CN103868504B - 自主测绘机 - Google Patents

Abstract

一种自主测绘机，包括测量机和姿态测控机，测量机包括中央处理器(28)、红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、精密测距单元(24)、远程测距单元(25)、高频测距单元(26)、偏心轮单元(27)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、测量机电源单元(29)、人机交互单元(30)、存储单元(35)、全球定位单元(36)、通信单元(37)、光敏电阻(75)；姿态测控机包括姿态测控处理器(40)、仰俯姿态单元(41)、水平姿态单元(56)、航向姿态单元(59)和姿态测控机电源单元(74)。本发明具有高精度、高效率、高可靠性、高性价比、低成本、便携、智慧型、由涌现性获得功能的野外特征。

Description

自主测绘机

技术领域

本发明属于地理信息技术领域，特别是涉及一种自主测绘机。

背景技术

市场需求：地理信息产业有成千上万的应用源于4个核心需求

1)获取目标物的三维大地坐标；

2)获取三维大地坐标下的地形地物图；

3)获取三维大地坐标下的物方三维影像；

4)获取大地坐标系下基于三维影像的三维导航图。

技术现状：多组人员使用种类繁多的多组仪器设备以不同方式分段获取上述某一核心需求，形成各种应用。存在的局限是效率低服务耗时、费用昂贵、工作受限(如：具有当前国际领先水平的车载道路摄影测量***只能用于道路及两侧的近景摄影测量，600-800万元/套)等等。

目前市场上有4类用于野外测绘的相关产品：常规测绘仪器、“精密测量机器人”、用于近景道路摄影测量数据采集的设备集成***、三维激光扫描仪。

1、常规测绘仪器：

如测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、全站仪(测距仪+经纬仪)、GPS定位仪以及配套使用的数传电台/GPRS/3G通信设备、超站仪(全站仪+GPS定位仪)等。全球、我国均有多家公司生产销售。常规测绘仪器均无摄影测量功能。常规测绘仪器存在的局限是：

1)传统设备：测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、标杆、棱镜等传统设备均属单一功能仪器，通过测角、测高、测距、测水准等手段的综合使用来获取测站与被测目标之间在自定义坐标下的的相对关系数据。传统设备依靠人工操作，人为误差和分段引入大地坐标的误差均大且无有效的误差改正方法。传统设备效率很低，获取一个低精度的物方三维大地坐标常常需要一队专业技术人员工作很长时间。大量耗费人力和时间，实际工作成本高。

2)GPS定位仪：须将仪器架设在被测目标上观测，这首先需要被测目标具有架设仪器的条件，在此前提下还需投入较大的人力、物力和较长的时间，而需要测量的目标点常常并不具备架设仪器的条件。

3)全站仪：只能在自定义坐标系内测角和测距；完全依靠人工操作，人为误差较大且无有效的误差改正方法；测量物方三维坐标时需要同时具备两个以上的已知控制点；确定正北方向须购买当地GPS控制网(如果当地存在这样的网)数据，或借助陀螺仪；引入大地坐标须借助GPS定位仪。

4)超站仪：除测角、测距之外还能够测定自身的三维大地坐标(日本拓扑康超站仪单价60万元人民币)。超站仪存在与全站仪类似的问题。

2、“精密测量机器人”(全站仪+伺服***，无摄影功能)：

“精密测量机器人”是新型全站仪，与常规全站仪的唯一区别是具有“ATR功能(棱镜瞄准功能)”：人工瞄准棱镜目标后，按照常规全站仪方法获取并存储这些棱镜在自定义坐标下的三维坐标数据和自身的姿态数据。人工启动伺服***后，机器参照上次测量获取的坐标数据和姿态数据重新自动瞄准棱镜并再次获取自定义坐标下的三维坐标数据，据此扩展出一个以棱镜为观测目标的可用于形变监测的功能。

精密测量机器人是瑞士徕卡公司的独家产品，其航向角和仰俯角的测量精度达到0.5角秒，代表了全站仪的当今全球最高水平；价格适中：当需要扫描的棱镜个数小于10时，单台售价45万元人民币；棱镜个数大于10时另作***方案，按***方案另外加价。

精密测量机器人无摄影功能且存在与全站仪类似的局限。

3、用于道路摄影测量数据采集的设备集成***：

目前市场上的道路摄影测量数据采集***均为设备集成***。美国谷歌、日本拓扑康的车载道路摄影测量***是代表。其硬件特征是将位置测量设备(GPS)、姿态测量设备、定位补偿设备(INS或航位推算***)、视频设备(CCD***)、激光测距扫描仪、车载计算机***设备连接在一起，安装在汽车上，在车辆的行进之中采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机***中；软件特征是基于GPS、RS、GIS、数据的3S集成，将外业采集回来的数据进行事后编辑处理，形成各种有用的专题数据成果，如导航电子地图等等。它的显著特点是：a.针对道路及临近两侧的独立的测成图***。无需借助任何底图，即可独立完成路网图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，空间坐标数据与包含丰富属性信息的道路及临近两侧之立体影像同时获得，外业与内业紧密衔接，避免了人工方式下的人为误差；b.针对道路的实景三维可视化的数据成果。它以面状的方式快速采集道路及道路临近周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像；c.道路及道路临近周边信息与卫片/航片无缝链接，形成针对道路及临近周边地物的“天地一体化”新一代地理信息***。

存在的局限是：

1)工作范围限于道路，无法进行野外作业：移动道路测量***(道路摄影测量数据采集***)是将GPS(全球定位***)、姿态测量***、CCD(视频***)、INS(惯性导航***或航位推算***)、三维激光扫描***、车载计算机***等先进的传感器和设备装配在汽车上，这就意味着它只能用于道路及其临近两侧的摄影测量，无法进行野外环境的摄影测量。

2)近景：不带望远镜，广角摄影。能够对道路两侧200m内的景物进行近景摄影测量数据采集。物方三维大地坐标的解算精度为1米左右。

3)移动与操作：组成***的各设备体积大、重量大，***结构松散，须固定于汽车等大型载体上，多人操作。

4)外业数据采集内业事后处理的工作方式导致重复性外业劳动不可避免。

5)需要道路沿途有GPS控制网的支持。

6)价格昂贵：移动道路测量***的全部组件均系外购，这些高端设备的昂贵价格使得“移动道路测量***”的成本居高不下，无激光测距扫描仪的移动道路测量***(无测距功能的数据采集***)产品的价格为400万元人民币/套；有激光扫描测距设备的国外产品价格高于600万元人民币/套。

4、三维激光扫描仪

三维激光扫描仪可在自定义坐标下提供近景三维影像：用高速激光扫描测距方式获得大量的近程目标点距离数据并同步记录测距姿态数据，从而得到目标点三维坐标；用数码相机摄取目标景物影像；将两者叠加，获得近景三维影像。

三维激光扫描仪可广泛应用于室内灯光环境和室外晴朗天气的白昼环境下的近景目标。瑞典、美国、日本、中国均有数家公司生产销售。瑞典Rigle公司的野外三维激光扫描仪处于国际领先地位：好天气、良好能见度条件下测距可达2公里。三维激光扫描仪单台售价为60万元人民币—400万元人民币不等。

发明内容

本发明提供一种革命性产品，目的有五：

一是用基于底层结构的多***一体化方法和机器自主测量方法，将地理信息产业的核心需求和全部应用融为一体，同步解决：获取基于实景影像的目标点三维大地坐标、获取基于实景影像的三维大地坐标下的地形图、获取大地坐标系下的物方三维影像、获取大地坐标系下基于三维影像的三维导航图；

二是用基于底层结构的多***一体化和机器自主测量方法获得超高精度；

三是利用基于底层结构的多***一体化产生的涌现性扩展出巨量用户功能和全新应用，一机功能覆盖多种类地理信息产业应用及其外延应用；

四是用基于底层结构的多***一体化方法获得低成本、高性价比的产品；

五是用机器自主测量的新方法改变传统工作方式，极大幅度地减少人工介入、简化工作流程、降低劳动强度和操作难度、降低工作成本、提高工作效率。

本发明提供的一种自主测绘机，包括测量机和姿态测控机，

测量机包括中央处理器28和分别与中央处理器28连接的红外激光光源1、多光成像单元9、精密测距单元24、远程测距单元25、高频测距单元26、偏心轮单元27、图像识别单元19、图像处理单元20、测量机电源单元29、人机交互单元30、存储单元35、全球定位单元36、通信单元37、光敏电阻75；

姿态测控机包括姿态测控处理器40，以及分别与姿态测控处理器40连接的仰俯姿态单元41、水平姿态单元56、航向姿态单元59和姿态测控机电源单元74，中央处理器28与姿态测控处理器40连接；

测量机与姿态测控机通过竖轴60、第一横轴42、第二横轴76、第三横轴80连接，并标定为一个多光同轴、多轴同心的整体，所述多光同轴是指红外激光光源1的光轴、多光成像单元9的光轴、精密测距单元24的光轴、远程测距单元25的光轴、高频测距单元26的光轴，五者标定在同一轴线上；所述多轴同心是指竖轴60的中轴线、第一横轴42的中轴线、第二横轴76的中轴线、第三横轴80的中轴线、精密测距单元24的光轴、全球定位单元36天线相位中心点与竖轴60垂直于大地水准面时的中轴线之延长线相交形成的定位轴线，六者标定后相交于同一个空间点。

而且，所述三维姿态***中，

所述仰俯姿态单元41包括第一离合器43、第一机组44、第一编码器53、第一电机54和第一驱动电路55，所述第一机组44包括第一同步带放大器45、第二蜗轮46、第一同步带轮47、第二蜗杆48、第二弹性机构49、第一蜗轮50、第一弹性机构51、第一蜗杆52，第一驱动电路55、第一电机54、第一蜗杆52依次连接，第一蜗轮50和第一蜗杆52经第一弹性机构51啮合，第一蜗轮50和第二蜗杆48经第二弹性机构49啮合，第二蜗轮46和第二蜗杆48之间经第一同步带轮47传动，第二蜗轮46和第一编码器53之间经第一同步带放大器45传动，第二蜗轮46连接第一离合器43，第一离合器43闭合时连接第一横轴42，姿态测控处理器40和第一离合器43、第一编码器53、第一驱动电路55分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第一驱动电路55输出指令到第一电机54，第一电机54输出经第一机组44进行仰俯运动传动后所产生的运动结果依次经第二蜗轮46、第一同步带放大器45、第一编码器53、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取第一横轴42实际的位置到达数据；

设第一同步带放大器45的传动比为1：H，第一同步带放大器45通过第二蜗轮46将第一机组44在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动结果放大H倍后传递给第一编码器53，并经由第一编码器53转换为数字信号上传给姿态测控处理器40，姿态测控处理器40将所得运动结果除以H倍后得到第一横轴42真实的位置到达数据并上传给中央处理器28；

所述航向姿态单元59包括第二离合器61、第二机组62、第二编码器73、第二电机71和第二驱动电路72，所述第二机组62包括第二同步带放大器64、第四蜗轮63、第二同步带轮65、第四蜗杆66、第四弹性机构67、第三蜗轮68、第三弹性机构69、第三蜗杆70，第二驱动电路72、第二电机71、第三蜗杆70依次连接，第三蜗轮68和第三蜗杆70经第三弹性机构69啮合，第三蜗轮68和第四蜗杆66经第四弹性机构67啮合，第四蜗轮63和第四蜗杆66之间经第二同步带轮65传动，第四蜗轮63和第二编码器73之间经第二同步带放大器64传动，第四蜗轮63连接第二离合器61，第二离合器61闭合时连接竖轴60，姿态测控处理器40和第二离合器61、第二编码器73、第二驱动电路72分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第二驱动电路72输出指令到第二电机71，第二电机71输出经第二机组62进行航向运动传动后所产生的运动结果依次经第四蜗轮63、第二同步带放大器64、第二编码器73、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取竖轴60实际的位置到达数据；

设第二同步带放大器64的传动比为1：I，第二同步带放大器64通过第四蜗轮63将第二机组62在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动结果放大I倍后传递给第二编码器73，并经由第二编码器73转换为数字信号上传给姿态测控处理器40，姿态测控处理器40将所得运动结果除以I倍后得到竖轴60真实的位置到达数据并上传给中央处理器28。

而且，所述竖轴60的中心轴线l₁与基准第一横轴42的中心轴线l₂、第二横轴76的中心轴线l₃、第三横轴80的中心轴线l₄的几何关系为，中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄平行，中心轴线l₁和中心轴线l₂构成的平面内，中心轴线l₁垂直于中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄；

姿态测控机通过竖轴60与测量机连接，竖轴60的转动产生测量机的航向运动；

由精密测距单元24和远程测距单元25构成的组件通过第一横轴42与姿态测控机连接，该组件的仰俯运动由第一横轴42的转动产生，该组件的航向运动由竖轴60的转动产生；精密测距单元24的质量中心与第一横轴42的中心轴线的交点是自主测绘机轴系的中心，是多轴同心的标定基准点；

