全站儀二次開發技術在工業測量中的應用研究

王 智，邵成立，于宗偉

(青島市勘察測繪研究院，山東青島266032)

一、引 言

在工業制造領域，常常需要在現場實時獲取構件上特定點的三維坐標并及時獲取相關幾何參數。如在船舶制造中，檢測人員需實時獲取船體分段平整度、沖視角度等幾何信息;在送變電施工中，需要進行兩根電桿間的弧垂測量和弧線測量;在儲油罐的使用過程中，需要定期測量油罐的罐壁傾斜度、浮盤水平度及不均勻沉降;在大型工業構件生產車間，測量人員需要獲取構件的尺寸與設計數據的偏差。在傳統工業制造作業中，檢測人員主要使用游標卡尺、水準儀、激光測距儀等設備獲取構件的空間數據，滯后的數據處理嚴重影響了生產效率。

隨著全站儀及光電技術的發展，越來越多的企業選擇全站儀來進行工業測量，通過全站儀自身的測量功能，如對邊測量、點投影等，測量人員可以實時方便地獲取構件的空間幾何信息。但仍有許多工況的數學模型需要大量的后處理時間，如空間擬合、坐標轉換、容積計算等。本文探討了工業測量坐標系的實現算法，并通過全站儀機載程序等二次開發方式研發了若干工業測量軟件，并在一些企業中得到了成功應用。

二、工業測量坐標系

1．X軸點1—點2，Y軸點3坐標系

在工業構件檢測過程中，常常需要以構件上特定的特征線作為基線或以特定的平面作為基面建立空間三維直角坐標系，如在船舶等工業制造領域，測量船臺上分段的幾何尺寸時需要以船臺的中線為坐標軸建立坐標系，測量船舶艏艉分段的半寬時就需要以分段的底面為坐標面建立坐標系，建立適當的坐標系可以方便檢測人員從測量點的三維坐標數據中直接獲取分段的空間尺寸信息。

最常用的一種工業測量坐標系是“X軸點1—點2，Y軸點3坐標系”，如圖1所示。將測量第1個點作為坐標系原點，點1至點2的連線作為X軸，點1、點2和點3確定的平面為XOY平面，坐標軸的方向遵循右手法則，從第4個點開始所測量獲得的坐標都屬于該坐標系。

圖1 X軸點1—點2，Y軸點3坐標系

2．空間三維直角坐標系轉換

三維空間新、舊坐標系之間的相互位置關系，可以通過新坐標系的原點O'在舊坐標系內的坐標(x1，y1，z1)，以及新坐標系的坐標矢量在舊坐標系內的方向向量(X，Y，Z)所確定。通常情況下，空間三維直角坐標轉換是移軸和轉軸兩種坐標變換的合成。因此，一個坐標系Oxyz轉換到另一個坐標系O'x'y'z'可以分為兩步進行：先移軸，使原點O與O'重合，變成輔助坐標系 O″x″y″z″;再由輔助坐標系轉軸變到坐標系O'x'y'z'，即

根據以上空間三維直角坐標轉換的數學模型，筆者采用計算待定工業測量坐標系的原點在儀器坐標系中的坐標，以及其坐標軸在儀器坐標系中的方向向量來建立工業測量坐標系。

圖2 空間直角坐標轉換

3．工業測量坐標系的建立

(1)儀器坐標系的建立

全站儀獲取的測量數據主要是目標點的斜距s、水平角α和豎直角β，可直接利用這些數據根據幾何關系計算出全站儀所在坐標系Oxyz下的各個點的三維坐標。

點 pi(i=1，2，…，i，…，n)在儀器坐標系(右手系)下的三維坐標為

假設測量的前3個點坐標為P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)。

(2)移 軸

使儀器坐標系原點O與P1重合，變成輔助坐標系 O″x″y″z″(右手系)。O″x″y″z″坐標系中點 P″i的坐標為

(3)轉 軸

計算向量

坐標系O'x'y'z'坐標系的Z軸在Oxyz坐標系下的方向向量垂直于點P1、P2、P3確定的平面。根據右手法則

設

將Z'單位化得

坐標系O'x'y'z'坐標系的Y軸在Oxyz坐標系下的方向向量Y同時垂直于X、Z。根據右手法則

設

將Y'單位化得

將求得的X、Y、Z代入式(1)，即可得到目標點在X軸點1、點2，Y軸點3坐標系的坐標。

三、全站儀二次開發

全站儀二次開發主要有3種形式：即機載程序、PDA等掌上電腦與全站儀和電腦與全站儀連接等3種方式。而不同品牌全站儀的不同開發方式也有所不同。

1．PDA與全站儀連接

索佳全站儀在工業測量領域中應用的較早也較為廣泛，其二次開發主要是通過字符串指令來控制全站儀進行測量等操作，表1給出其中幾種常用的控制指令，圖3是筆者參與開發的基于PDA連接電腦的工業測量軟件的主界面。

表1 索佳全站儀二次開發幾種主要指令及其含義

圖3 工業檢測軟件PDA程序主界面

2．機載程序

機載程序是在測量現場最為方便的操作方式，常常用于免棱鏡全站儀的二次開發，拓普康GPT-9000A全站儀是目前免棱鏡測距最遠的全站儀，在電力測量領域應用廣泛，其二次開發形式主要是通過內部指令對全站儀進行控制。圖4是筆者參與研發的電力測量軟件的主界面。

3．電腦與全站儀連接

這種二次開發方式徠卡全站儀應用的較為廣泛，徠卡全自動全站儀采用GeoCOM開發環境，是徠卡公司為全站儀提供的二次開發接口。用戶根據工程需要可以利用該接口獲取全站儀的狀態(如儀器參數、測站坐標、測量模式等)、控制測量機器人的動作(如自動搜尋目標、按照指定角度進行旋轉)以及計算測量數據等。

圖4 電力測量機載程序主界面

GeoCOM的通信雙方是電腦和徠卡全站儀。電腦向全站儀發送指令，同時也接受全站儀返回的數據。而全站儀作為服務器，執行用戶通過電腦發送的指令，同時返回執行的結果。電腦與全站儀通過串口通信協議進行通信。對測量人員及開發人員來說，具體實施細節無法了解而且也沒有必要了解，開發人員只需在現有的功能上開發適合自己需要的高級功能即可，這也是提供GeoCOM客戶端函數包的意義所在。GeoCOM將對全站儀的控制模塊分為BAP、AUT、EDM等12個模塊。其框架圖如圖5所示，圖6是筆者開發的基于工業電腦連接徠卡智能全站儀的盾構自動引導測量軟件的主界面。

圖5 徠卡全站儀GeoCom二次開發框架圖

四、結束語

隨著制造行業對工業構件精度要求的提高，傳統的測量工具及手段已經無法滿足實時獲取空間三維信息的需要，且一些在現場難以解決的算法在后處理中也耗費大量的時間，全站儀及其免棱鏡技術的應用使得企業檢測人員可以更加方便快捷地獲取特征點的三維數據，而全站儀二次開發技術的應用對企業提高生產效率起到了極大的促進作用。

圖6 基于電腦連接全站儀的盾構引導測量軟件主界面

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