全站儀各項(xiàng)新技術(shù)革新的應(yīng)用評(píng)述

景 琦

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

一、引 言

隨著光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和精密機(jī)械制造技術(shù)等新技術(shù)在全站儀中的應(yīng)用，全站儀逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。這些新技術(shù)有硬件的革新，也有軟件的升級(jí)換代，了解并掌握這些新技術(shù)，可以選擇合適的儀器，以提高測(cè)量精度、減輕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度以及拓展工作領(lǐng)域，從而更快更好地完成實(shí)際工作。

目前世界上比較專(zhuān)業(yè)的全站儀生產(chǎn)廠(chǎng)商有瑞士Leica公司，日本 Topcon、Sokkia公司，美國(guó)的Trimble公司等，這些全站儀在總體技術(shù)上有共通之處，新技術(shù)的發(fā)展也大同小異，為闡述方便，本文主要以L(fǎng)eica全站儀為主，簡(jiǎn)述其近幾年來(lái)所采用的新技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用。

二、全站儀的各項(xiàng)新技術(shù)

1．長(zhǎng)距離免棱鏡測(cè)距技術(shù)

在免棱鏡測(cè)距技術(shù)發(fā)明之前，全站儀發(fā)出的測(cè)距信號(hào)必須經(jīng)棱鏡反射，就是說(shuō)全站儀測(cè)量時(shí)，離不開(kāi)棱鏡的配合。但有些情況下目標(biāo)點(diǎn)上無(wú)法安裝棱鏡，如高聳建筑物或懸崖峭壁等人很難到達(dá)的點(diǎn)，物體表面測(cè)量不允許放置棱鏡，火災(zāi)、地震、洪水等自然災(zāi)害情況下有危險(xiǎn)的地方等，這就使全站儀的使用范圍受到了很大的限制。

免棱鏡測(cè)距技術(shù)，又稱(chēng)無(wú)棱鏡測(cè)距，是利用光照到物體表面會(huì)發(fā)生漫反射這一原理，通過(guò)測(cè)得的時(shí)間差計(jì)算得到待測(cè)距離。所以免棱鏡全站儀不需要棱鏡作為合作目標(biāo)就可以進(jìn)行測(cè)距，并且由于免棱鏡全站儀內(nèi)置可見(jiàn)紅色激光的指示器，因此它可以測(cè)量任何位置的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)便可測(cè)的目的，而且大大地減輕了測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而大大提高了測(cè)繪作業(yè)的效率。

目前大多數(shù)全站儀生產(chǎn)廠(chǎng)家都推出了帶有這一功能的全站儀，如Leica公司型號(hào)中帶有R的全站儀，Topcon公司的GPT系列全站儀，Nikon公司的NPL系列等。它們的區(qū)別在于測(cè)距的范圍和所能達(dá)到的測(cè)距精度，能否精確的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離免棱鏡測(cè)距是技術(shù)難點(diǎn)。Leica TM30全站儀是世界上最精密的全站儀之一，它的免棱鏡測(cè)距精度達(dá)到2 mm+2 ppm，測(cè)程是1000m。

2．ATR技術(shù)

絕大多數(shù)全站儀的操作均由測(cè)量員手工完成，其操作技能是通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐獲得的，測(cè)量精度與觀(guān)測(cè)員的操作技能有很大關(guān)系，并且這種操作勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，全站儀的使用范圍也受到極大限制。

ATR即自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，是智能全站儀所具有的一種識(shí)別系統(tǒng)。它的原理是在全站儀望遠(yuǎn)鏡里安裝了一個(gè)CCD陣列用于圖像處理。測(cè)量時(shí)，CCD光源自主發(fā)射一束紅外激光，與測(cè)量光束同時(shí)由棱鏡反射回來(lái)。專(zhuān)用分光鏡將反射回來(lái)的ATR光束與測(cè)距光束分離出來(lái)，引導(dǎo)ATR光束至CCD陣列上，形成光點(diǎn)，由內(nèi)置CCD相機(jī)接收，其位置以CCD相機(jī)的中心作為參考點(diǎn)來(lái)精確地確定。CCD陣列將接收到的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的影像，通過(guò)圖像處理算法，計(jì)算出圖像的中心，即棱鏡的中心，從而完成了自動(dòng)測(cè)量。圖1展示了ATR功能的測(cè)量過(guò)程。

全站儀運(yùn)用ATR功能精密測(cè)量的過(guò)程就是“粗瞄—搜索—鎖定—照準(zhǔn)—測(cè)量”的過(guò)程。即先手動(dòng)對(duì)目標(biāo)棱鏡粗略瞄準(zhǔn)，然后開(kāi)啟測(cè)量功能，ATR自動(dòng)搜索自定義窗口內(nèi)的目標(biāo)棱鏡，如果它探測(cè)不到棱鏡，它將從頭開(kāi)始搜索過(guò)程，即望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行螺旋式的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。一旦探測(cè)到棱鏡，望遠(yuǎn)鏡馬上停止運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)驅(qū)使望遠(yuǎn)鏡去接近棱鏡的中心，計(jì)算出十字絲中心與返回圖像中心的偏移值，給出改正后的水平和垂直角度讀數(shù)，得出測(cè)量值。