姿态测控机设有音叉，

由红外激光光源1和多光成像单元9构成的组件通过第三横轴80与姿态测控机的音叉连接，该组件的仰俯运动由第三横轴80的转动产生，航向运动由竖轴60的转动产生；

高频测距单元26通过第二横轴76与姿态测控机的音叉连接，

使用高频测距单元26对点状目标测量距离时，第三横轴80与高频测距单元26之间设置一同步连杆，高频测距单元26的仰俯运动由第三横轴80的转动产生，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器81、第三离合器82、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21，中央处理器28、第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和第三离合器82依次连接，第三离合器82闭合时连接第三横轴80，第三横轴80、第七编码器81、中央处理器28依次连接；高频测距单元26的航向运动由竖轴60的转动产生，此时偏心轮单元27处于停止工作状态；

使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，偏心轮单元27处于工作状态，此时同步连杆刹车，第三横轴80与高频测距单元26脱离联动，高频测距单元26在偏心轮单元27的带动下独立在第二横轴76上高频摆动，高频测距单元26的仰俯运动由偏心轮单元27控制，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器78、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79，中央处理器28、第一电机与驱动电路79、第一蜗轮蜗杆组77依次连接，第二横轴76、第六编码器78、中央处理器28依次连接；高频测距单元26的航向运动由竖轴60的转动产生。

而且，所述测量机中，

红外激光光源1包括红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5、第三电机7、第三驱动电路8和第三编码器6，红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5依次连接，第三电机7与红外激光调焦镜3、第三驱动电路8、第三编码器6分别连接，中央处理器28和泵浦电源5、第五驱动电路11、第三编码器6分别连接；

多光成像单元9包括第五编码器10、第五驱动电路11、第六蜗轮12、第六蜗杆13、第四电机14、物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18、第五蜗轮23、第五蜗杆31、第四编码器34、第五电机32和第四驱动电路33，物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18依次连接，第五驱动电路11、第四电机14、第六蜗杆13、第五编码器10依次连接，第六蜗杆13与第六蜗轮12啮合，第六蜗轮12连接调焦镜16，第四驱动电路33、第五电机32、第五蜗杆31、第四编码器34依次连接，第五蜗杆31与第五蜗轮23啮合，第五蜗轮23连接变焦镜组22，中央处理器28和第五驱动电路11、第五编码器10、第四编码器34、第四驱动电路33、双滤光片结构CCD模块18分别连接。

而且，根据白光光通量，光敏电阻75发出信号控制中央处理器28关闭或打开泵浦电源5，对应白光光源或红外激光光源；多光成像单元9与图像处理单元20连接，成像结果由图像处理单元20判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器28打开泵浦电源5提供红外激光光源。

而且，由中央处理器28、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29构成自主成像***，执行自主成像过程的工作步骤如下，

步骤1，进行成像光源初始选择，实现如下，

在白光光通量足以使双滤光片结构CCD模块18白光成像时，光敏电阻75的信号口处于闭合状态，中央处理器28关闭泵浦电源5，进入步骤2；白光光通量不足以双滤光片结构CCD模块18白光成像时，光敏电阻75的信号口处于常开状态，中央处理器28开启泵浦电源5，红外激光光源1照射目标，多光成像单元9接受自目标返回的红外激光，进入步骤4，

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下，

中央处理器28读取调焦镜16的调焦标定值驱动第四电机14依次到达各相应标定位置，在每个相应标定位置，白光信号经由多光成像单元9转换为数字信号后到达图像处理单元20，图像处理单元20获取图像值并比较，记录使图像值最大的第四电机14标定位置为使图像最清晰处；

中央处理器28对目标景物的所有图像值进行分析处理，

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于预设正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，进入步骤3；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q1大于预设正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，进入步骤4；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器28报警，停止流程；

其中，预设正实数Q1大于预设正实数Q2；

步骤3，基于白光光源的自动成像，实现如下，

首先进行自动调焦，中央处理器28向第五驱动电路11发出指令，使第四电机14、第六蜗杆13转动，第五编码器10实时记录第六蜗杆13的运动状态同步反馈给中央处理器28，中央处理器28算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆13转动到设定的位置并通过第六蜗轮12完成对调焦镜16的焦距调整；

然后进行自动成像，白光信号经过物镜15、调焦镜16和成像镜组17到达双滤光片结构CCD模块18，双滤光片结构CCD模块18将白光信号转换成数字信号后传至图像处理单元20，图像处理单元20得到清晰的景物图像并上传至中央处理器28，，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

步骤4，基于红外激光光源的自动成像，实现如下，

首先红外激光照射范围准确覆盖多光成像单元9的视场，由中央处理器28同时完成两项工作，一是自动变倍，包括开启第四驱动电路33，使第五电机32带动第五蜗杆31运动到Pi位置，第五蜗杆31带动第五蜗轮23使变焦镜组22将多光成像单元9的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第四编码器34将第五蜗杆31的实际到达位置上传给中央处理器28；二是视场与照射范围重合，包括向第三驱动电路8发出指令使第三电机7带动红外激光调焦镜3运动到Qi位置，使红外激光光源1的照射范围正好覆盖多光成像单元9的视场；

其中，标定常数Pi是多光成像单元9的视场执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场，i=1,2,3,.....J，J为总类数，标定常数Qi是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜3处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合，Pi被标定后，Qi根据Pi标定；

然后进行自动成像，从目标景物返回的红外激光信号通过物镜15、调焦镜16、成像镜组17到达双滤光片结构CCD模块18，双滤光片结构CCD模块18将红外激光信号转换成数字信号后传至图像处理单元20，图像处理单元20得到清晰景物图像并上传至中央处理器28，，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

而且，通过航向姿态单元59、偏心轮单元27、高频测距单元26同步工作，完成高频测距单元26在多光成像望远镜9视场内的扫描式自动测距，获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据，生成三维野外实景影像；通过设定姿态运动起止点位置，支持在任意界定工作范围或环绕测站360°的全景工作范围生成三维野外实景影像。

而且，中央处理器28、偏心轮单元27、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79、第六编码器78、第二横轴76、高频测距单元26、姿态测控处理器40、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、姿态测控机电源单元74、图像处理单元20、光敏电阻75、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、全球定位单元36、通信单元37构成扫描式自动测距和同步自动定姿***，执行自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像，通过全景图像的无重叠拼接现场实时自动生成全景三维实景影像；

所述自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像的工作步骤如下，

1)任意界定工作范围，实现如下，

在人机交互单元30的触摸屏显示的二维野外实景影像上勾勒任意形状的闭合曲线C，中央处理器28将C所包围的区域M界定为工作范围，

偏心轮单元27按中央处理器28的指令界定高频测距单元26沿仰俯方向往复运动的起止点位置，包括将其在竖轴60的中轴线与高频测距单元26的光轴构成的平面内绕第二横轴76的中轴线往复运动的起止点位置全部落在闭合曲线C上；

航向姿态单元59按中央处理器28的指令，连续转过以区域M的边界为起止点的航向角度；偏心轮单元27和航向姿态单元59的同步联动使得工作范围正好覆盖了区域M；

2)同步测量，实现如下，

以全球定位***时间为基准，航向姿态单元59、偏心轮单元27、高频测距单元26同步工作，完成高频测距单元26在多光成像单元9视场内的扫描式自动测距，在且只在1)所界定工作范围内获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据；

所述航向姿态单元59进行航向运动，中央处理器28指令姿态测控处理器40将航向角调整到起始位置并连续运动到停止位置，姿态测控处理器40通过航向姿态单元59执行并完成指令；

所述偏心轮单元27进行仰俯运动，中央处理器28指令偏心轮单元27将仰俯角的摆动幅度调整到从起始位置至停止位置所界定的范围，并带动高频测距单元26在所界定的范围内沿竖轴60的中轴线方向往复摆动，高频测距单元26同步工作，连续获取距离数据；偏心轮单元27执行并完成的指令包括，将仰俯角的摆动幅度锁定在从起始位置至停止位置所界定的范围，并将电机的单向连续转动转换为平滑的连续往复运动，带动高频测距单元26的激光发射管和激光接收管以高频测距单元26的质量中心为圆心、以所述摆动幅度为运动范围、在竖轴60的中轴线与高频测距单元26的光轴构成的平面内绕第二横轴76的中轴线往复运动；

3)空间匹配，在目标景物影像上生成三维大地坐标点阵云；

4)自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像，包括由中央处理器28运行包括非线性K最近邻点算法在内的数据挖掘程序，在所述二维野外实景影像中利用已知的三维大地坐标点阵云向无三维大地坐标的点推算三维大地坐标，在区域M上获得三维野外实景影像；

所述现场实时自动生成全景三维实景影像的工作步骤如下，

中央处理器28同步完成四项工作，一是按照设定的仰俯角工作范围设置偏心轮单元27在仰俯角方向的运动起止位置，启动偏心轮单元27在指定范围内往复运动并同步向中央处理器28返回其仰俯姿态数据；二是开启高频测距单元26使其连续测距并同步向中央处理器28返回距离数据；三是开启航向姿态单元59使其连续转过360°并同步向中央处理器28返回航向数据；四是，在不同仰俯角，按航向角完成环绕测站360°的二维野外实景影像拍摄，通过无重叠拼接生成环绕测站360°的全景二维野外实景影像，在环绕测站360°的全景二维野外实景影像上自动生成三维影像，得到环绕测站360°的全景三维野外实景影像。

而且，由中央处理器28、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、远程测距单元25、精密测距单元24、第一横轴42、竖轴60、高频测距单元26、第二横轴76、全球定位单元36、通信单元37构成三维大地坐标自动遥测***，执行自动遥测获取被测目标的三维大地坐标，

所述自动遥测获取被测目标的三维大地坐标的工作步骤如下，

1)基于影像的自动精确瞄准，实现如下，

在人机交互单元30的触摸屏显示的二维野外实景影像中点击目标点，中央处理器28自动将多光成像单元9的视场调至最小，放大倍数达到最大，并在多光成像单元9获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上进行数码变焦放大，获得光学和数码两级放大后的目标点清晰影像，在其中选定被测目标；点击被测目标，仰俯姿态单元41、航向姿态单元59瞄准被测目标，并将所获航向姿态数据和仰俯姿态数据上传给中央处理器28；

2)基于自动精确瞄准的自动测距，实现如下，

中央处理器28根据距离采用远程测距单元25、高频测距单元26或精密测距单元24对被测目标进行距离测量，得到距离数据；

3)自动获取被测目标的三维大地坐标，实现如下，

中央处理器28根据测站数据和目标数据解算得到被测目标的三维大地坐标，所述目标数据包括1)所得航向姿态数据和仰俯姿态数据、2)所得距离数据。

而且，通过自动成像过程在搜索范围连续获取野外实景影像，通过图像识别单元19从野外实景影像中识别特定目标，并通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59跟踪特定目标。

而且，由中央处理器28、远程测距单元25、图像识别单元19、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、全球定位单元36、通信单元37、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、第一横轴42、竖轴60、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81、第三离合器82、第三横轴80构成移动目标跟踪测量***，执行自主跟踪测量移动目标，

所述自主跟踪测量移动目标的工作步骤如下，

1)自主搜索目标，实现如下，

输入搜索范围后，中央处理器28协调相关工作单元同步工作，包括闭合第一离合器43、第二离合器61、第三离合器82，第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和航向姿态单元59带动红外激光光源1、多光成像单元9连续运动，循环覆盖搜索范围；红外激光光源1、多光成像单元9、图像处理单元20按自动成像过程，在搜索范围内连续获取野外实景影像；

2)自主发现、识别目标，实现如下，

图像识别单元19通过比对野外实景影像数据和特定目标数据发现和识别特定目标；当图像识别单元19不能在规定时间内完成图像识别任务时，中央处理器28自行启动通信单元37链接后方数据中心，通过云计算和云端库完成图像识别任务；

3)自主跟踪瞄准目标，实现如下，

中央处理器28以图像识别单元19提供的识别结果为跟踪对象，指令仰俯姿态单元41和航向姿态单元59带动红外激光光源1、多光成像单元9连续运动，使跟踪对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置，使多光成像单元9的光轴始终保持瞄准跟踪对象，仰俯姿态单元41和航向姿态单元59同步向中央处理器28反馈姿态数据；

4)基于跟踪瞄准的自主跟踪测距，实现如下，

远程测距单元25对多光成像单元9瞄准的跟踪对象连续测距并同步向中央处理器28反馈距离数据；

5)自主跟踪测量，实现如下，

中央处理器28根据测站数据和目标数据连续解算出跟踪对象的实时三维大地坐标；

6)对目标的重新锁定，实现如下，

若多光成像单元9在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器28根据对特定目标三维大地坐标的跟踪测量数据推算其下一时刻可能出现的空间位置，通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59使红外激光光源1、多光成像单元9逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现；

