從徠卡全站儀發展歷程談未來全站儀發展趨勢

劉良富

中鐵隧道集團三處有限公司 廣東深圳 518052

摘要：在我國建設大潮的今天，全站儀在我國的工程建設、船舶制造、水壩檢測等重點的工程領域都有廣泛的應用。徠卡測量系統作為全球全站儀測量儀器行業的佼佼者，先后推出了4代產品，分析這幾代全站儀測量系統可以梳理出全站儀的發展歷程，本文著重分析了徠卡各代的產品的分類及性能，并對其進行分析總結，同時預測未來全站儀測量系統的發展趨勢。

關鍵詞：徠卡；全站儀；發展趨勢

導言

在我國建設大潮的今天，全站儀在我國的地鐵建設、船舶制造、水壩檢測等重點的工程領域都有廣泛的應用。徠卡測量系統作為全球全站儀測量儀器行業的佼佼者先后推出了4代產品，分析這幾代全站儀測量系統可以梳理出全站儀的發展歷程，同時可以預測未來全站儀測量系統的發展趨勢。

1 全站儀綜述

在經典測量中，人們把快速測量距離和方位計算待定點座標的方法稱為速測法，或稱速測術（Tachymetry）。而把用于這類快速測量的儀器稱之為速測儀（Tachymeter）。全站儀，即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。

與光學經緯儀比較，全站儀將光學度盤換為光電掃描度盤，將人工光學測微讀數代之以自動記錄和顯示讀數，使測角操作簡單化，且可避免讀數誤差的產生。電子經緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數據通訊功能，進一步提高了測量作業的自動化程度。

圖1 徠卡TPS1200系列全站儀結構圖[1]

2 徠卡歷史

2.1 徠卡公司發展歷史

徠卡測量系統，總部位于瑞士Heerbrugg，擁有近200年的歷史。徠卡測量系統隸屬瑞典海克斯康集團。

1819年，在瑞士Aarau成立Kern公司；1921年，在瑞士Heerbrugg創立Wild公司；1986年，與德國Leitz合并，成為Wild Leitz集團；1988年，Wild Leitz收購瑞士Kern公司；1990年，與英國Cambridge儀器公司合組Leica集團。

2.2 徠卡全站儀發展史

徠卡公司于1994年推出了TPS全站儀定位系統的概念。“TPS” 中的“T”是速測儀（Tachymat）、全站儀（Total station）中的字頭，定位系統（Positioning System）的縮寫。

