Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH Zürich

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Automatic Height DeterminationOn the Way to Digital LevellingThe forerunnersBasics (configuration ,numerical and optical codes)Image processingThe individual Solutions (Leica,Leica, Topcon, sche Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ¾¾¾¾199219941998200320042004ETH ZürichCategorisation of Electronic LevelsDevelopments and Patents¾¾¾¾Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandNivellier mit digitaler Anzeige (UNI Bonn)Sagem (Patentschrift )Thomson (Patentschrift)Messeinrichtung zur Erfassung der Relativposition zwischenzwei Teilen (WILD Heerbrugg). (Patentschrift)Längenmessverfahren (TU Dresden, Zeiss Jena) (Patentschrift)Anordnung zur Höhenmessung (Zeiss Jena) (Patentschrift)Wild NA2000Measuring a Difference in Elevation (Optec, Japan)(Patentschrift)Wild NA3000Zeiss DiNi10/20 und Topcon DL 100SokkiaLeica DNA 03/10 BaureiheNeue Trimble Baureihe auf Basis DINI (Zeiss)Leica SprinterGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichActive SystemsRotationslaserGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichActive Systems „Das Aachener Nivellier“Nivellier“Diode lineETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich1

Concept Study UniBW (1984)Rijkswaterstaat und DMT (WBK)ChorobatGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichConcept Study UNI BonnGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Priciple of the „Bonn“Bonn“ Digital LevelING 1980Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe nn“ Digital Level (1970)Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich2

Das Bonner NivellierThe Dresden/Jena Digital Level (1982)Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichInside the Zeiss Ni002 DL PrototypeToday‘Today‘s Digital LevelsGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichBasic configuration of DLGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeneral DesignHDGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich3

Image Processing in Digital LevelsThe Information Transfer in DLNoiseCodingSourceA/DOPERATING SWAPPLICATION SWBiphasenAmplitudenPolarisation123. 45647. 4CCD CAMERAIMAGE- A/D CONVERSIONPREPROCESSINGDATA REDUCTIONFINAL IMAGE PROCESSINGGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandMANMACHINEINTERFACEETH AFFChannelLightVerticalPosition- artificial- naturalImageprocessingGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand1.784 mETH ZürichNOISEDigitales Nivellier als MesssystemIlluminationVarious lightintensity of naturallight (SNR)Inhomogeneous lightintensity by shadowsat the staffAtmosphericinfluencesTurbulences(blurred image,higher SNR)Refraction(deviation of the lineof sight)Spectrum of the lightsourceM echanicalinfluencesVibrations(deviation of the lineof sight)Settlement of theinstrument and staffInstrumentalbehaviourThermal effects(deviation of the line ofsight)Interference of codeelement size and pixels(wrong results atcertain distances)Staff centring andCompensator functioninclination of the staff (eigenfrequency)Woschitz/Brunner2001Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichOptimisation of DL Codes PropertiesGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichOverview of the Various Optical Codes in DL¾ 1. Numerical CodePseudo-stochastic, redundant, un-ambiguous,According to the Staff Length (0-4 m). Fast DecodingPatents of the Competitors¾ 2.Optical CodeOptimal Resolution as a Function of the Distance andthe resolution of the Optics and CCDSafe 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 CompetitorsGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich4

Similarities of Geodetic Calculation Procedures (Coding(Coding-Decoding)TechniqueDigital levelsEDMCode PropertiesGPSBiphaseM iesLeicaSokkiaPseudostochasticYesRandom bidirectionalYesDigital width relationAnalog width variation NoBiphaseYesTopconZeissGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichNear-farfieldcodeDistance/scale requiredYesNoDimension ofone codeelement2.025 mm16 mmNoNo10 mm20 mmGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichCCD ImagesImage processing in DLGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichPixle‘Pixle‘s intensity correction by folding with trapezoidal functionGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichAnalogies of Human and Technical Image ProcessingLateral InhibitionRadiometricCorrectionEdge OperatorsCannySobel.Woschitz 2003Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich5