7)同步数据传输，实现如下，

中央处理器28通过通信单元37向后方数据中心或其它需要获知信息的设备同步传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

而且，对选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，对各被测目标持续监测，包括在多个时间点获取被测目标的影像、瞄准被测目标时的姿态数据、测站至被测目标的距离数据、被测目标的三维坐标，得到形变测量对象的形变数据。

而且，由中央处理器28、精密测距单元24、图像识别单元19、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、第一横轴42、竖轴60构成形变监测***，执行基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测，

所述基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测的工作步骤如下，

1)学习形变测量对象，实现如下，

在人机交互单元30的触摸屏上选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，中央处理器28协同各相关工作单元获取并存储每个目标地物的相关信息，得到学习成果如下，

带有中心点分划的被测目标影像数据，简称起始影像；

瞄准被测目标时的姿态数据，简称起始姿态；

测站至被测目标的距离数据，起始距离；

被测目标的三维坐标，简称起始坐标；

测量被测目标三维坐标的时间，简称起始时间；

2)再次瞄准目标地物，实现如下，

中央处理器28协同各相关工作单元按设定的时间间隔开始工作，完成4项任务如下，

通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59将瞄准姿态调整到起始姿态；

通过红外激光光源1、多光成像单元9、图像处理单元20再次获得带有中心点分划的目标地物影像数据，简称再次影像；

通过图像识别单元19在起始影像中挖掘再次影像数据，使两个影像的中心点分划位置都在起始影像上出现；

中央处理器28通过两个中心点分划在起始影像上的位置差计算得出再次瞄准目标地物的姿态调整参数，仰俯姿态单元41和航向姿态单元59按照姿态调整参数将瞄准姿态调整到目标地物上，获得自主测绘机再次瞄准目标地物时的姿态数据，简称再次姿态，完成自主测绘机再次瞄准目标地物的任务；

3)再次测量目标地物，实现如下，

中央处理器28协同各相关工作单元再次测量目标地物，通过精密测距单元24再次测量并再次获得测站至目标地物之间的距离数据，简称再次距离；

中央处理器28根据再次距离、再次姿态和测站三维坐标数据解算出目标地物的三维坐标，简称再次坐标；

获取再次坐标的时间简称再次时间；

4)获得目标地物的位移矢量数据，实现如下，

起始坐标和起始时间、再次坐标和再次时间分别刻划了两个4维时空点，前者是在起始时间获得的目标地物三维坐标，后者是在再次时间获得的目标地物三维坐标；以前者为起点，后者为终点，获得目标地物在设定时间段内的位移矢量；

5)获得形变测量对象的形变数据，实现如下，

多个目标地物在设定时间段内的位移矢量构成的集合刻划了测量对象在设定时间段内的形变。

本发明提供的自主测绘机是一种自主测绘型地理信息机器人，可在白昼、夜视、中轻度雾霾条件下自主采集、处理多维动态地理信息。本发明公开的自主测绘型地理信息机器人具有四重优点：一是具有涌现性：机器人按操作员选中的需求项，在所有资源中自行组织形成具有相应功能的***。这些围绕需求形成的***使一机功能覆盖地理信息产业的多种应用，可广泛应用于摄影测量、工程测量、大地测量中的全部作业；对泥石流、雪崩、岩崩、山***移各类地质灾害的形变监测；对建筑物/大坝/闸门/桥梁/尾矿的形变、裂隙等各类工程灾害的监测；大范围快速测图、精确瞄准定位、远程目标识别、远程精确跟踪等各种地理信息产业类应用及其外延应用；二是低成本、高性价比；三是改变传统工作模式，获得高测量精度、大幅提高工效、降低劳动强度和成本；四是可针对用户需求进行个性化的简化、强化和延伸，演变出全新的产品系列。

附图说明

图1为本发明实施例自主测绘机的结构示意图；

图2为本发明实施例的自主测绘机轴系示意图；

图3为本发明实施例的通信原理图；

图4为本发明实施例的电路原理框图；

图5为本发明实施例的装配示意图。

具体实施方式

本发明是一种便携式野外工作站。为叙述准确，在本发明中将“道路”定义为：适于汽车行驶的地球陆地表面。将“野外”定义为：包含道路在内的地球陆地表面。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见图1、4，实施例提供的自主测绘机，包括测量机和姿态测控机。

测量机包括中央处理器28和分别与中央处理器28连接的红外激光光源1、多光成像单元9、精密测距单元24、远程测距单元25、高频测距单元26、偏心轮单元27、图像识别单元19、图像处理单元20、测量机电源单元29、人机交互单元30、存储单元35、全球定位单元36、通信单元37、光敏电阻75；

姿态测控机包括姿态测控处理器40，以及分别与姿态测控处理器40连接的仰俯姿态单元41、水平姿态单元56、航向姿态单元59和姿态测控机电源单元74，中央处理器28与姿态测控处理器40连接。

测量机与姿态测控机通过竖轴60、第一横轴42、第二横轴76、第三横轴80连接，并标定为一个多光同轴、多轴同心的整体。

所述多光同轴是指红外激光光源1的光轴、多光成像单元9的光轴、精密测距单元24的光轴、远程测距单元25的光轴、高频测距单元26的光轴，五者标定在同一轴线上。具体实施时，五者可以精密测距单元24的光轴为基准，在轴系标定意义下处于同一轴线上。以天文望远镜成像单元5的光轴为基准，其它4个工作单元的光轴均以此为准进行数据标定，实现整体测量结果上的四光同轴。

所述多轴同心是指竖轴60的中轴线、第一横轴42的中轴线、第二横轴76的中轴线、第三横轴80的中轴线、精密测距单元24的光轴、全球定位单元36天线相位中心点与竖轴60垂直于大地水准面时的中轴线之延长线相交形成的定位轴线，六者标定后相交于同一个空间点。

参见图2，所述竖轴60的中心轴线l₁与基准第一横轴42的中心轴线l₂、第二横轴76的中心轴线l₃、第三横轴80的中心轴线l₄的几何关系：l₁⊥l₂并交于空间点O(0,0,0)，远程测距单元25以精密测距单元24为基准标定在一起时，精密/远程测距单元的光轴与l₂交于空间点O；l₁⊥l₃并交于空间点O₁(0,0,h₁)，l₂//l₃且距离为h₁，高频测距单元26的光轴与l₃交于空间点O₃(x₁,0,h₁)并与O₁同在中心轴线l₃上，O₁与O₃之间的距离为x₁；l₁⊥l₄并交于空间点O₂(0,0,h₁+h₂)，l₃//l₄且距离为h₂，多光成像单元9以红外激光光源1为基准标定在一起时，红外激光/多光成像单元的光轴与l₄交于空间点O₂；

中心轴线l₁、l₂、l₃、l₄和空间点O、O₁、O₂、O₃都在同一个Π₁平面内，Π₁平面由l₁、l₂张成；Π₁平面与Π₂平面正交，Π₂平面是自主测绘机底座平面。

竖轴60的中轴线、第一横轴42的中轴线、第二横轴76的中轴线、第三横轴80的中轴线、精密测距单元24的光轴、全球定位单元36的天线相位中心与竖轴60延长线相交形成的定位轴线、空间点O1、空间点O2、空间点O3在轴系标定意义下相交于同一个空间点O(0,0,0)：精密测距单元24的质量中心与第一横轴42的中心轴线的交点O(0,0,0)是自主测绘机轴系的中心，所有相关工作单元的中心轴线和交点O1、O2、O3均以此为准进行数据标定，实现整体测量结果上的多轴同心。

自主测绘机实现了基于紧密物理结构的***硬件一体化，具体实施时，可根据应用在自主测绘机的所有资源中自组织形成相应的***满足需求。可预先设定程序，操作员在人机交互单元30的菜单上选中需求项后，中央处理器28根据设定的程序调用相关单元。

因此，本发明提供的自主测绘机是光机电一体化的复杂***(具有涌现性的***)，由基于底层结构的多***一体化构成。

多***系指如下15个***：

1)光机电一体化的具有高于0.1角秒分辨率的编码器***；

2)光机电一体化的具有0.1角秒精度的全自动姿态测控***；

3)全自动的快速变焦、调焦***；

4)全自动的光电转换与成像***；

5)全自动的三维影像(大地坐标下)成像***；

6)环境自适应与光源自动识别***；

7)白光/红外激光自动切换、联动调焦、自动成像***；

8)包含多种DSP在内的多核多接口高速嵌入式***；

9)北斗、GPS、GLONASS、伽利略一体化的全球定位***；

10)兼容多种测距方式的测距***；

11)图像识别***；

12)远程红外激光照明***；

13)包括舵机***在内的相关专用***；

14)包括各种公网通信、自组网通信在内的多网融合通信***；

15)承担云计算、云端库、调度、指挥、协同等项任务的后方数据中心。

基于底层结构的多***一体化系指：

1)基于芯片、DSP、模块的多元计算机硬件紧密物理结构的多***功能一体化；

2)基于多源数据融合的计算机软件的多***功能一体化；

3)基于光机电一体化的紧密物理结构的多***功能一体化；

4)基于上述三个一体化的光机电一体化；

5)基于多网融合通信的内业外业工作的一体化。

1.测量机

精密测距单元24系指测距精度为mm级的便携式小型激光测距装置，采用相位式测距方法。目前此类产品的最高水平是：无合作目标条件下的最大测程为1000米，使用反射棱镜合作目标条件下的最大测程为3000米—4000米；测距精度2-3mm+2ppm；

远程测距单元25系指测程超过10公里的便携式小型激光测距装置。一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离，精度通常为0.5m-5m。使用锂电池供电且满足野外便携条件的此类产品采用固体式和半导体式两种测距方法，已知的当前最高水平为：测程40，000米、测距精度5分米、测距频率15Hz；

高频测距单元26系指测距频率超过1000Hz的便携式小型激光测距装置，采用相位式测距。普通的高频测距激光器用于三维激光扫描，多用于几十米—200米距离内的近景激光扫描。以测程为第一指标的前提下，已知的当前最高水平为：最大测程2000米，测距精度厘米级，测距频率500，000Hz。

所述红外激光光源1包括红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5、第三电机7、第三驱动电路8和第三编码器6，红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5依次连接，第三电机7与红外激光调焦镜3、第三驱动电路8、第三编码器6分别连接，中央处理器28和泵浦电源5、第五驱动电路11、第三编码器6分别连接。

所述多光成像单元9包括第五编码器10、第五驱动电路11、第六蜗轮12、第六蜗杆13、第四电机14、物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18、第五蜗轮23、第五蜗杆31、第四编码器34、第五电机32和第四驱动电路33，物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18依次连接，第五驱动电路11、第四电机14、第六蜗杆13、第五编码器10依次连接，第六蜗杆13与第六蜗轮12啮合，第六蜗轮12连接调焦镜16，第四驱动电路33、第五电机32、第五蜗杆31、第四编码器34依次连接，第五蜗杆31与第五蜗轮23啮合，第五蜗轮23连接变焦镜组22，中央处理器28和第五驱动电路11、第五编码器10、第四编码器34、第四驱动电路33、双滤光片结构CCD模块18分别连接。

所述图像处理单元20用于判断成像所得图像是否清晰，图像处理单元20与中央处理器28、多光成像单元9分别连接。图像处理单元20是一个DSP，基于现有图像清晰判断技术实现，具体实施时，可分为三个部分：景物图像提取部分对景物图像进行RGB三色位图数据提取、图像灰度处理、滤波，搜索计算部分完成算子计算、边缘检测、获取图像值，图像清晰度判定部分用于比较得到图像值最大的电机位置。

全球定位单元36的模块和天线是北斗、GPS、GLONASS、伽利略4***一体化的定位装置，可同时利用4个天网定位；通信单元37支持3G、4G、自组网通信，包括3G/4G模块38和电台模块39，中央处理器28和3G/4G模块38、电台模块39分别连接。图像识别单元19可采用一个DSP实现，可参考现有图像识别技术。人机交互单元30一般包括键盘、触摸屏、鼠标，测量机电源单元29一般包括锂电池和充电电路、电源管理芯片。

中央处理器28可通过外设接口进一步扩展连接其他单元。

2.姿态测控机

姿态测控机由仰俯姿态单元41、航向姿态单元59、水平姿态单元56和姿态测控处理器40构成。水平姿态单元56、航向姿态单元59、姿态测控机电源单元74和姿态测控处理器40分别与姿态测控处理器40连接，中央处理器28与姿态测控处理器40连接。姿态测控机电源单元74一般包括锂电池和充电电路、电源管理芯片。