表1 徠卡全站儀發展史

Table.1 The history of Leica total station

年份事件典型儀器性能特點實物圖

1921年全球第一臺光學經緯儀T2T2

1969年全球第一臺紅外測距儀DI10DI10

1977年全球第一臺全站儀TC1TC1

1982年全球第一臺信息化的電子經緯儀T2000/TC2000單軸補償

彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

1986年T3000系列T3000/TM3000雙軸補償

彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

1988年全球第一臺馬達電子經緯儀TM3000VTM3000V馬達驅動

CCD自動照準

自動調焦

1990年TC1610TC1610·雙軸補償

·菜單功能鍵操作

1994年TPS1000/2000系列TPS1000雙軸補償

軟功能鍵操作（圖標操作）

自動目標識別

開放的測量世界

1996年全球第一臺測量機器人TCA1800TPS1000系列1″級測量機器人

1998年推出了TPS2000系列的TCA2003TCA20030.5″級測量機器人

1999年全球第一臺具有同軸無反射棱鏡測距功能的全站儀TPS1100無合作目標測距

紅色激光測距

2004年TPS1200系列TPS1200超級搜索功能

遙控測量功能

2007年TPS1200+系列TPS1200+全系列56種產品

2008年9月TS02/06/09系列TS02/06/09用于替代TPS1200系列

2009年12月TS30超高精度全站儀TS30/用于替代TPS2000系列

2011年11月TS11/TS15系列TS11/TS15導向光（EGL）功能

自定義熱觸發鍵

四重角度探測

2013年TS50系列全站儀TS50徠卡最新產品

3 徠卡全站儀系列概述

3.1徠卡各精度系列全站儀

徠卡全站儀產品一般分為四個類型，精度及性能由高到低依次為：精密監測全站儀、專業測量全站儀、測量工程全站儀和建筑工程全站儀四個大的類型。

圖2 徠卡各性能全站儀分類

Fig.2 The performance of Leica total station instrumen

徠卡全站儀各精度系列每隔幾年就要更新換代，在數十年的歷程中，精密系列中徠卡已相繼推出了4代產品。各精度系列詳見表2：

表2 徠卡全站儀各精度系列年代

Table.2 The performance of Leica total station instrumen

全站儀系列上市時間 早 → 晚

精密工程系列T2000T3000TPS2000TS30

專業測量系列TPS1000TPS1100TPS1200TS11/15

測量工程系列TPS600TPS700TPS800TS02/06/09

建筑工程系列TPS100TPS300TPS400TPS500

3.2 徠卡TPS標志

徠卡將字母“TPS”緊跟序列編號作為其全站儀產品系列的標志。每一種系列都有不同類型的儀器，每一種類型又具有多種等級精度的產品。每一系列中儀器的精度從其編號上就可以看出來。[2]

3.3 徠卡TPS全站儀系列字符含義

徠卡TPS全站儀系列編號分為前綴+數字+后綴組合，前綴及后綴含義具體參見表3及表4：

表3 徠卡全站儀各機型前綴[3]

Table.3 Prefix of Leica total station instrument

英文縮寫中文

TC標準全站儀

TCM馬達驅動全站儀

TCR無反射棱鏡全站儀

TCRM無反射棱鏡、馬達驅動全站儀

TCRA無反射棱鏡、自動跟蹤全站儀

TCA馬達驅動、自動跟蹤全站儀

TDM馬達驅動、工業測量全站儀

TDA馬達驅動、自動跟蹤、工業測量全站儀

表4 徠卡TPS全站儀系列字符含義

Table.3 Character meaning of Leica TPS total station instrument

英文縮寫對應英文對應中文

DDistancer/Distomat測距儀

IInfra-red紅外光

TTheodolite經緯儀、全站儀

CClassical典型的、標準的

MMotorized馬達驅動

RReflectorless無反射棱鏡

AAutomatic自動目標識別

PPower Search超級搜索

3.4 1994年推出的TPS1000及1998年推出的TPS1100系列

徠卡全站儀如TPS1000系列，1100/1500/1700…，數字越大，精度越高，TPS300/700/1100系列則是以編號末位來表征其測角精度等級的，末位數越大，精度越低，如307就比302精度低。[4]

3.5 2004年推出的TPS1200系列

以現在階段最常用的、機型最多的TPS1200系列為例，同代型號后兩位顯示測角精度，即12XX，如1203，即為1200系列3″精度的全站儀。

3.6 徠卡全站儀在2009年至今，即TS系列

在2009年以后推出的TS02/06/09、TS11/15、TS30/50系列中，同一型號一般有多種測角精度，一般人為習慣寫為TS06-02，即TS06系列2″精度的全站儀。

4 徠卡全站儀系列精度

全站儀的精度也是指角度，是通過一測回測量，來決定儀器的精度，跟經緯儀一樣的。

圖2 扇區式編碼度盤 圖3 條碼式編碼度盤

徠卡全站儀測角精度范圍從0.5″到10″，一般同一系列有不同的精度，同一精度內又有不同的類型的產品。

5 徠卡同系列不同類型產品及最新性能

5.1 TPS1200系列的種類

每一種TPS系列里的產品，盡管類型、精度方面，也許會有些不同，但其用戶界面、整體外觀、鍵盤布局等方面幾乎一樣。內部結構除了度盤陣列數有區別外，基本上也相同。這樣就極大地方便了生產、使用、升級、培訓和維修。以徠卡全站儀前幾年市場上產品類型最廣的1200系列為例，1200單系列可提供56個型號的全站儀。

5.2 徠卡TS系列的最高參數

當前高端的全站儀工作站已達到集成了高精度全站儀技術、高速3D掃描技術、高分辨率數字圖像測量技術、自動識別監測技術，類如新一代超高精度全站儀徠卡TS50、精密監測機器人徠卡TM50、綜合測量工作站徠卡MS50，各項性能指標分別達到：

（1）圓棱鏡模式測量距離可達10000米，測距精度可達0.6mm + 1ppm；

（2）免棱鏡模式測量距離可達2000米，免棱鏡單次測量用時1.5秒，

（3）自動目標識別功能（ATR模式）：通過全站儀內部的高分辨率CMOS攝像頭，拍攝捕捉棱鏡回光的光強點（棱鏡中心），然后自動定位儀器照準棱鏡中心，ATR自動照準范圍圓棱鏡下可達3500米。