Invarstaff GeometryInvar BandAncillary Devices:Devices: InvarstaffsBody(Aluminium)10mmPosition of Invar BandCenter of BaseplateGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichCentering Rings from NEDOLeica Family NA 2000/3000 DNA03/10Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe new Leica Digital Level FamilyGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe WILD Leica Development NA 2000/3000ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich6

Section of the NA2000Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandInside the NA2000ETH ZürichDesign – Inside Leica Level¾¾Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Leica CodeMagneticdampenedcompensatorThe use ofincandescent orhalogen lightingis also possible.Thesis WoschitzGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichETH ZürichThe Scale ProblemThe Correlation Procedure of LeicaGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich7

The Correlation „Mountain“Mountain“ of the Leica DLThe Determination of the Best CorrelationCorrelation CoefficientAbout 50 000 correlation in the whole range4.050 mOne bitcorrelationtighHeHeightDistanc e/ScaleTwo dimensional correlationρ QP ( D, H ) 1 256 Qi Pi ( D, H )n 1Q signal0.000 mDistance0.00 mGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe One Bit Coarse CorrelationGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichNormalized 88-bit correlation1 n 1 Qi ( y) Pi (d , h)n 1 signalρ QP (d , h) Q100.00 mFocus PositionP ( D, H ) reference signalρ QP ( D, H ) P (d , h) reference signal EXNOR operator1 n 1 Qi Pi Q Pn 1221 n 1 21 n 1 Qi Q n 1 Pi 2 Pn 1Q signalP (d , h) reference signalGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichTechnical Data DNA03/10¾ Standard deviation per km double levelling¾ With invar staff: 0.3mm / 0.9mm¾ Field of View¾ Coarse correlation – 2 at 50m¾ Fine correlation – 1.1 ¾ Range¾ Staff: 0 – 4.05m¾ Distance: 1.8m – 110m¾ Standard deviation of distance measurement¾ 5mm/10m (500ppm)Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand8

Zeiss/TrimbleZeiss/Trimble DiNiGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandInside the Zeiss DiNiETH ZürichOptical Layout of the Zeiss/TrimbleGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Zeiss CodeCoarse codeNear field codea 30 cm section of the rodgives a 1 byte informationGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Zeiss Biphase CodeGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichZeiss CodeThesis WoschitzGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich9

Geometric Method (Zeiss)Zeiss)Sampling of the CodeDIGITISINGSTAFFIMAGEWoschitz/2003Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichDetermination of the Scale of the Image (Zeiss(Zeiss))Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Zeiss Calculation ProcedureGi nBigiGi1H ND Gi D Bi f GifBiMiddle of thecode barN 1 [ g (Ci 0Using a /-15 cm Interval:N g DistanceA B 15 B 15According the Reichenbach methodPosition of asingle intervali 1 / 2) A bi 1 b1]2Number of Codeword(Lower edge)Position of the optical axisin the image (CCD)with stadia linesGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichTwo Epoch HeightHeight-Differences versus HeightGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. 80-30034790-40026800-50018810-6002Problems with the Zeiss/Trimble Instruments820-70010[1/100 mm]Differences 99-98Height [m]-800ETH Zürich10

Experimental Setup (ETHZ 2000)Intensity DistributionSpot Illumination1651P ix e ische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichInhomogeneous Illumination at BackBack- and Foresight ShotSpotGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe levelling staffstaff-end problem superimposed with inhomogenious illuminationSpot[m]Deviations as a function of the positionand illumination: Lande stopographie topdownSoftware ve rsion.: 1.052.001.901.801.701.60Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichDeviations as a function of the position andillumination: Landestopographie down-topSoftware version.: 1.051.901.801.70-0.20[m]2.000.00 [mm] 0.20Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand0.401.60-0.010.04 [mm] 0.090.14ETH ZürichTemperature Function of Zeiss DiNi ( UNI Karlsruhe)New Staff Illumination by Riesen& StettlerStettler&RiesenStettler&RiesenGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandSolothurnETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich11

