sink
Noise
VerticalPosition
Light- artificial- natural
AtmosphereVibrations
Image processing 1.784 m
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Digitales Nivellier als MesssystemDigitales Nivellier als Messsystem
Woschitz/Brunner 2001
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NOISENOISE
Illumination Atmosphericinfluences
Mechanicalinfluences
Instrumentalbehaviour
Various lightintensity of naturallight (SNR)
Turbulences(blurred image,higher SNR)
Vibrations(deviation of the lineof sight)
Thermal effects(deviation of the line ofsight)
Inhomogeneous lightintensity by shadowsat the staff
Refraction(deviation of the lineof sight)
Settlement of theinstrument and staff
Interference of code-element size and pixels(wrong results atcertain distances)
Spectrum of the lightsource
Staff centring andinclination of the staff
Compensator function(eigenfrequency)
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Optimisation of DL Codes PropertiesOptimisation of DL Codes Properties
1. Numerical Code Pseudo-stochastic, redundant, un-ambiguous,According to the Staff Length (0-4 m). Fast DecodingPatents of the Competitors
2.Optical Code Optimal Resolution as a Function of the Distance and the resolution of the Optics and CCD Safe against Noise Influences as: Turbulence, Blur, Image Distortions,……
Near field- , Far field CodeOptical Coding Possible(Analog or digital Width Variation, Bi-Phase,..)Patents of the Competitors
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Overview of the Various Optical Codes in DLOverview of the Various Optical Codes in DL
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Similarities of Geodetic Calculation Procedures (CodingSimilarities of Geodetic Calculation Procedures (Coding--Decoding)Decoding)
Technique Digital levels EDM GPS Biphase
Modulation X X X
Correlation X X X FFT X X
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Code Code PropertiesProperties
Manufacturer Properties Near-farfieldcode
Distance/scale required
Dimension ofone codeelement
Leica Pseudostochastic Yes Yes 2.025 mmSokkia Random bidirectional
Digital width relationYes No 16 mm
Topcon Analog width variation No No 10 mmZeiss Biphase Yes No 20 mm
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Image processing in DLImage processing in DL
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CCD ImagesCCD Images
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PixlePixle‘‘ss intensityintensity correctioncorrection byby foldingfolding withwith trapezoidaltrapezoidal functionfunction
Woschitz 2003
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Analogies of Human and Technical Image Processing Analogies of Human and Technical Image Processing
Lateral Inhibition Radiometric Lateral Inhibition Radiometric CorrectionCorrection
Edge Operators
Canny
Sobel
...........
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AncillaryAncillary DevicesDevices: : InvarstaffsInvarstaffs
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InvarstaffInvarstaff GeometryGeometry
Position of Invar BandCenter of Baseplate
Body(Aluminium)
Invar Band
10mm
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CenteringCentering Rings Rings fromfrom NEDONEDO
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Leica Leica FamilyFamily NA 2000/3000 DNA03/10NA 2000/3000 DNA03/10
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TheThe newnew Leica Digital Level Leica Digital Level FamilyFamily
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The WILD The WILD LeicaLeica Development NA 2000/3000Development NA 2000/3000
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SectionSection of of thethe NA2000NA2000
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InsideInside thethe NA2000NA2000
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Design Design –– Inside Inside LeicaLeica LevelLevel
Magnetic dampened compensatorThe use of incandescent or halogen lighting is also possible.