1)仰俯姿态单元41的工作***构成与精度控制：

仰俯姿态单元41由第一离合器43、第一机组44、第一编码器53、第一电机54、第一驱动电路55构成。

精度控制：第一机组44由第一同步带放大器45、第二蜗轮46、第一同步带轮47、第二蜗杆48、第二弹性机构49、第一蜗轮50、第一弹性机构51、第一蜗杆52构成。

第一驱动电路55、第一电机54、第一蜗杆52依次连接，第一蜗轮50和第一蜗杆52经第一弹性机构51啮合，第一蜗轮50和第二蜗杆48经第二弹性机构49啮合，第二蜗轮46和第二蜗杆48之间经第一同步带轮47传动，第二蜗轮46和第一编码器53之间经第一同步带放大器45传动，第二蜗轮46连接第一离合器43，第一离合器43闭合时连接第一横轴42，姿态测控处理器40和第一离合器43、第一编码器53、第一驱动电路55分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第一驱动电路55输出指令到第一电机54，第一电机54输出经第一机组44进行仰俯运动传动后所产生的运动结果依次经第二蜗轮46、第一同步带放大器45、第一编码器53、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取第一横轴42实际的位置到达数据。

使用可微调的第二弹性机构49使第一蜗轮50和第二蜗杆48在运行中始终全面啮合，令第一蜗轮50和第二蜗杆48构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

使用可微调的第一弹性机构51使第一蜗轮50和第一蜗杆52在运行中始终全面啮合，令第一蜗轮50和第一蜗杆52构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

第一同步带轮47的传动是由传动比为1：1的同步轮(可采用金属、高分子材料)+同步轮传动带(可采用橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第一同步带轮47的传动使第二蜗轮46和第二蜗杆48构成的蜗轮蜗杆机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

第一同步带放大器45的传动是由传动比为1：H的同步轮(可采用金属、高分子材料)+同步轮传动带(可采用橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第一同步带放大器45的传动使第二蜗轮46和第一编码器53构成的机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

当第一蜗杆52第一蜗轮50传动组的传动比为N且第二蜗杆48第二蜗轮46传动组的传动比为M时，第一机组44的传动比为N×M。此时若第一电机54对应一个脉冲信号的最大误差为h角秒，则横轴对应一个脉冲信号的最大误差为

(h/N角秒+a角秒+b角秒)/M+c角秒     (a)

上式中，a是第一蜗杆52与第一蜗轮50之间的机械间隙，第一弹性机构51使a的变化范围足够小；b是第一蜗轮50与第二蜗杆48之间的机械间隙，第二弹性机构49使b的变化范围足够小；c是第二蜗杆48与第二蜗轮46之间的机械间隙，实测数据证明第一同步带轮47可使c的绝对值趋于零。选定第一电机54并设定细分数之后h成为已知常量，故足够大的N和M就使得(a)式的绝对值充分小。实测数据证明，经过第一机组44的传动之后，第一电机54在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动误差被缩小了约N×M倍。这使得仰俯姿态的测控精度可达0.1角秒或更高(目前仰俯姿态测控的全球最高精度为0.5角秒，由瑞士徕卡公司的精密测量机器人创造并保持)。

2)仰俯姿态数据的读取：

第一电机54在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动误差被缩小了约N×M倍之后可达到误差小于0.1角秒的精度，这种精度远远超出绝大多数角度编码器的分辨率。

用第一同步带放大器45协助第一编码器53完成数据读取，可有效减少角度编码器对超高精度数据的读取难度并完全避免了为此而专门研制超高分辨率角度编码器所带来的一系列问题：第一机组44的运动结果由第二蜗轮46表达。第一同步带放大器45通过第二蜗轮46将第一机组44在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动结果放大H倍后传递给第一编码器53并经由第一编码器53转换为数字信号上传给姿态测控处理器40。姿态测控处理器40将所得运动结果数据除以H倍后得到第一横轴42真实的位置到达数据并将其上传给中央处理器28。

3)航向姿态单元59的工作***构成与精度控制：

航向姿态单元59由第二离合器61、第二机组62、第二编码器73、第二电机71、第二驱动电路72构成。

精度控制：第二机组62由第二同步带放大器64、第四蜗轮63、第二同步带轮65、第四蜗杆66、第四弹性机构67、第三蜗轮68、第三弹性机构69、第三蜗杆70构成。

第二驱动电路72、第二电机71、第三蜗杆70依次连接，第三蜗轮68和第三蜗杆70经第三弹性机构69啮合，第三蜗轮68和第四蜗杆66经第四弹性机构67啮合，第四蜗轮63和第四蜗杆66之间经第二同步带轮65传动，第四蜗轮63和第二编码器73之间经第二同步带放大器64传动，第四蜗轮63连接第二离合器61，第二离合器61闭合时连接竖轴60，姿态测控处理器40和第二离合器61、第二编码器73、第二驱动电路72分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第二驱动电路72输出指令到第二电机71，第二电机71输出经第二机组62进行航向运动传动后所产生的运动结果依次经第四蜗轮63、第二同步带放大器64、第二编码器73、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取竖轴60实际的位置到达数据。

使用可微调的第四弹性机构67使第三蜗轮68和第四蜗杆66在运行中始终全面啮合，令第三蜗轮68和第四蜗杆66构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

使用可微调的第三弹性机构69使第三蜗轮68和第三蜗杆70在运行中始终全面啮合，令第三蜗轮68和第三蜗杆70构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

第二同步带轮65的传动是由传动比为1：1的同步轮(可采用金属、高分子材料)+同步轮传动带(可采用橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第二同步带轮65的传动使第四蜗轮63和第四蜗杆66构成的蜗轮蜗杆机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

第二同步带放大器64的传动是由传动比为1：I的同步轮(可采用金属、高分子材料)+同步轮传动带(可采用橡胶、聚氨酯)构成。有时由于安装顺序的不同须加装张紧机构。第二同步带放大器64的传动使第四蜗轮63和第二编码器73构成的机构在运行中紧密啮合不产生间隙。

当第三蜗杆70第三蜗轮68传动组的传动比为R且第四蜗杆66第四蜗轮63传动组的传动比为S时，第二机组62的传动比为R×S。此时若第二电机71对应一个脉冲信号的最大误差为f角秒，则竖轴对应一个脉冲信号的最大误差为

(f/R角秒+d角秒+e角秒)/S+g角秒       (b)

上式中，d是第三蜗杆70与第三蜗轮68之间的机械间隙，第三弹性机构69使d的变化范围足够小；e是第三蜗轮68与第四蜗杆66之间的机械间隙，第四弹性机构67使e的变化范围足够小；g是第四蜗杆66与第四蜗轮63之间的机械间隙，实测数据证明第二同步带轮65使g的绝对值趋于零。选定第二电机71并设定细分数之后f成为已知常量，故足够大的R和S就使得(b)式的绝对值充分小。实测数据证明，经过第二机组62的传动之后，第二电机71在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动误差被缩小了约R×S倍。这使得仰俯姿态的测控精度可达0.1角秒或更高(目前航向姿态测控的全球最高精度为0.5角秒，由瑞士徕卡公司的精密测量机器人创造并保持)。

4)航向姿态数据的读取：

第二电机71在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动误差被缩小了约R×S倍之后可达到误差小于0.1角秒的精度，这种精度远远超出绝大多数角度编码器的分辨率。

用第二同步带放大器64协助第二编码器73完成数据读取，可有效减少角度编码器对超高精度数据的读取难度并完全避免了为此而专门研制超高分辨率角度编码器所带来的一系列问题：第二机组62的运动结果由第四蜗轮63表达。第二同步带放大器64通过第四蜗轮63将第二机组62在执行姿态测控处理器40指令的过程中产生的运动结果放大I倍后传递给第二编码器73并经由第二编码器73转换为数字信号上传给姿态测控处理器40。姿态测控处理器40将所得数据除以I倍后得到竖轴60真实的位置到达数据并将其上传给中央处理器28。

5)水平姿态单元：

水平姿态单元56由机械整平模块57和电子补偿模块58构成，姿态测控处理器40和电子补偿模块58连接。调整好机械整平模块57后，电子补偿模块58自动将水平姿态补偿到1角秒的精度并向姿态测控处理器40上传补偿后的水平姿态数据。

6)自主测绘机的基础三维姿态测控：

架设自主测绘机并调整好水平姿态单元56之后姿态测控机的仰俯角和航向角自动归零到位，自主测绘机进入工作状态。姿态测控处理器40上的设定程序使自主测绘机的仰俯姿态测控和航向姿态测控同步运行。

自主测绘机的仰俯姿态测控：中央处理器28向姿态测控处理器40发出将仰俯角转动到指定位置的指令，姿态测控处理器40开启第一驱动电路55使第一电机54转动，通过第一机组44的传动使第一横轴42向指定位置转动。第一机组44的传动使仰俯角以设定精度一次性到达指定位置。第一编码器53实时测量第二蜗轮46的运动到达位置并同步向姿态测控处理器40上传：第一编码器53测量第二蜗轮46的位置到达数据并上传至姿态测控处理器40，姿态测控处理器40据此精确推算出第一横轴42的位置到达数据并同步上传至中央处理器28。

自主测绘机的航向姿态测控：中央处理器28向姿态测控处理器40发出将航向角转动到指定位置的指令，姿态测控处理器40开启第二驱动电路72使第二电机71转动，通过第二机组62的传动使竖轴60向指定位置转动。第二机组62的传动使航向角以设定精度一次性到达指定位置。第二编码器73实时测量第四蜗轮63的运动到达位置并同步向姿态测控处理器40上传。姿态测控处理器40据此精确推算出竖轴60的位置到达数据并同步上传至中央处理器28。

中央处理器28与姿态测控处理器40之间的实时数据通信保证了测量机与姿态测控机的一体化。

7）整体轴系运动及装配

在姿态测控机中设置第三横轴80相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器81、第三离合器82、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21，中央处理器28、第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和第三离合器82依次连接，第三离合器82闭合时连接第三横轴80，第三横轴80、第七编码器81、中央处理器28依次连接；

在姿态测控机中设置第二横轴76相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器78、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79，中央处理器28、第一电机与驱动电路79、第一蜗轮蜗杆组77依次连接，第二横轴76、第六编码器78、中央处理器28依次连接。

姿态测控机设有音叉，参见图5音叉转动部分。中央处理器及其***电路可另外集成设置，而机械部分各轴装配如下：

1)竖轴60主航向运动

姿态测控机通过竖轴60与测量机连接，测量机及其所属单元的航向运动均由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

2)第一横轴42与精密测距单元24的质量中心的交点是轴系的中心

精密测距单元24的质量中心与第一横轴42的中心轴线的交点是自主测绘机轴系的中心：所有相关工作单元的中心轴线和轴线与轴线的交点均以此为准进行标定，实现多轴同心。

由精密测距单元24和远程测距单元25构成的组件通过第一横轴42与姿态测控机连接。该组件的仰俯运动由第一横轴42的转动产生，仰俯运动精度经由仰俯姿态单元41测控；该组件的航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

3)第二横轴76与高频摆动

第二横轴76用于支持轴上的高频摆动。高频测距单元26通过第二横轴76与姿态测控机的音叉连接。在图1所示的测量机实施例中：

使用高频测距单元26对点状目标测量距离(获取厘米级精度的距离数据)时，高频测距单元26的仰俯运动由第三横轴80的转动产生【第三横轴80通过同步连杆带动高频测距单元26运动】，仰俯运动精度经由第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81测控。其航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控；

使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，第二横轴76支持偏心轮单元27沿仰俯方向的高频摆动。高频测距单元26的仰俯运动由偏心轮单元27控制，仰俯运动精度由第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79、第六编码器78测控。航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度由航向姿态单元59测控。

4)第三横轴80与大质量组件的姿态运动

第三横轴80用于支持大质量组件的姿态运动。在图1所示的测量机实施例中，红外激光光源1和多光成像单元9是大质量部件(当测量距离超过25公里时远程测距单元25往往成为测量机中质量最大的部件)，两者构成的组件通过第三横轴80与姿态测控机音叉连接。该组件的仰俯运动由第三横轴80的转动产生，仰俯运动精度经由第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81测控。其航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

5)同步连杆

第三横轴80与高频测距单元26之间有一同步连杆：使用高频测距单元26对点状目标测距时，红外激光光源1、多光成像单元9和高频测距单元26通过同步连杆实现在仰俯角方向的同步联动。此时偏心轮单元27处于停止工作状态；使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时偏心轮单元27处于工作状态，此时同步连杆刹车，第三横轴80与高频测距单元26脱离联动，高频测距单元26在偏心轮单元27的带动下独立在第二横轴76上高频摆动。

