15
1 ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Automatic Height Determination Automatic Height Determination On the Way to Digital On the Way to Digital Levelling Levelling The forerunners The forerunners Basics (configuration ,numerical and optical codes) Basics (configuration ,numerical and optical codes) Image processing Image processing The individual Solutions The individual Solutions (Leica Leica, Topcon, , Topcon, Trimble,Sokkia Trimble,Sokkia) Performances Performances ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Developments Developments 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 Sokkia 2003 Leica DNA 03/10 Baureihe 2004 Neue Trimble Baureihe auf Basis DINI (Zeiss) 2004 Leica Sprinter ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Categorisation Categorisation of Electronic Levels of Electronic Levels ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Active Active Systems Systems Rotationslaser Diode line ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Active Active Systems Systems „Das Aachener Nivellier Das Aachener Nivellier“

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1

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

CategorisationCategorisation of Electronic Levelsof Electronic Levels

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

ActiveActive SystemsSystems

Rotationslaser Diode line

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

ActiveActive Systems Systems „„Das Aachener NivellierDas Aachener Nivellier““

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2

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Concept Study Concept Study UniBWUniBW (1984)(1984)

Chorobat

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

RijkswaterstaatRijkswaterstaat und DMT (WBK)und DMT (WBK)

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

ConceptConcept StudyStudy UNI BonnUNI Bonn

ING 1980

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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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3

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Das Bonner Das Bonner NivellierNivellier

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

TheThe Dresden/Jena Digital Level (1982)Dresden/Jena Digital Level (1982)

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Inside the Inside the ZeissZeiss Ni002 DL Prototype Ni002 DL Prototype

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

TodayToday‘‘ss Digital LevelsDigital Levels

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Basic Basic configurationconfiguration of DLof DL

D

H

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

General DesignGeneral Design

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4

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Digitales Nivellier als MesssystemDigitales Nivellier als Messsystem

Woschitz/Brunner 2001

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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)

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Overview of the Various Optical Codes in DLOverview of the Various Optical Codes in DL

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5

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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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Image processing in DLImage processing in DL

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

CCD ImagesCCD Images

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

PixlePixle‘‘ss intensityintensity correctioncorrection byby foldingfolding withwith trapezoidaltrapezoidal functionfunction

Woschitz 2003

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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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6

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

AncillaryAncillary DevicesDevices: : InvarstaffsInvarstaffs

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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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7

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

SectionSection of of thethe NA2000NA2000

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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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8

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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.

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Digitales Nivelliersystem: Schema der SystemkalibrierungDigitales Nivelliersystem: Schema der Systemkalibrierung

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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)

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

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 ?

ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Resultate der SystemkalibrierungResultate der Systemkalibrierung

• Reproduzierbare Nichtlinearitätsabweichung bei 3 m:- Leica: unabhängig von Latte und Messungen !- Nivellier ?, Code ?