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TheThe Leica CodeLeica Code
Thesis Woschitz
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TheThe CorrelationCorrelation ProcedureProcedure of Leicaof Leica
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TheThe ScaleScale ProblemProblem
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TheThe CorrelationCorrelation „„MountainMountain““ of of thethe Leica DL Leica DL
Two dimensional correlation
Cor
rela
tion
Coe
ffici
ent
Height
Distance/ Scale
signalreferenceHDPsignalQ
HDPQn
HD iiQP
),(
),(1),(256
1
==
•= ∑ρ
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The Determination of the Best CorrelationThe Determination of the Best Correlation
Distance
Height
0.000 m
4.050 m
About 50 000 correlation in the whole range
0.00 m 100.00 mFocus Position
One bit correlation
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TheThe One Bit One Bit CoarseCoarse CorrelationCorrelation
operatorEXNORsignalreferencehdP
signalQ
hdPyQn
hd i
n
iQP
),(
),()(1),(1
1
=⊗==
⊗= ∑−
ρ
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Normalized 8Normalized 8--bit correlationbit correlation
21
1
221
1
2
1
1
11
1
),(PP
nQQ
n
PQPQnHD
n
i
n
i
i
n
i
QP
−•−
•−•=
∑∑
∑−−
−
ρ
signalreferencehdPsignalQ
),(
==
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Technical Data DNA03/10Technical Data DNA03/10
Standard deviation per km double levellingWith invar staff: 0.3mm / 0.9mm
Field of ViewCoarse correlation – 2° at 50mFine correlation – 1.1°
RangeStaff: 0 – 4.05mDistance: 1.8m – 110m
Standard deviation of distance measurement5mm/10m (500ppm)
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ZeissZeiss/Trimble /Trimble DiNiDiNi
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InsideInside thethe Zeiss Zeiss DiNiDiNi
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OpticalOptical Layout of Layout of thethe Zeiss/TrimbleZeiss/Trimble
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The The ZeissZeiss CodeCode
a 30 cm section of the rod gives a 1 byte information
Coarse code
Near field code
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TheThe Zeiss Zeiss BiphaseBiphase CodeCode
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Zeiss CodeZeiss Code
Thesis Woschitz
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SamplingSampling of of thethe CodeCode
Woschitz/2003
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GeometricGeometric MethodMethod ((ZeissZeiss))
STAFF IMAGE
DIGITISING
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Determination of the Scale of the Image (Determination of the Scale of the Image (ZeissZeiss))
Df
GB
D B f Gi
ii i= ⇒ ⋅ = ⋅
Distance1515
=>−⋅
=−+ BB
gNA
Using a +/-15 cm Interval:
According the Reichenbach method with stadia lines
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The The ZeissZeiss Calculation ProcedureCalculation Procedure
Gi
Gi+n
Bi
]2
)2/1([1 111
0
bbACgN
H iN
ii
+⋅−+⋅= +
−
=∑
Number of Codeword (Lower edge)Position of a
single interval
Position of the optical axis in the image (CCD)
Middle of the code bar
gi
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Problems Problems withwith thethe Zeiss/Trimble Instruments Zeiss/Trimble Instruments
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Two Epoch HeightTwo Epoch Height--Differences versus HeightDifferences versus HeightDifferences 99-98
Height [m]-800-700-600-500-400-300-200-100
0100
2 10 18 26 34 42 50 58 66 74 78 82 90
2959
K30
96K
3241
K10
611
412
2
130
138
4605
K14
6
Positions
[1/1
00 m
m]
730740750760770780790800810820
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Experimental Setup (ETHZ 2000)Experimental Setup (ETHZ 2000)
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Intensity Distribution Intensity Distribution
Spot Illumination
0 50 100 150 200 2501
276
551
826
1101
1376
1651
Pix
el
Intensity
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Inhomogeneous Illumination at BackInhomogeneous Illumination at Back-- and Foresight Shotand Foresight Shot
SpotSpot
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The levelling staffThe levelling staff--end problem superimposed with end problem superimposed with inhomogeniousinhomogenious illuminationillumination
Deviations as a function of the position and illumination: Landestopographie top
down Software version.: 1.05
1.601.701.801.902.00
-0.20 0.00 0.20 0.40[mm]
[m]
Deviations as a function of the position and illumination: Landestopographie down-top
Software version.: 1.05
1.60
1.70
1.80
1.90
2.00
-0.01 0.04 0.09 0.14[mm]
[m]
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New New StaffStaff Illumination Illumination byby Riesen& Riesen& StettlerStettler
Stettler&Riesen
Stettler&Riesen
Solothurn
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Temperature Function of Temperature Function of ZeissZeiss DiNiDiNi ( UNI Karlsruhe)( UNI Karlsruhe)
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TheThe TopconTopcon PrecisionPrecision Digital LevelsDigital Levels
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The Topcon Digital LevelThe Topcon Digital Level
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TheThe TopconTopcon DL103 (Construction Level)DL103 (Construction Level)DL-103 Specifications
Telescope:26x30mm 1°30'4 0.9m Erect Image
Compensator:±10’ 0.5“
HeigtAccuracy (Standard Deviation for 1km double run leveling) ±1.8mm w/Fiberglass Staff ±2.0mm w/Aluminum Staff±2.5mm0.1mm/1mm (0.001ft/0.01ft) selectable
Distance Measurement:1cm(0.02ft)
Accuracy (D= measuring distance: m) ±(0.1% x Dm) (D>10m),±10mm (D<10m)±(0.15% x Dm) (D>10m),±15mm (D<10m)2m to 60m (7ft to 197ft)2 sec.10'/2mm
Others:128 x 32 dot, Dot matrix LCD with backlight (55.01mm x 16.29mm)
RS-232C5
Rod height/difference of elevation
Built-in timer for auto power–off360° or 400gonAA battery x 420 hours(Alkaline)-20°C to +50°C (-4°F to +122°F)IPX 6196(H) x 158(W) x 232(L) mm7.7(H) x 6.2(W) x 9.1(L) inch2.3kg
StaffLength: 3m[9.84ft] Length: 5m [16.40ft] Length: 5m [16.40ft]
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The Topcon CodeThe Topcon Code
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TheThe SOKKIA SDL30SOKKIA SDL30
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TheThe SokkiaSokkia CodeCode
Close Range
5 Value Resolution
Long Range
3 Value Resolution
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Pattern width(mm)
0-5 code(Short dist.)