3.自主测绘机的通信：

图3是自主测绘机的通信原理图，以下用从上往下分层的方式诠释。第一层：左边标示“全球定位卫星”的云朵表示用于全球定位的卫星群构成的天网，包含中国的北斗、美国的GPS、欧盟的伽利略、俄罗斯的GLONASS等可用资源。例如，GPS用于全球定位的卫星群含有26-30颗卫星(24颗运行、其它备份)，分6条轨道等。这24颗工作卫星就构成了GPS天网。同理表述北斗天网、伽利略天网和GLONASS天网。右边标示“遥感卫星”的云朵表示由各国、各种用于观测地球资源的RS卫星的可用资源(如航天遥感影像等)；第二层：左边为本专利技术的自主测绘机，右边为基准站。标有“自组网”字样的位于中间的闪电形符号表示自主测绘机之间通过自组网进行的无线通信，标有“地面RS数据”字样的位于两边的闪电形符号表示自主测绘机的地面遥感功能；第三层：地面通信网络。左边标有“有线/无线电话网”字样的云朵表示用于地面通话的电话网，其终端包含手机和座机。中间标有“无线Internet(2.5G/3G/4G)”字样的云朵表示无线数据网。右边标有“地面站”字样的云朵表示遥感卫星的地面站网络；第四层：地面通信网络的数据平台。标有“2.5G平台”、“3G平台”、“4G平台”、“RS数据平台”的方框分别表示2.5G无线数据通信平台、3G无线数据通信平台、4G无线数据通信平台和与各地面站连接的遥感数据平台；第五层：标有“有线Internet”字样的云朵表示通用的因特网，左边标有B/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以B/S方式收发信息的计算机服务器，右边标有C/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以C/S方式收发信息的计算机服务器；各层之间的通信符号：闪电形符号表示无线通信方式的数据链接，直线相连表示有线通信方式的数据链接。

4.自主测绘机功能实现方法

自主测绘机的实施方案可归纳为由全部芯片、电路、模块、工作单元构成的***围绕中央处理器28实现功能。自主测绘机的功能不是某个工作单元的固有功能或者某些工作单元功能的叠加，而是组织的结果：自主测绘机的功能是其所有芯片、电路、模块、工作单元、***软件按照计算机组成原理和多源数据融合原理组织产生的，是自主测绘机的***涌现性的结果。正如计算机的应用程序及其功能无法穷举那样，自主测绘机的功能也无法一一穷举。

自主测绘机功能实现方法：自主测绘机在物理上是光机电一体化的多元计算机***。其功能实现方法可归纳为在这样一个光机电一体化的多元计算机***上运行各种计算机应用程序。例如：运行“等高线程序”可获得基于实景影像的地形图；运行对“任意目标的跟踪测量程序”可获得对任意目标的跟踪测量功能；运行工程设计、工程放样、工程监理、工程运行、大地测量、工程测量、灾害监测、应急处理等领域中各种与时空相关的、根据具体需求而编写的应用程序，即可获得相应的功能。

基于以上技术方案，本发明实施例所提供的自主测绘机可以为空间测量领域带来多方面的改进效果，为便于理解本发明技术效果起见，提供本发明实施例的工作方式特点说明如下。1、将地理信息产业核心需求与全部应用融为一体统一解决：

自动同步获得目标三维大地坐标和目标影像、自动获得具有实地影像的地形图、自动获得大地坐标系下的三维影像、自动获得大地坐标系下的三维导航图；通过多***一体化和数据融合产生涌现性，通过涌现性衍生大量用户功能，用全新方法本质改进工作质量、广泛扩展地理信息产业类应用及其延伸领域应用。

2、自主适应工作环境，全天候工作：

自主实现全天候工作，在完全无光的夜晚、白天、轻度和中度雾霾的各种条件下自动获取目标景物影像并在其屏幕上清晰成像。快捷、准确、毋需人工介入。

3、自主适应工作对象、自主决定工作方式：

自行判断目标距离，自行决定精密空间测量工作模式、远程空间测量工作模式、高频空间测量工作模式，在自身工作能力的基础上自主实现针对具体工作目标的技术指标最优化。高效、准确、毋需人工介入。

4、自动精确瞄准，改变现行的人工瞄准工作方式，极大提高瞄准精度和效率：

摒弃基于望远镜的人工瞄准工作方式。在自主测绘机的显示屏上点击目标点，自主测绘机自动实现对目标点细部的光学、电子两级放大。再次点击两级放大后的目标点细部，自主测绘机以0.1角秒的精度自动瞄准目标。高效、准确。

5、自动遥测获取目标点的三维大地坐标，改变常规测量方式提高测量精度和工作效率、降低劳动成本和劳动强度：

点击屏幕上的任意点，自主测绘机自动瞄准、自动在1-5秒钟内获取/存储/显示该目标点在大地坐标系下的三维坐标。毋需合作目标、毋需人工瞄准、毋需人工跋涉到目标点上去架设仪器，直接遥测获取其视场及测距范围内任意目标点的三维大地坐标。测量精度和效率高于现行常规测量方式，劳动成本和劳动强度远低于现行常规测量方式。

6、全天候自动完成高密度形变监测，改善监测效果、提高效率降低成本：

常规GPS形变监测方式：在对象体(工程体、山体)上设置若干观测桩，将GPS定位仪置于观测桩上测量：一个桩监测对象体的一个点(桩少无法反映对象体的形变情况，桩多则成本过高)，无法设置观测桩的地方不能监测。

自主测绘机用于形变监测时的特征：

1)改变常规形变监测方式：

一台自主测绘机可在极短时间内全自动跟踪测量多个目标并长期连续重复；

2)极大提高监测点密度本质改善监测效果、高效率、低成本：

同等监测指标(精度、两次数据之间的时间段长度等)下，可抵数十(快形变，实时解算)、数百至上千台(慢形变，事后解算)mm级精度的GPS定位仪同时工作的效果。在极大提高监测点密度从而本质改善监测效果的同时极大地提高效率、降低成本；

3)不受限于观测桩和棱镜，可对其测距内的地物进行mm级精度的形变监测；

4)同步获取实时的现场图像；

5)自主测绘机形变监测***与现有精密测量机器人技术的区别：前者可在中轻度雾霾、白昼、夜晚条件下工作，以自然地物、人类建筑为被测目标；后者须要白昼晴好天气和良好能见度、以人工现场设置的棱镜为合作目标。

7、将物方三维大地坐标与物方影像融为一体，同步获取：

全自动地快速同步获取目标点的三维大地坐标和以该目标点为中心的目标点周边地物影像。

8、自主生成大地坐标系下的三维物方影像：

可在其获取的任何物方影像中自动生成大地坐标系下的三维坐标点阵云，密度可调。实现便携式单机的空间测量野外作业。

9、自主生成大地坐标系下的全景影像：

自动生成带有物方三维大地坐标的360°全景物方影像：多幅连续影像(视场可调且每幅影像的中心点带有物方三维大地坐标)的自动拼接、自动成像。实现便携式单机的空间测量野外作业。

10、野外测区布局：

在航空航天遥感影像或地形图上显示、规划已测/未测区域，进行野外测站位置布局。

11、自动生成等高线，自动生成带有实地影像的地形图：

根据测位布局完成野外各测位上的测量工作，自动拼接、实时成图。

12、自动生成测区三维导航图：

根据测位布局完成各测位上的野外摄影测量工作，自动拼接、实时成图。

13、多网融合通信，内业、外业一体化。

14、高精度的姿态测控：

航向角测控误差：0.1″；仰俯角测控误差：0.1″。

15、高精度的物方三维大地坐标：

无合作目标条件下，测距小于等于1，000m时测量精度可达mm级；有棱镜条件下，测距小于等于3，000m时测量精度可达mm级；

无合作目标条件下，测距小于等于25，000m时，测量误差为分米级；测距大于25，000m小于40，000m时，测量误差亚米级。

16、野外独立测成图***：

无需借助任何底图，独立完成野外地形图和野外三维导航图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，大地坐标系下的空间坐标数据与包含丰富属性信息的立体影像同时获得，外业与内业一体化，高效率高精度。

17、野外实景三维可视化的数据成果：

它以面状的方式采集大地坐标系下的野外地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像。

18、野外实景可量测影像与卫片/航片无缝链接：

形成野外实景可量测影像与卫片/航片无缝链接的新一代“天地一体化”野外地理信息***。

19、高精度的物方三维大地坐标：

将影响物方三维大地坐标测量精度的主要误差源考虑为测站定位误差、测站找北误差、姿态测量误差、成像误差、瞄准误差、距离测量误差的前提下，自主测绘机具有很高的测量精度。

测站定位误差：现有的差分定位技术可在1分钟内达到厘米级定位精度，30分钟内达到mm级的定位精度；

自主测绘机姿态测量误差：航向角测控误差小于等于0.1″、仰俯角测控误差小于等于0.1″；

自主测绘机的成像清晰度：按照自动成像方法和自动放大目标方法，可获得清晰的目标点详细资料影像；

自主测绘机的瞄准误差：按照自动成像方法和自动精确瞄准方法，可获得0.1″级的瞄准精度；

测站找北误差：跟踪测量机器人，在全球定位单元36和已知大地坐标点定位精度达到mm级且两者间距离大于500米时，三维姿态***的姿态测量精度、遥感成像清晰度和自动瞄准精度保证了采用定位找北方法的测站找北误差小于等于5″。

自主测绘机：无合作目标条件下，测距小于等于40，000m时，远程测距单元25测量误差分米级，这是最大的误差源；测距小于等于2，000m时，高频测距单元26测量误差厘米级，这是最大的误差源。测距小于等于1，000m时，精密测距单元24测量误差2mm+-2ppm，这是最大的误差源。

综上所述，自主测绘机在距离目标40公里时，遥测测量目标点三维大地坐标的精度可达亚米级；距离目标2公里内时，遥测测量目标点三维大地坐标的精度可达厘米级；距离目标1公里内时，自定义坐标下遥测测量目标点三维坐标的精度可达毫米级。

...................................................................................................，等等.

为便于实施参考起见，提供几种典型应用如下：

一、自主成像

本发明可实现自主成像，包括根据白光光通量，光敏电阻75发出信号控制中央处理器28关闭或打开泵浦电源5，对应白光光源或红外激光光源；成像结果由图像处理单元20判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器28打开泵浦电源5提供红外激光光源。可由中央处理器28、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29构成自主成像***，执行自主成像过程如下，

步骤1，进行成像光源初始选择，实现如下，

包括在白光光通量足以使双滤光片结构CCD模块18白光成像时，光敏电阻75的信号口处于闭合状态，中央处理器28关闭泵浦电源5，进入步骤2；白光光通量不足以双滤光片结构CCD模块18白光成像时，光敏电阻75的信号口处于常开状态，中央处理器28开启泵浦电源5，红外激光光源1照射目标，多光成像单元9接受自目标返回的红外激光，进入步骤4，

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下，

中央处理器28读取调焦镜16的调焦标定值驱动第四电机14依次到达各相应标定位置，在每个相应标定位置，白光信号经由多光成像单元9转换为数字信号后到达图像处理单元20，图像处理单元20获取图像值并比较，记录使图像值最大的第四电机14标定位置为使图像最清晰处；

中央处理器28对目标景物的所有图像值进行分析处理，

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于预设正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，进入步骤3；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q1大于预设正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，进入步骤4；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器28报警，停止流程；

其中，预设正实数Q1大于预设正实数Q2；

步骤3，基于白光光源的自动成像，实现如下，

首先进行自动调焦，中央处理器28向第五驱动电路11发出指令，使第四电机14、第六蜗杆13转动，第五编码器10实时记录第六蜗杆13的运动状态同步反馈给中央处理器28，中央处理器28算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆13转动到设定的位置并通过第六蜗轮12完成对调焦镜16的焦距调整；

然后进行自动成像，白光信号经过物镜15、调焦镜16和成像镜组17到达双滤光片结构CCD模块18，双滤光片结构CCD模块18将白光信号转换成数字信号后上传至图像处理单元20，图像处理单元20得到清晰的景物图像并上传至中央处理器28，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

步骤4，基于红外激光光源的自动成像，实现如下，

首先红外激光照射范围准确覆盖多光成像单元9的视场：

中央处理器28同时完成两项工作，一是自动变倍，包括开启第四驱动电路33，使第五电机32带动第五蜗杆31运动到Pi位置，第五蜗杆31带动第五蜗轮23使变焦镜组22将多光成像单元9的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第四编码器34将第五蜗杆31的实际到达位置上传给中央处理器28；二是视场与照射范围重合，包括向第三驱动电路8发出指令使第三电机7带动红外激光调焦镜3运动到Qi位置，使红外激光光源1的照射范围正好覆盖搜索多光成像单元9的视场；

其中，标定常数Pi是多光成像单元9的视场执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场，i=1,2,3,.....J，J为总类数，标定常数Qi是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜3处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合，Pi被标定后，Qi根据Pi标定；

然后进行自动成像，从目标景物返回的红外激光信号通过物镜15、调焦镜16、成像镜组17到达双滤光片结构CCD模块18，双滤光片结构CCD模块18将红外激光信号转换成数字信号后传至图像处理单元20，图像处理单元20得到清晰景物图像并上传至中央处理器28，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