（4）LOCK功能，即可對單一目標實時跟蹤并鎖定目標連續測量，跟蹤模式可達800米；

（5）超級搜索能達到在300米的距離典型時間達到5s；

（6）500萬像素CMOS傳感器，全景圖像攝影可達每秒20幀；

（7）望遠鏡視場范圍可達1o30′；望遠鏡小視場角，指全站儀識別兩相鄰棱鏡的最短距離，即距離分辨率，最短距離在200米處為0.3米，轉化成識別棱鏡的最小角度是5.16′。

6.徠卡全站儀操作系統及二次開發軟件

徠卡全站儀的軟件系統主要包括：全站儀系統軟件、全站儀應用程序庫、全站儀其它工具類軟件（如SurveyOffice）等。全站儀操作系統軟件類似于計算機的Windows或者mac操作系統，是全站儀的底層核心軟件，管理和調用全站儀的測量、顯示、記錄、鍵盤操作等所有功能。[5]

6.1 操作系統軟件

全站儀作為高集成化、高智能化的工程儀器，受其設計工藝和生成水平的影響外，其搭載的操作系統也同樣影響著全站儀的整體性能。徠卡全站儀所使用的幾種操作系統軟件如表7所示：

表5 徠卡全站儀系統軟件

Table.5 Systems software of Lecia

操作系統啟用時間系列備注

MS-DOS1982年TC2000英文界面

VxWorks2004年1200實時，中文可選

WindowsCE 5.02008年TS02-09實時，微軟產品

WindowsCE 6.02009年TS30實時，微軟產品

6.2 二次開發軟件

徠卡測量系統為滿足高級用戶復雜測量工作的需要，提供了一些選配應用程序，用戶可利用這些軟件開發工具，自主開發一些應用程序。徠卡公司提供的開發工具有：

（1）適合于電子手簿開發的徠卡全站儀鍵盤在線控制程序TPS-Online；

（2）適合徠卡TPS1000/1100及更高系列的機載軟件開發的GeoBASIC；

（3）適合徠卡TPS1000/1100及更高系列計算機遠程控制程序開發的GeoCOM；

（4）適用于徠卡全站儀和計算機之間進行軟件和數據交換的工具軟SurveyOffice；

（5）以及Infinity辦公軟件、Cyclone掃描軟件、針對AutoCAD軟件的MutiWorx插件及GeoMoS變形監測軟件等。

徠卡測量系統提供了兩種編程工具：一類是用GeoBASIC編程工具編寫，可以上傳到全站儀中使用，屬于機載軟件，用戶可根據自己的工作需要，自行開發編寫自己的程序，這類軟件功能相應簡單一些。另一類是使用GeoCOM指令，在計算機上應用VB、VC++語言編程，控制TCA全站儀自動化工作。

7 全站儀未來發展趨勢

通過以上對徠卡全站儀系統的梳理，分析出未來全站儀測量系統應有一下幾個發展趨勢：

7.1集成化、模塊化

現在高技術產品普遍實行高度的集成化，未來的全站儀工作站將通過集成各個功能模塊，組合成超站儀，同時擁有多種功能，以提高使用率。例如整合圖像技術，通過內置數碼相機實時記錄觀察情況；通過通信模塊，實時與其他移動終端互享數據；通過集成GPS模塊，多種功能組合。通過選裝不同的功能模塊

7.2數據實時化

現代測繪工作要求全站儀應具有實時處理數據的功能，可以實時與手簿實時傳輸數據并能通過手簿遙控操作。這樣即提高數據效率直接根據測量結果進行后續工作，又能減小人員操作對全站儀的精度影響。

同時基于無線局域網技術，可以將全站儀的實時數據在局域網中共享，全站儀主機、工作手簿、其他局域網終端三者之間數據實時互傳，這樣大大提高實時工作效率。

7.3平臺開放性

現代工程建設中，測量設備、工程軟件日益流行，各種測量設備互相配合，各種工程軟件互相滲透、這就需要全站儀系統提供一個高度開放性的軟件平臺，通過這個平臺將各種儀器設備采集的數據和各種工程軟件計算得出數據進行交換和共享，同時便于二次開發，以提高測繪工作的效率和進度。

7.4高度的人機交互性及無人值守化

在當今科技高速發展的今天，人機交互性越來越被重視，未來的全站儀系統將可能朝著更智能的人機操作發展，例如語言智能化，通過語言識別技術操作；通過手簿及可穿戴智能設備，操作人員可遠程遙控操作全站儀系統。全站儀測量機器人在無人值守的情況下，通過無線網絡及遠程操作，執行內置常規和非常規的監測、測量工作。