0-2 code(Long dist.)
Image size at 100m
Image size at 10m
3 0 0 1.05µm/ 1 cell 84µm/ 10.5 cell
4 1 0 1.40µm/ 1 cell 112µm/ 14.0 cell
7 2 1 2.45µm/ 3 cell 196µm/ 24.5 cell
8 3 1 2.80µm/ 3 cell 224µm/ 28.0 cell
11 4 2 3.85µm/ 4 cell 308µm/ 38.5 cell
12 5 2 4.20µm/ 4 cell 336µm/ 42.0 cell
Relations between pattern width, code and distance.
Properties of the Bar Code of SDL30
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Overview of the Overview of the PerformacesPerformaces of DLof DLInstrument TOPCON LEICA SOKKIA ZEISS/TrimbleFeature DL102 NA3003/DAN02 SDL30 DiNi10/11/12
Accuracy mm/Km Double levelling 0.4 mmInvarstaff
0.4 mmInvarstaff
1.0 mmFibreglassstaff
0.3 mmInvarstaff
Distance (Resolution) 1 cm 1 cm 0.1% x D 1 cm
-Pendulum
0.3"± 15'
Pendulum0.3"± 15'
Pendulum-
> ± 15'
Pendulum0.2"± 15'
Measurement time 4 s 4 s > 3 s 4 s
Range 2-60 mInvarstaff
1.5 - 60 mInvarstaff
1.6 – 100 mStandard-staff
1.5- 100 mInvarstaff
Man- machine-interface Menue Menue with function keys
Menu Menu withfunction keys
Display 2 lines 2 lines 2 lines 4 lines
Operation time/ battery 10 hours 8 hours > 7 hours 1 day
Weight including battery 2.8 kg 2.5 kg 2.4 kg 3.0 kg
Required Field of View noinformation
2° 1°20' Minimum 30 cm
Data storage capacity 2400 500/ Depends on Memory Card
- 2000
Compensator TypeAccuracyRange
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ApplicationsApplications
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Permanent Monitoring with Permanent Monitoring with MotorisedMotorised Digital LevelsDigital Levels
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AircraftAircraft LevellingLevelling
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CalibrationCalibration of Digital Levelsof Digital Levels
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Digitale Nivelliersysteme: SystemkalibrierungDigitale Nivelliersysteme: Systemkalibrierung• Präzision der TUG Anlage ist besser als 3 µm.
• Beinhaltet auch den nichtlinearen Zusammenhangder Komponenten (z.B. Lattenzustand in Kombination mit Auswertemethode).
Nur die Systemkalibrierung bestimmt die Gesamtpräzision.
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Digitales Nivelliersystem: Schema der SystemkalibrierungDigitales Nivelliersystem: Schema der Systemkalibrierung
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Ansichten der TUG AnlageAnsichten der TUG Anlage
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Software zur Systemkalibrierung (1)Software zur Systemkalibrierung (1)
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Software zur Systemkalibrierung (2)Software zur Systemkalibrierung (2)
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Ablauf der Systemkalibrierung fAblauf der Systemkalibrierung füür digitale Nivelliersystemer digitale Nivelliersysteme
• Abtastintervall
I ... auf die Latte projizierte Länge des CCD bei 3 m
• Hinmessung
• Rückmessung um I / 6 versetzt
TA = I / 3
(Leica: I = 117 mm, Zeiss: I = 262 mm)
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LinearitLinearitäätsabweichungen: 2 Lattentsabweichungen: 2 Latten• Leica NA3003, TA = 39 mm• Entfernung: 3 m• STD = ±14 µm
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LinearitLinearitäätsabweichungen: 2 Tagetsabweichungen: 2 Tage• Leica NA3003, TA = 39 mm• Entfernung: 3 m• Latte A• STD = ±14 µm
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Resultate der SystemkalibrierungResultate der Systemkalibrierung
• Reproduzierbare Nichtlinearitätsabweichung bei 3 m:- Leica: unabhängig von Latte und Messungen !- Nivellier ?, Code ?
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Resultate der SystemkalibrierungResultate der Systemkalibrierung
• Reproduzierbare Nichtlinearitätsabweichung bei 3 m:- Leica: unabhängig von Latte und Messungen !- Nivellier ?, Code ?
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