二、自动测距和同步自动定姿

使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，可通过航向姿态单元59、偏心轮单元27、高频测距单元26同步工作，完成高频测距单元26在多光成像单元9视场内的扫描式自动测距，获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据，生成三维野外实景影像；通过设定姿态运动起止点位置，支持在任意界定工作范围或环绕测站360°的全景工作范围生成三维野外实景影像。

可由中央处理器28、偏心轮单元27、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79、第六编码器78、第二横轴76、高频测距单元26、姿态测控处理器40、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、姿态测控机电源单元74、图像处理单元20、光敏电阻75、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、全球定位单元36、通信单元37构成扫描式自动测距和同步自动定姿***，执行自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像，现场实时自动生成全景三维实景影像。

自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像的工作步骤如下：

1)任意界定工作范围

使用触摸画线(或点击屏幕)方法，在触摸屏显示的二维野外实景影像上勾勒任意形状的闭合曲线(或闭合折线)C，中央处理器28将C所包围的区域M界定为工作范围。偏心轮单元27按中央处理器28的指令界定高频测距单元26沿仰俯方向往复运动的起止点位置：将其在竖轴60的中轴线与高频测距单元26的光轴构成的平面内绕第二横轴76的中轴线往复运动的起止点位置全部落在闭合曲线(或闭合折线)C上；航向姿态单元59按中央处理器28的指令，连续转过以区域M的边界为起止点的航向角度；偏心轮单元27和航向姿态单元59的同步联动使得工作范围正好覆盖了区域M。

2)航向运动：中央处理器28指令姿态测控处理器40将航向角调整到起始位置并连续运动到停止位置。姿态测控处理器40通过航向姿态单元59执行并完成指令。

3)仰俯运动：中央处理器28指令偏心轮单元27将仰俯角的摆动幅度调整到从起始位置至停止位置所界定的范围，并带动高频测距单元26在所界定的范围内沿竖轴60的中轴线方向往复摆动。偏心轮单元27执行并完成指令：将仰俯角的摆动幅度锁定在从起始位置至停止位置所界定的范围，并将电机的单向连续转动转换为平滑的连续往复运动，带动高频测距单元26的激光发射管和激光接收管以高频测距单元26的质量中心为圆心、以所述摆动幅度为运动范围、在竖轴60的中轴线与高频测距单元26的光轴构成的平面内绕第二横轴76的中轴线往复运动。高频测距单元26同步工作，连续获取距离数据。

4)时间同步：以全球定位***时间为基准，航向姿态单元59、偏心轮单元27、高频测距单元26同步启动、同步工作、同步停止，完成高频测距单元26在多光成像单元9视场内的遍历式自动测距，在且只在任意指定的范围内获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据。

5)空间匹配：通过偏心轮单元27的机电工作原理、激光束在投影面上的落点位置、三维姿态数据和距离数据的时间同步三者之间的关系完成三维姿态数据和距离数据的空间匹配，在目标景物影像上生成三维大地坐标点阵云。

6)自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像

中央处理器28运行包括非线性K最近邻点算法在内的数据挖掘程序，在所述二维野外实景影像中利用已知的三维大地坐标点阵云向无三维大地坐标的点推算三维大地坐标，在区域M上获得三维野外实景影像。

现场实时自动生成全景三维实景影像的工作步骤如下：

1)全景图像的无重叠自动拼接

a.用高精度姿态测控保证两幅相邻图像中景物无重叠且自然连续：

按航向角完成环绕测站360°的第一轮二维野外实景影像拍摄：测量机按照自动成像方法获得第一幅二维野外实景影像；中央处理器28根据摄取第一幅影像的姿态数据算出摄取第二幅影像的航向角位置，并指令航向姿态单元59以0.1角秒的精度运动到位，获得第二幅影像；如此循环直到获得最后一幅影像。中央处理器28裁剪最后一幅影像中超出360°航向角的部分，获得环绕测站360°的二维野外实景影像。每两幅影像之间的拼接误差为0.1角秒。

变换仰俯角完成全景二维野外实景影像拍摄：若第一轮影像的仰俯角小于设定的仰俯角工作范围，中央处理器28指令仰俯姿态单元41将仰俯角调整至与第一轮影像相联接的第二轮影像拍摄的起始位置并完成第二轮拍摄，如此循环直到获得环绕测站360°的全景二维野外实景影像。每两轮影像之间的拼接误差为0.1角秒。

b.控制图像的边缘畸变：选择参数合适的双滤光片结构CCD模块18，使标定后的摄像头所拍摄图像的边缘畸变小于1%。

c.对相邻图像进行色彩均衡处理。

d.排列缩放图像数据，得到环绕测站360°的全景二维野外实景影像。

2)自动生成环绕测站360°的全景三维野外实景影像

中央处理器28同步完成四项工作：一是按照设定的仰俯角工作范围设置偏心轮单元27在仰俯角方向的运动起止位置，启动偏心轮单元27在指定范围内往复运动并同步向中央处理器28返回其仰俯姿态数据；二是开启高频测距单元26使其连续测距并同步向中央处理器28返回距离数据；三是开启航向姿态单元59使其连续转过360°并同步向中央处理器28返回航向数据；四是在环绕测站360°的全景二维野外实景影像上自动生成三维影像，得到环绕测站360°的全景三维野外实景影像。

三、自主测绘机的三维大地坐标自动遥测

三维大地坐标自动遥测***包含中央处理器28、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、远程测距单元25、精密测距单元24、第一横轴42、竖轴60、高频测距单元26、第二横轴76、全球定位单元36、通信单元37。

自动遥测，获取被测目标的三维大地坐标的工作步骤如下：

1)基于影像的自动精确瞄准：

用户可在触摸屏显示的二维野外实景影像中点击目标点，中央处理器28自动将多光成像单元9的视场调至最小，放大倍数达到最大，并在多光成像单元9获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上自动数码变焦放大(根据CCD和显示屏的分辨率标定数码变焦放大倍数)，获得光学/数码两级放大后的目标点清晰影像，用户可在其中选定被测目标。点击被测目标，仰俯姿态单元41、航向姿态单元59以0.1角秒的精度瞄准被测目标，并将所获之姿态数据上传给中央处理器28。

2)基于自动精确瞄准的自动测距：

中央处理器28启动远程测距单元25对被测目标进行距离测量，得到分米级精度的距离数据d，d大于2公里时直接采用d值；d小于2公里大于1公里时，中央处理器28启动高频测距单元26对被测目标进行距离测量，获得厘米级精度的距离数据；d小于1公里时，中央处理器28启动精密测距单元24对被测目标进行距离测量，获得mm级精度的距离数据。自动测距时，远程测距单元25、高频测距单元26、精密测距单元24的工作顺序可自由调整。

3)自动获取被测目标的三维大地坐标：

中央处理器28根据测站数据【设立测站时通过全球定位单元36自动定位获取的测站三维大地坐标数据、通过自动精确瞄准已知大地坐标点或另一个自主测绘机获取的测站正北方向数据、调整水平姿态单元56获取的测站水平姿态数据。下同。】和目标数据【对不同目标(或同一目标在不同时刻)：通过自动瞄准得到的航向和仰俯姿态数据、通过自动测距得到的测站至目标的距离数据。下同。】自动解算得到被测目标的三维大地坐标。

四、自主测绘机的移动目标跟踪测量

通过自动成像过程在搜索范围连续获取野外实景影像，通过图像识别单元19从野外实景影像中识别特定目标，并通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59跟踪特定目标。

移动目标跟踪测量***由中央处理器28、远程测距单元25、图像识别单元19、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、全球定位单元36、通信单元37、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、第一横轴42、竖轴60、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81、第三离合器82、第三横轴80构成。

自主跟踪测量移动目标的工作步骤如下：

1)自主搜索目标：

输入搜索范围后，中央处理器28协调相关工作单元同步工作：闭合第一离合器43、第二离合器61、第三离合器82，第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和航向姿态单元59带动红外激光光源1、多光成像单元9连续运动，循环覆盖搜索范围；红外激光光源1、多光成像单元9、图像处理单元20按自动成像方法，以每秒25-30幅的频率在搜索范围内连续获取野外实景影像。

2)自主发现、识别目标：

存储单元35中事先保存了包括多立面影像和各种识别特征在内的特定目标数据库。在图像识别单元19上运行图像识别程序，通过比对野外实景影像数据和特定目标数据的方法在野外实景影像数据中挖掘特定目标数据，发现和识别特定目标。图像识别单元19不能在规定时间内完成图像识别任务时，中央处理器28自行启动通信单元37链接后方数据中心，通过云计算和云端库完成图像识别任务。

3)自主跟踪瞄准目标：

中央处理器28以图像识别单元19提供的识别结果为跟踪对象，指令仰俯姿态单元41和航向姿态单元59带动红外激光光源1、多光成像单元9连续运动，使跟踪对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置，这就使多光成像单元9的光轴始终保持瞄准跟踪对象。仰俯姿态单元41和航向姿态单元59同步向中央处理器28反馈姿态数据。

4)基于跟踪瞄准的自主跟踪测距：

远程测距单元25对多光成像单元9瞄准的跟踪对象连续测距并同步向中央处理器28反馈距离数据。

5)自主跟踪测量：

中央处理器28根据测站数据和目标数据连续解算出特定目标(跟踪对象)的实时三维大地坐标。

6)对目标的重新锁定：

若多光成像单元9在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器28根据对特定目标三维大地坐标的跟踪测量数据推算其下一时刻可能出现的空间位置，通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59使红外激光光源1、多光成像单元9逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现。

7)同步数据传输：

中央处理器28通过通信单元37向后方数据中心或其它需要获知信息的设备同步传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

五、自主测绘机基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测

自主测绘机对选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，对各被测目标持续监测，包括在多个时间点获取被测目标的影像、瞄准被测目标时的姿态数据、测站至被测目标的距离数据、被测目标的三维坐标，得到形变测量对象的形变数据。

形变监测***由中央处理器28、精密测距单元24、图像识别单元19、图像处理单元20、多光成像单元9、红外激光光源1、光敏电阻75、人机交互单元30、测量机电源单元29、航向姿态单元59、仰俯姿态单元41、第一横轴42、竖轴60构成。

基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测的工作步骤：

1)自主测绘机学习形变测量对象

操作人员在触摸屏上选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标。中央处理器28协同各相关工作单元获取并存储每个目标点的相关信息，得到学习成果：带有中心点分划的被测目标影像数据(简称“起始影像”。)、瞄准被测目标时的姿态数据(简称“起始姿态”。)、测站至被测目标的距离数据(简称“起始距离”。)、被测目标的三维坐标(简称“起始坐标”。)、测量被测目标三维坐标的时间(简称“起始时间”。)。

2)自主测绘机再次瞄准目标地物

中央处理器28协同各相关工作单元按设定的时间间隔开始工作，完成4项任务：通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59将瞄准姿态调整到起始姿态；通过红外激光光源1、多光成像单元9、图像处理单元20再次获得带有中心点分划的目标地物影像数据(简称“再次影像”。)；通过图像识别单元19在起始影像中挖掘再次影像数据，使两个影像的中心点分划位置都在起始影像上出现；中央处理器28通过两个中心点分划在起始影像上的位置差计算得出再次瞄准目标地物的姿态调整参数，仰俯姿态单元41和航向姿态单元59按照姿态调整参数将瞄准姿态调整到目标地物上，获得自主测绘机再次瞄准目标地物时的姿态数据(简称“再次姿态”。)，完成自主测绘机再次瞄准目标地物的任务。

3)自主测绘机再次测量目标地物

中央处理器28协同各相关工作单元再次测量目标地物：通过精密测距单元24再次测量并再次获得测站至目标地物之间的距离数据(简称“再次距离”。)；中央处理器28根据再次距离、再次姿态和测站三维坐标数据解算出目标地物的三维坐标(简称“再次坐标”。)，获取再次坐标的时间(简称“再次时间”。)。

4)自主测绘机获得目标地物的位移矢量数据

起始坐标和起始时间、再次坐标和再次时间分别刻划了两个4维时空点：前者是在起始时间获得的目标地物三维坐标，后者是在再次时间获得的目标地物三维坐标；以前者为起点，后者为终点，获得目标地物在设定时间段内的位移矢量。

5)自主测绘机获得形变测量对象的形变数据

多个目标地物在设定时间段内的位移矢量构成的集合刻划了测量对象在设定时间段内的形变。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (13)

1.一种自主测绘机，其特征在于：包括测量机和姿态测控机，

测量机包括中央处理器(28)和分别与中央处理器(28)连接的红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、精密测距单元(24)、远程测距单元(25)、高频测距单元(26)、偏心轮单元(27)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、测量机电源单元(29)、人机交互单元(30)、存储单元(35)、全球定位单元(36)、通信单元(37)、光敏电阻(75)；

姿态测控机包括姿态测控处理器(40)，以及分别与姿态测控处理器(40)连接的仰俯姿态单元(41)、水平姿态单元(56)、航向姿态单元(59)和姿态测控机电源单元(74)，中央处理器(28)与姿态测控处理器(40)连接；