The Topcon Precision Digital LevelsGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandThe Topcon Digital LevelETH ZürichThe Topcon DL103 (Construction Level)Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Topcon CodeDL-103 SpecificationsTelescope:26x30mm 1 30'4 0.9m Erect ImageCompensator: 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) selectableDistance 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'/2mmOthers:128 x 32 dot, Dot matrix LCD with backlight (55.01mm x 16.29mm)RS-232C5Rod height/difference of elevationBuilt-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) inch2.3kgStaffLength: 3m[9.84ft] Length: 5m [16.40ft] Length: 5m [16.40ft]Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe SOKKIA SDL30Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichThe Sokkia CodeClose Range5 Value ResolutionLong Range3 Value ResolutionGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich12

Overview of the Performaces of DLProperties of the Bar Code of SDL30Relations between pattern width, code and distance.Pattern width(mm)0-5 code(Short dist.)0-2 code(Long dist.)Image size at100mImage size ureDL102NA3003/DAN02SDL30DiNi10/11/12Accuracy mm/Km Double levelling0.4 mmInvarstaff0.4 mmInvarstaff1.0 mmFibreglassstaff0.3 mmInvarstaffDistance (Resolution)1 cm1 cm0.1% x D1 cmCompensator TypeAccuracyRangePendulum0.3" 15'4sPendulum0.3" 15'4sPendulum 15' 3sPendulum0.2" 15'4sRange2-60 mInvarstaff1.5 - 60 mInvarstaff1.6 – 100 mStandard-staff1.5- 100 mInvarstaffMan- machine-interfaceMenueMenue with functionkeysMenuMenu withfunction keysDisplay2 lines2 lines2 lines4 lines3001.05µm/ 1 cell84µm/ 10.5 cell4101.40µm/ 1 cell112µm/ 14.0 cell7212.45µm/ 3 cell196µm/ 24.5 cell8312.80µm/ 3 cell224µm/ 28.0 cell11423.85µm/ 4 cell308µm/ 38.5 cellOperation time/ battery10 hours8 hours 7 hours1 day12524.20µm/ 4 cell336µm/ 42.0 cellWeight including battery2.8 kg2.5 kg2.4 kg3.0 kgRequired Field of Viewnoinformation2 1 20'Minimum 30 cmData storage capacity2400500/ Depends onMemory CardGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichMeasurement time-Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand2000ETH ZürichPermanent Monitoring with Motorised Digital LevelsApplicationsGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichAircraft LevellingCalibration of Digital LevelsGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich13

Digitale Nivelliersysteme: SystemkalibrierungDigitales Nivelliersystem: Schema der Systemkalibrierung Präzision der TUG Anlage ist besser als 3 µm. Beinhaltet auch den nichtlinearen Zusammenhangder Komponenten (z.B. Lattenzustand inKombination mit Auswertemethode).Nur die Systemkalibrierung bestimmt die Gesamtpräzision.Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichAnsichten der TUG AnlageGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichSoftware zur Systemkalibrierung (1)ETH ZürichSoftware zur Systemkalibrierung (2)Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichAblauf der Systemkalibrierung füfür digitale Nivelliersysteme AbtastintervallTA I / 3I . auf die Latte projizierte Länge des CCD bei 3 m(Leica: I 117 mm, Zeiss: I 262 mm) Hinmessung Rückmessung um I / 6 versetztGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich14

LinearitäLinearitätsabweichungen: 2 LattenLinearitäLinearitätsabweichungen: 2 Tage Leica NA3003, TA 39 mm Leica NA3003, TA 39 mm Entfernung: 3 m Entfernung: 3 m STD 14 µm Latte A STD 14 µmGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH ZürichResultate der SystemkalibrierungETH ZürichResultate der Systemkalibrierung Reproduzierbare Nichtlinearitätsabweichung bei 3 m:- Leica: unabhängig von Latte und Messungen ! Reproduzierbare Nichtlinearitätsabweichung bei 3 m:- Leica: unabhängig von Latte und Messungen !- Nivellier ?, Code ?Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand- Nivellier ?, Code ?ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. IngensandETH Zürich15

The Topcon Precision Digital Levels Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH Zürich The Topcon Digital Level Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH Zürich The Topcon DL103 (Construction Level) DL-103 Specifications Telesc