圖1 ATR功能的測(cè)量過(guò)程示意圖

ATR技術(shù)的問(wèn)世可以消除不同測(cè)量員的人為測(cè)量誤差，減少測(cè)量員的工作量，而且自動(dòng)掃描和識(shí)別棱鏡僅需要幾秒鐘到十幾秒鐘的時(shí)間，測(cè)量速度快，可以大大提高工作效率。目前Leica公司的ATR技術(shù)、Topcon公司的自動(dòng)跟蹤功能、Zeiss公司的磁驅(qū)伺服技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能。市場(chǎng)上主流全站儀的ATR工作范圍大多在200 m以?xún)?nèi)有效，Leica測(cè)量機(jī)器人TS30的ATR工作范圍達(dá)1000m，TM30運(yùn)用徠卡獨(dú)創(chuàng)的ATR技術(shù)，長(zhǎng)距離自動(dòng)精確照準(zhǔn)(ATR)在搜索和測(cè)量棱鏡時(shí)測(cè)程可到達(dá)市場(chǎng)無(wú)與倫比的3000 m且精度可達(dá)到毫米級(jí)。

3．超級(jí)搜索

具有ATR功能的全站儀，有的同時(shí)具有超級(jí)搜索功能。該功能由位于全站儀照準(zhǔn)部的激光發(fā)射器與光接收器聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)，搜索范圍默認(rèn)設(shè)置為水平360°，且與ATR功能類(lèi)似，可自定義搜索范圍。超級(jí)搜索激活后，儀器繞豎軸按順時(shí)針?lè)较蜓杆傩D(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)射器發(fā)出扇形激光，接收器將接收由棱鏡返回的信息。儀器發(fā)現(xiàn)棱鏡后立即停止水平轉(zhuǎn)動(dòng)并啟用ATR功能完成最終的照準(zhǔn)任務(wù)。

超級(jí)搜索系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)照準(zhǔn)和鎖定目標(biāo)棱鏡，測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)棱鏡時(shí)即使出現(xiàn)影響目標(biāo)通視的障礙物(如建筑、樹(shù)木、汽車(chē)等物體)，儀器也能鎖定目標(biāo)棱鏡，確保測(cè)量工作的正確進(jìn)行。在地形復(fù)雜的條件下作業(yè)時(shí)，測(cè)量人員只須注意腳下的路面，而不必太在意棱鏡的姿態(tài)。即使目標(biāo)棱鏡暫時(shí)失鎖，只須在鏡站方發(fā)出搜索指令，儀器便可快速地重新鎖定目標(biāo)。

目前Leica全站儀P系列、TS30、TM30、TS15均具有超級(jí)搜索功能，最大測(cè)程達(dá)300 m。索佳的旗艦產(chǎn)品測(cè)量機(jī)器人SRX也具有此功能。

4．圖像全站儀

圖像全站儀的出現(xiàn)是全站儀測(cè)量史上的又一重大技術(shù)革新，它拓寬了全站儀的功能，使測(cè)量過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單和直觀(guān)。

其最顯著的特點(diǎn)就是集成了圖像成像和處理系統(tǒng)，以L(fǎng)eica TS15i為例，在望遠(yuǎn)鏡筒前端集成了具廣角鏡頭的500萬(wàn)像素(2560像素×1920像素)數(shù)碼相機(jī)，從2m到最大測(cè)程，可自動(dòng)獲取照準(zhǔn)目標(biāo)視場(chǎng)內(nèi)的數(shù)碼影像，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。測(cè)量時(shí)，測(cè)量人員無(wú)需使用目鏡瞄準(zhǔn)，只需用全站儀內(nèi)置的相機(jī)向包含待測(cè)物體的方位拍照，輕點(diǎn)屏幕上顯示的目標(biāo)物體，儀器自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)物體方位，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量，工作即輕松完成。在對(duì)天頂附近的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，受儀器結(jié)構(gòu)以及空間位置影響，觀(guān)測(cè)往往非常吃力或者需要使用彎管目鏡。使用圖像測(cè)量全站儀，對(duì)準(zhǔn)天頂方向，目標(biāo)就顯示在屏幕上，輕輕點(diǎn)擊圖像上的目標(biāo)就可完成測(cè)量工作。

Leica TS11、TS15i和拓普康的GPT—7000i集成了廣角攝像頭，是比較有代表性的圖像全站儀。目前，圖像全站儀還是處于起步階段，技術(shù)上還有很大的上升空間，具有潛在的應(yīng)用前景。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文僅選擇近年來(lái)最具代表性的4項(xiàng)新技術(shù)加以論述，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，隨著光電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全站儀測(cè)量新技術(shù)必將不斷涌現(xiàn)。這就需要測(cè)繪工作者隨時(shí)掌握測(cè)繪儀器發(fā)展的動(dòng)態(tài)和信息，對(duì)于測(cè)量工作十分必要，也有利于行業(yè)的良性發(fā)展。

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