测量机与姿态测控机通过竖轴(60)、第一横轴(42)、第二横轴(76)、第三横轴(80)连接，并标定为一个多光同轴、多轴同心的整体，所述多光同轴是指红外激光光源(1)的光轴、多光成像单元(9)的光轴、精密测距单元(24)的光轴、远程测距单元(25)的光轴、高频测距单元(26)的光轴，五者标定在同一轴线上；所述多轴同心是指竖轴(60)的中轴线、第一横轴(42)的中轴线、第二横轴(76)的中轴线、第三横轴(80)的中轴线、精密测距单元(24)的光轴、全球定位单元(36)天线相位中心点与竖轴(60)垂直于大地水准面时的中轴线之延长线相交形成的定位轴线，六者标定后相交于同一个空间点；

所述竖轴(60)的中心轴线l₁与基准第一横轴(42)的中心轴线l₂、第二横轴(76)的中心轴线l₃、第三横轴(80)的中心轴线l₄的几何关系为，中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄平行，中心轴线l₁和中心轴线l₂构成的平面内，中心轴线l₁垂直于中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄；

姿态测控机通过竖轴(60)与测量机连接，竖轴(60)的转动产生测量机的航向运动；

由精密测距单元(24)和远程测距单元(25)构成的组件通过第一横轴(42)与姿态测控机连接，该组件的仰俯运动由第一横轴(42)的转动产生，该组件的航向运动由竖轴(60)的转动产生；精密测距单元(24)的质量中心与第一横轴(42)的中心轴线的交点是自主测绘机轴系的中心，是多轴同心的标定基准点；

姿态测控机设有音叉，由红外激光光源(1)和多光成像单元(9)构成的组件通过第三横轴(80)与姿态测控机的音叉连接，该组件的仰俯运动由第三横轴(80)的转动产生，航向运动由竖轴(60)的转动产生；高频测距单元(26)通过第二横轴(76)与姿态测控机的音叉连接。

2.根据权利要求1所述的自主测绘机，其特征在于：所述姿态测控机中，

所述仰俯姿态单元(41)包括第一离合器(43)、第一机组(44)、第一编码器(53)、第一电机(54)和第一驱动电路(55)，所述第一机组(44)包括第一同步带放大器(45)、第二蜗轮(46)、第一同步带轮(47)、第二蜗杆(48)、第二弹性机构(49)、第一蜗轮(50)、第一弹性机构(51)、第一蜗杆(52)，第一驱动电路(55)、第一电机(54)、第一蜗杆(52)依次连接，第一蜗轮(50)和第一蜗杆(52)经第一弹性机构(51)啮合，第一蜗轮(50)和第二蜗杆(48)经第二弹性机构(49)啮合，第二蜗轮(46)和第二蜗杆(48)之间经第一同步带轮(47)传动，第二蜗轮(46)和第一编码器(53)之间经第一同步带放大器(45)传动，第二蜗轮(46)连接第一离合器(43)，第一离合器(43)闭合时连接第一横轴(42)，姿态测控处理器(40)和第一离合器(43)、第一编码器(53)、第一驱动电路(55)分别连接；中央处理器(28)经姿态测控处理器(40)、第一驱动电路(55)输出指令到第一电机(54)，第一电机(54)输出经第一机组(44)进行仰俯运动传动后所产生的运动结果依次经第二蜗轮(46)、第一同步带放大器(45)、第一编码器(53)、姿态测控处理器(40)上传到中央处理器(28)，中央处理器(28)获取第一横轴(42)实际的位置到达数据；

设第一同步带放大器(45)的传动比为1：H，第一同步带放大器(45)通过第二蜗轮(46)将第一机组(44)在执行姿态测控处理器(40)指令的过程中产生的运动结果放大H倍后传递给第一编码器(53)，并经由第一编码器(53)转换为数字信号上传给姿态测控处理器(40)，姿态测控处理器(40)将所得运动结果除以H倍后得到第一横轴(42)真实的位置到达数据并上传给中央处理器(28)；

所述航向姿态单元(59)包括第二离合器(61)、第二机组(62)、第二编码器(73)、第二电机(71)和第二驱动电路(72)，所述第二机组(62)包括第二同步带放大器(64)、第四蜗轮(63)、第二同步带轮(65)、第四蜗杆(66)、第四弹性机构(67)、第三蜗轮(68)、第三弹性机构(69)、第三蜗杆(70)，第二驱动电路(72)、第二电机(71)、第三蜗杆(70)依次连接，第三蜗轮(68)和第三蜗杆(70)经第三弹性机构(69)啮合，第三蜗轮(68)和第四蜗杆(66)经第四弹性机构(67)啮合，第四蜗轮(63)和第四蜗杆(66)之间经第二同步带轮(65)传动，第四蜗轮(63)和第二编码器(73)之间经第二同步带放大器(64)传动，第四蜗轮(63)连接第二离合器(61)，第二离合器(61)闭合时连接竖轴(60)，姿态测控处理器(40)和第二离合器(61)、第二编码器(73)、第二驱动电路(72)分别连接；中央处理器(28)经姿态测控处理器(40)、第二驱动电路(72)输出指令到第二电机(71)，第二电机(71)输出经第二机组(62)进行航向运动传动后所产生的运动结果依次经第四蜗轮(63)、第二同步带放大器(64)、第二编码器(73)、姿态测控处理器(40)上传到中央处理器(28)，中央处理器(28)获取竖轴(60)实际的位置到达数据；

设第二同步带放大器(64)的传动比为1：I，第二同步带放大器(64)通过第四蜗轮(63)将第二机组(62)在执行姿态测控处理器(40)指令的过程中产生的运动结果放大I倍后传递给第二编码器(73)，并经由第二编码器(73)转换为数字信号上传给姿态测控处理器(40)，姿态测控处理器(40)将所得运动结果除以I倍后得到竖轴(60)真实的位置到达数据并上传给中央处理器(28)。

3.根据权利要求2所述的自主测绘机，其特征在于：

使用高频测距单元(26)对点状目标测量距离时，第三横轴(80)与高频测距单元(26)之间设置一同步连杆，高频测距单元(26)的仰俯运动由第三横轴(80)的转动产生，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器(81)、第三离合器(82)、第二蜗轮蜗杆组(83)、第二电机与驱动电路(21)，中央处理器(28)、第二电机与驱动电路(21)、第二蜗轮蜗杆组(83)和第三离合器(82)依次连接，第三离合器(82)闭合时连接第三横轴(80)，第三横轴(80)、第七编码器(81)、中央处理器(28)依次连接；高频测距单元(26)的航向运动由竖轴(60)的转动产生，此时偏心轮单元(27)处于停止工作状态；

使用高频测距单元(26)对三维面状目标进行扫描式测距时，偏心轮单元(27)处于工作状态，此时同步连杆刹车，第三横轴(80)与高频测距单元(26)脱离联动，高频测距单元(26)在偏心轮单元(27)的带动下独立在第二横轴(76)上高频摆动，高频测距单元(26)的仰俯运动由偏心轮单元(27)控制，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器(78)、第一蜗轮蜗杆组(77)、第一电机与驱动电路(79)，中央处理器(28)、第一电机与驱动电路(79)、第一蜗轮蜗杆组(77)依次连接，第二横轴(76)、第六编码器(78)、中央处理器(28)依次连接；高频测距单元(26)的航向运动由竖轴(60)的转动产生。

4.根据权利要求3所述的自主测绘机，其特征在于：所述测量机中，

红外激光光源(1)包括红外激光镜头(2)、红外激光调焦镜(3)、红外激光发生器(4)、泵浦电源(5)、第三电机(7)、第三驱动电路(8)和第三编码器(6)，红外激光镜头(2)、红外激光调焦镜(3)、红外激光发生器(4)、泵浦电源(5)依次连接，第三电机(7)与红外激光调焦镜(3)、第三驱动电路(8)、第三编码器(6)分别连接，中央处理器(28)和泵浦电源(5)、第五驱动电路(11)、第三编码器(6)分别连接；

多光成像单元(9)包括第五编码器(10)、第五驱动电路(11)、第六蜗轮(12)、第六蜗杆(13)、第四电机(14)、物镜(15)、变焦镜组(22)、调焦镜(16)、成像镜组(17)、双滤光片结构CCD模块(18)、第五蜗轮(23)、第五蜗杆(31)、第四编码器(34)、第五电机(32)和第四驱动电路(33)，物镜(15)、变焦镜组(22)、调焦镜(16)、成像镜组(17)、双滤光片结构CCD模块(18)依次连接，第五驱动电路(11)、第四电机(14)、第六蜗杆(13)、第五编码器(10)依次连接，第六蜗杆(13)与第六蜗轮(12)啮合，第六蜗轮(12)连接调焦镜(16)，第四驱动电路(33)、第五电机(32)、第五蜗杆(31)、第四编码器(34)依次连接，第五蜗杆(31)与第五蜗轮(23)啮合，第五蜗轮(23)连接变焦镜组(22)，中央处理器(28)和第五驱动电路(11)、第五编码器(10)、第四编码器(34)、第四驱动电路(33)、双滤光片结构CCD模块(18)分别连接。

5.根据权利要求4所述的自主测绘机，其特征在于：根据白光光通量，光敏电阻(75)发出信号控制中央处理器(28)关闭或打开泵浦电源(5)，对应白光光源或红外激光光源；多光成像单元(9)与图像处理单元(20)连接，成像结果由图像处理单元(20)判断图像清晰度，在白光光源下的成像结果达不到清晰度要求时，中央处理器(28)打开泵浦电源(5)提供红外激光光源。

6.根据权利要求5所述的自主测绘机，其特征在于：由中央处理器(28)、图像处理单元(20)、多光成像单元(9)、红外激光光源(1)、光敏电阻(75)、人机交互单元(30)、测量机电源单元(29)构成自主成像***，执行自主成像过程的工作步骤如下，

步骤1，进行成像光源初始选择，实现如下，

在白光光通量足以使双滤光片结构CCD模块(18)白光成像时，光敏电阻(75)的信号口处于闭合状态，中央处理器(28)关闭泵浦电源(5)，进入步骤2；白光光通量不足以双滤光片结构CCD模块(18)白光成像时，光敏电阻(75)的信号口处于常开状态，中央处理器(28)开启泵浦电源(5)，红外激光光源(1)照射目标，多光成像单元(9)接受自目标返回的红外激光，进入步骤4，

步骤2，白光光源下，对良好能见度及雾霾环境的自适应和成像光源的自主选择，实现如下，

中央处理器(28)读取调焦镜(16)的调焦标定值驱动第四电机(14)依次到达各相应标定位置，在每个相应标定位置，白光信号经由多光成像单元(9)转换为数字信号后到达图像处理单元(20)，图像处理单元(20)获取图像值并比较，记录使图像值最大的第四电机(14)标定位置为使图像最清晰处；

中央处理器(28)对目标景物的所有图像值进行分析处理，若图像值的最大值与最小值之差的绝对值大于预设正实数Q1，则判定测站处于良好能见度环境，进入步骤3；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q1大于预设正实数Q2，则判定测站处于中度或轻度雾霾环境，进入步骤4；

若图像值的最大值与最小值之差的绝对值小于预设正实数Q2，则判定测站处于重度雾霾环境，中央处理器(28)报警，停止流程；

其中，预设正实数Q1大于预设正实数Q2；

步骤3，基于白光光源的自动成像，实现如下，

首先进行自动调焦，中央处理器(28)向第五驱动电路(11)发出指令，使第四电机(14)、第六蜗杆(13)转动，第五编码器(10)实时记录第六蜗杆(13)的运动状态同步反馈给中央处理器(28)，中央处理器(28)算出脉冲修正值并据此发出下一指令，直到第六蜗杆(13)转动到设定的位置并通过第六蜗轮(12)完成对调焦镜(16)的焦距调整；

然后进行自动成像，白光信号经过物镜(15)、调焦镜(16)和成像镜组(17)到达双滤光片结构CCD模块(18)，双滤光片结构CCD模块(18)将白光信号转换成数字信号后传至图像处理单元(20)，图像处理单元(20)得到清晰的景物图像并上传至中央处理器(28)，完成基于白光光源的自动成像任务，结束流程；

步骤4，基于红外激光光源的自动成像，实现如下，

首先红外激光照射范围准确覆盖多光成像单元(9)的视场，由中央处理器(28)同时完成两项工作，一是自动变倍，包括开启第四驱动电路(33)，使第五电机(32)带动第五蜗杆(31)运动到Pi位置，第五蜗杆(31)带动第五蜗轮(23)使变焦镜组(22)将多光成像单元(9)的视场调整到执行第i类任务所需的大小，第四编码器(34)将第五蜗杆(31)的实际到达位置上传给中央处理器(28)；二是视场与照射范围重合，包括向第三驱动电路(8)发出指令使第三电机(7)带动红外激光调焦镜(3)运动到Qi位置，使红外激光光源(1)的照射范围正好覆盖多光成像单元(9)的视场；