總結

本文首先分析了作為測量儀器行業內的佼佼者的徠卡全站儀系統的發展歷程，論述了各代的主要性能指標，并從產品分類、精度性能、軟件平臺幾個方面進行了總結，同時預測未來全站儀測量系統高度集成模塊化、數據實時化、平臺開放性、高度的人機交互性及無人值守化幾個發展趨勢。通過本文為工程測量、測繪從業人員梳理出一個全站儀測量系統的框架，為日后的工作、學習提供一些借鑒。

參考文獻：

[1]徠卡TPS1200全站儀使用說明書

[2]徠卡公司.徠卡測量系統2009綜合樣本.2009 Licia.Leica measurement system with 2009 synthetic samples.2009

[3]蔡曉江.Win全站儀的歷史與影響[J]，測繪與空間地理信息，30卷2期，2007，P155-156 Cai Xiaojiang.The history and the effect of Win total station[J]，Surveying and spatial information，30 Volume 2 issue，2007，P155-156

[4]上海同徠測量技術有限公司.徠卡全站儀培訓教材.2012.09

[5]蔡曉江.Win全站儀的歷史與影響[J]，測繪與空間地理信息，30卷2期，2007，P155-156 Cai Xiaojiang.The history and the effect of Win total station[J]，Surveying and spatial information，30 Volume 2 issue，2007，P155-156

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的治理上，并取得了成效。在客戶抱怨工單中，第四季度涉及到臺區跳閘停電的工單為0宗，有關此類抱怨已得到有效的控制。

2.對10個臺區的負荷率變化進行監測，發現在安裝智能終端斷路器并進行用電負荷管控后，10個臺區的負荷率都有不同程度的提高。臺區的負荷變化情況見以下統計表。

表2智能終端斷路器運行效果分析表

臺區變壓器容量（kVA）安裝前負荷率（%）安裝后負荷率（%）負荷率變化

厚福房地產公用箱變變壓器63056/147=38.1%47/108=43.5%5.40%

珠江新村公用臺變31523/63=36.5%21/53=39.6%3.10%

珠江村公用臺變500164/373=44%161/344=46.8%2.80%

四甲村公用臺變630104/303=34.3%106/306=34.6%0.30%

上倚村公用臺變50048/189=25.4%44/172=25.6%0.20%

良江村公用臺變315124/336=36.9%123/299=41.1%4.20%

表2續

金暉路#3公用配電站變壓器500110/208=52.9%130/229=56.8%3.90%

金貿東路#1公用臺變50087/185=47%81/170=47.6%0.60%

金一村一甲經濟#2公用臺變31545/192=23.4%48/202=24%0.60%

黃江村公用臺變315108/358=30.1%106/323=32.8%2.70%

以厚福房地產公用箱變變壓器為例，在安裝智能終端斷路器之前，在9月份其平均負荷為56kW，最大負荷為147 kW，負荷率為38.1%；安裝智能終端斷路器后，其平均負荷為47 kW，最大負荷為108kW，負荷率為43.5%，負荷率提升了5.4個百分點。基本上達到了削峰填谷的效果。下圖為兩個月的負荷曲線圖對比。

九、結論

基于需求側管控構建的智能臺區用電監控系統，是以分界負荷開關、框架斷路器、分時段智能斷路器組成的通訊控制網絡，通過對臺區內的各類負荷進行智能監控，利用現代化的通訊網絡進行數據采集、存儲、分析和預測。在采用計算機網絡技術、通訊技術，傳感器技術、分布式信息處理技術、無線傳感網絡技術等國內外先進成熟技術的基礎上，研發符合專網標準的配電通訊軟件，允許用戶根據具體的情況來設置各種保護整定參數，具有自檢測功能和報警功能，同時提供網絡通信接口，方便和計算機進行通信。構建滿足電力生產管理服務需求的配電專用智能臺區管理系統，為組建智能電網、實現電力系統智能化管理打下基礎。

在現有電網供電能力下最大限度滿足用戶用電需求，減少變壓器備用容量、提高線路過載能力，達到移峰填谷、均衡負荷的良好效果，從而大幅度提高電能利用率，有效地減少了資源消耗、環境污染和資金的投入，進而實現供需資源的協同優化整合。