其中，标定常数Pi是多光成像单元(9)的视场执行第i类任务时的视场，称为Pi成像视场，i＝1,2,3,.....J，J为总类数，标定常数Qi是与Pi一一对应的红外激光聚焦值，红外激光调焦镜(3)处于Qi位置时红外激光照射范围与Pi成像视场重合，Pi被标定后，Qi根据Pi标定；

然后进行自动成像，从目标景物返回的红外激光信号通过物镜(15)、调焦镜(16)、成像镜组(17)到达双滤光片结构CCD模块(18)，双滤光片结构CCD模块(18)将红外激光信号转换成数字信号后传至图像处理单元(20)，图像处理单元(20)得到清晰景物图像并上传至中央处理器(28)，完成基于红外激光光源的自动成像任务。

7.根据权利要求5所述的自主测绘机，其特征在于：通过航向姿态单元(59)、偏心轮单元(27)、高频测距单元(26)同步工作，完成高频测距单元(26)在多光成像单元(9)视场内的扫描式自动测距，获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据，生成三维野外实景影像；通过设定姿态运动起止点位置，支持在任意界定工作范围或环绕测站360°的全景工作范围生成三维野外实景影像。

8.根据权利要求7所述的自主测绘机，其特征在于：中央处理器(28)、偏心轮单元(27)、第一蜗轮蜗杆组(77)、第一电机与驱动电路(79)、第六编码器(78)、第二横轴(76)、高频测距单元(26)、姿态测控处理器(40)、航向姿态单元(59)、仰俯姿态单元(41)、姿态测控机电源单元(74)、图像处理单元(20)、光敏电阻(75)、多光成像单元(9)、红外激光光源(1)、光敏电阻(75)、人机交互单元(30)、测量机电源单元(29)、全球定位单元(36)、通信单元(37)构成扫描式自动测距和同步自动定姿***，执行自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像，通过全景图像的无重叠拼接现场实时自动生成全景三维实景影像；

所述自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像的工作步骤如下，

1)任意界定工作范围，实现如下，

在人机交互单元(30)的触摸屏显示的二维野外实景影像上勾勒任意形状的闭合曲线C，中央处理器(28)将C所包围的区域M界定为工作范围，偏心轮单元(27)按中央处理器(28)的指令界定高频测距单元(26)沿仰俯方向往复运动的起止点位置，包括将其在竖轴(60)的中轴线与高频测距单元(26)的光轴构成的平面内绕第二横轴(76)的中轴线往复运动的起止点位置全部落在闭合曲线C上；

航向姿态单元(59)按中央处理器(28)的指令，连续转过以区域M的边界为起止点的航向角度；偏心轮单元(27)和航向姿态单元(59)的同步联动使得工作范围正好覆盖了区域M；

2)同步测量，实现如下，

以全球定位***时间为基准，航向姿态单元(59)、偏心轮单元(27)、高频测距单元(26)同步工作，完成高频测距单元(26)在多光成像单元(9)视场内的扫描式自动测距，在且只在1)所界定工作范围内获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据；

所述航向姿态单元(59)进行航向运动，中央处理器(28)指令姿态测控处理器(40)将航向角调整到起始位置并连续运动到停止位置，姿态测控处理器(40)通过航向姿态单元(59)执行并完成指令；

所述偏心轮单元(27)进行仰俯运动，中央处理器(28)指令偏心轮单元(27)将仰俯角的摆动幅度调整到从起始位置至停止位置所界定的范围，并带动高频测距单元(26)在所界定的范围内沿竖轴(60)的中轴线方向往复摆动，高频测距单元(26)同步工作，连续获取距离数据；偏心轮单元(27)执行并完成的指令包括，将仰俯角的摆动幅度锁定在从起始位置至停止位置所界定的范围，并将电机的单向连续转动转换为平滑的连续往复运动，带动高频测距单元(26)的激光发射管和激光接收管以高频测距单元(26)的质量中心为圆心、以所述摆动幅度为运动范围、在竖轴(60)的中轴线与高频测距单元(26)的光轴构成的平面内绕第二横轴(76)的中轴线往复运动；

3)空间匹配，在目标景物影像上生成三维大地坐标点阵云；

4)自动生成任意形状、任意幅面大小的三维野外实景影像，包括由中央处理器(28)运行包括非线性K最近邻点算法在内的数据挖掘程序，在所述二维野外实景影像中利用已知的三维大地坐标点阵云向无三维大地坐标的点推算三维大地坐标，在区域M上获得三维野外实景影像；

所述现场实时自动生成全景三维实景影像的工作步骤如下，

中央处理器(28)同步完成四项工作，一是按照设定的仰俯角工作范围设置偏心轮单元(27)在仰俯角方向的运动起止位置，启动偏心轮单元(27)在指定范围内往复运动并同步向中央处理器(28)返回其仰俯姿态数据；二是开启高频测距单元(26)使其连续测距并同步向中央处理器(28)返回距离数据；三是开启航向姿态单元(59)使其连续转过360°并同步向中央处理器(28)返回航向数据；四是，在不同仰俯角，按航向角完成环绕测站360°的二维野外实景影像拍摄，通过无重叠拼接生成环绕测站360°的全景二维野外实景影像，在环绕测站360°的全景二维野外实景影像上自动生成三维影像，得到环绕测站360°的全景三维野外实景影像。

9.根据权利要求5所述的自主测绘机，其特征在于：由中央处理器(28)、图像处理单元(20)、多光成像单元(9)、红外激光光源(1)、光敏电阻(75)、人机交互单元(30)、测量机电源单元(29)、航向姿态单元(59)、仰俯姿态单元(41)、远程测距单元(25)、精密测距单元(24)、第一横轴(42)、竖轴(60)、高频测距单元(26)、第二横轴(76)、全球定位单元(36)、通信单元(37)构成三维大地坐标自动遥测***，执行自动遥测获取被测目标的三维大地坐标，

所述自动遥测获取被测目标的三维大地坐标的工作步骤如下，

1)基于影像的自动精确瞄准，实现如下，

在人机交互单元(30)的触摸屏显示的二维野外实景影像中点击目标点，中央处理器(28)自动将多光成像单元(9)的视场调至最小，放大倍数达到最大，并在多光成像单元(9)获取的高倍光学放大后的目标点实景影像上进行数码变焦放大，获得光学和数码两级放大后的目标点清晰影像，在其中选定被测目标；点击被测目标，仰俯姿态单元(41)、航向姿态单元(59)瞄准被测目标，并将所获航向姿态数据和仰俯姿态数据上传给中央处理器(28)；

2)基于自动精确瞄准的自动测距，实现如下，

中央处理器(28)根据距离采用远程测距单元(25)、高频测距单元(26)或精密测距单元(24)对被测目标进行距离测量，得到距离数据；

3)自动获取被测目标的三维大地坐标，实现如下，

中央处理器(28)根据测站数据和目标数据解算得到被测目标的三维大地坐标，所述目标数据包括1)所得航向姿态数据和仰俯姿态数据、2)所得距离数据。

10.根据权利要求5所述的自主测绘机，其特征在于：通过自动成像过程在搜索范围连续获取野外实景影像，通过图像识别单元(19)从野外实景影像中识别特定目标，并通过仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)跟踪特定目标。

11.根据权利要求10所述的自主测绘机，其特征在于：由中央处理器(28)、远程测距单元(25)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、多光成像单元(9)、红外激光光源(1)、光敏电阻(75)、人机交互单元(30)、全球定位单元(36)、通信单元(37)、测量机电源单元(29)、航向姿态单元(59)、仰俯姿态单元(41)、第一横轴(42)、竖轴(60)、第二蜗轮蜗杆组(83)、第二电机与驱动电路(21)、第七编码器(81)、第三离合器(82)、第三横轴(80)构成移动目标跟踪测量***，执行自主跟踪测量移动目标，

所述自主跟踪测量移动目标的工作步骤如下，

1)自主搜索目标，实现如下，

输入搜索范围后，中央处理器(28)协调相关工作单元同步工作，包括闭合第一离合器(43)、第二离合器(61)、第三离合器(82)，第二电机与驱动电路(21)、第二蜗轮蜗杆组(83)和航向姿态单元(59)带动红外激光光源(1)、多光成像单元(9)连续运动，循环覆盖搜索范围；红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、图像处理单元(20)按自动成像过程，在搜索范围内连续获取野外实景影像；

2)自主发现、识别目标，实现如下，

图像识别单元(19)通过比对野外实景影像数据和特定目标数据发现和识别特定目标；当图像识别单元(19)不能在规定时间内完成图像识别任务时，中央处理器(28)自行启动通信单元(37)链接后方数据中心，通过云计算和云端库完成图像识别任务；

3)自主跟踪瞄准目标，实现如下，

中央处理器(28)以图像识别单元(19)提供的识别结果为跟踪对象，指令仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)带动红外激光光源(1)、多光成像单元(9)连续运动，使跟踪对象的影像始终保持在野外实景影像中的分划中心位置，使多光成像单元(9)的光轴始终保持瞄准跟踪对象，仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)同步向中央处理器(28)反馈姿态数据；

4)基于跟踪瞄准的自主跟踪测距，实现如下，

远程测距单元(25)对多光成像单元(9)瞄准的跟踪对象连续测距并同步向中央处理器(28)反馈距离数据；

5)自主跟踪测量，实现如下，

中央处理器(28)根据测站数据和目标数据连续解算出跟踪对象的实时三维大地坐标；

6)对目标的重新锁定，实现如下，

若多光成像单元(9)在跟踪特定目标的过程中失锁，则中央处理器(28)根据对特定目标三维大地坐标的跟踪测量数据推算其下一时刻可能出现的空间位置，通过仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)使红外激光光源(1)、多光成像单元(9)逐次瞄准这些空间位置，等待特定目标的再次出现；

7)同步数据传输，实现如下，

中央处理器(28)通过通信单元(37)向后方数据中心或其它需要获知信息的设备同步传输特定目标的实时影像和实时三维大地坐标。

12.根据权利要求9所述的自主测绘机，其特征在于：对选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，对各被测目标持续监测，包括在多个时间点获取被测目标的影像、瞄准被测目标时的姿态数据、测站至被测目标的距离数据、被测目标的三维坐标，得到形变测量对象的形变数据。

13.根据权利要求12所述的自主测绘机，其特征在于：由中央处理器(28)、精密测距单元(24)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、多光成像单元(9)、红外激光光源(1)、光敏电阻(75)、人机交互单元(30)、测量机电源单元(29)、航向姿态单元(59)、仰俯姿态单元(41)、第一横轴(42)、竖轴(60)构成形变监测***，执行基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测，

所述基于野外地物影像、图像识别和三维坐标测量的形变监测的工作步骤如下，

1)学习形变测量对象，实现如下，

在人机交互单元(30)的触摸屏上选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，中央处理器(28)协同各相关工作单元获取并存储每个目标地物的相关信息，得到学习成果如下，

带有中心点分划的被测目标影像数据，简称起始影像；

瞄准被测目标时的姿态数据，简称起始姿态；

测站至被测目标的距离数据，起始距离；

被测目标的三维坐标，简称起始坐标；

测量被测目标三维坐标的时间，简称起始时间；

2)再次瞄准目标地物，实现如下，

中央处理器(28)协同各相关工作单元按设定的时间间隔开始工作，完成4项任务如下，

通过仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)将瞄准姿态调整到起始姿态；

通过红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、图像处理单元(20)再次获得带有中心点分划的目标地物影像数据，简称再次影像；

通过图像识别单元(19)在起始影像中挖掘再次影像数据，使两个影像的中心点分划位置都在起始影像上出现；

中央处理器(28)通过两个中心点分划在起始影像上的位置差计算得出再次瞄准目标地物的姿态调整参数，仰俯姿态单元(41)和航向姿态单元(59)按照姿态调整参数将瞄准姿态调整到目标地物上，获得自主测绘机再次瞄准目标地物时的姿态数据，简称再次姿态；

3)再次测量目标地物，实现如下，

中央处理器(28)协同各相关工作单元再次测量目标地物，通过精密测距单元(24)再次测量并再次获得测站至目标地物之间的距离数据，简称再次距离；

中央处理器(28)根据再次距离、再次姿态和测站三维坐标数据解算出目标地物的三维坐标，简称再次坐标；

获取再次坐标的时间简称再次时间；

4)获得目标地物的位移矢量数据，实现如下，

起始坐标和起始时间、再次坐标和再次时间分别刻划了两个4维时空点，前者是在起始时间获得的目标地物三维坐标，后者是在再次时间获得的目标地物三维坐标；以前者为起点，后者为终点，获得目标地物在设定时间段内的位移矢量；

5)获得形变测量对象的形变数据，多个目标地物在设定时间段内的位移矢量构成的集合刻划了测量对象在设定时间段内的形变。