全站儀各項新技術革新的應用評述

景 琦

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

一、引 言

隨著光電子技術、計算機技術和精密機械制造技術等新技術在全站儀中的應用，全站儀逐步向自動化、智能化方向發(fā)展。這些新技術有硬件的革新，也有軟件的升級換代，了解并掌握這些新技術，可以選擇合適的儀器，以提高測量精度、減輕作業(yè)勞動強度以及拓展工作領域，從而更快更好地完成實際工作。

目前世界上比較專業(yè)的全站儀生產(chǎn)廠商有瑞士Leica公司，日本 Topcon、Sokkia公司，美國的Trimble公司等，這些全站儀在總體技術上有共通之處，新技術的發(fā)展也大同小異，為闡述方便，本文主要以Leica全站儀為主，簡述其近幾年來所采用的新技術特點和應用。

二、全站儀的各項新技術

1．長距離免棱鏡測距技術

在免棱鏡測距技術發(fā)明之前，全站儀發(fā)出的測距信號必須經(jīng)棱鏡反射，就是說全站儀測量時，離不開棱鏡的配合。但有些情況下目標點上無法安裝棱鏡，如高聳建筑物或懸崖峭壁等人很難到達的點，物體表面測量不允許放置棱鏡，火災、地震、洪水等自然災害情況下有危險的地方等，這就使全站儀的使用范圍受到了很大的限制。

免棱鏡測距技術，又稱無棱鏡測距，是利用光照到物體表面會發(fā)生漫反射這一原理，通過測得的時間差計算得到待測距離。所以免棱鏡全站儀不需要棱鏡作為合作目標就可以進行測距，并且由于免棱鏡全站儀內(nèi)置可見紅色激光的指示器，因此它可以測量任何位置的目標，實現(xiàn)了可見便可測的目的，而且大大地減輕了測繪人員的勞動強度，從而大大提高了測繪作業(yè)的效率。

目前大多數(shù)全站儀生產(chǎn)廠家都推出了帶有這一功能的全站儀，如Leica公司型號中帶有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)別在于測距的范圍和所能達到的測距精度，能否精確的實現(xiàn)長距離免棱鏡測距是技術難點。Leica TM30全站儀是世界上最精密的全站儀之一，它的免棱鏡測距精度達到2 mm+2 ppm，測程是1000m。

2．ATR技術

絕大多數(shù)全站儀的操作均由測量員手工完成，其操作技能是通過長期實踐獲得的，測量精度與觀測員的操作技能有很大關系，并且這種操作勞動強度比較大，全站儀的使用范圍也受到極大限制。

ATR即自動目標識別，是智能全站儀所具有的一種識別系統(tǒng)。它的原理是在全站儀望遠鏡里安裝了一個CCD陣列用于圖像處理。測量時，CCD光源自主發(fā)射一束紅外激光，與測量光束同時由棱鏡反射回來。專用分光鏡將反射回來的ATR光束與測距光束分離出來，引導ATR光束至CCD陣列上，形成光點，由內(nèi)置CCD相機接收，其位置以CCD相機的中心作為參考點來精確地確定。CCD陣列將接收到的光信號，轉(zhuǎn)換成相應的影像，通過圖像處理算法，計算出圖像的中心，即棱鏡的中心，從而完成了自動測量。圖1展示了ATR功能的測量過程。

全站儀運用ATR功能精密測量的過程就是“粗瞄—搜索—鎖定—照準—測量”的過程。即先手動對目標棱鏡粗略瞄準，然后開啟測量功能，ATR自動搜索自定義窗口內(nèi)的目標棱鏡，如果它探測不到棱鏡，它將從頭開始搜索過程，即望遠鏡進行螺旋式的連續(xù)運動。一旦探測到棱鏡，望遠鏡馬上停止運動，馬達驅(qū)使望遠鏡去接近棱鏡的中心，計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)，得出測量值。

圖1 ATR功能的測量過程示意圖

ATR技術的問世可以消除不同測量員的人為測量誤差，減少測量員的工作量，而且自動掃描和識別棱鏡僅需要幾秒鐘到十幾秒鐘的時間，測量速度快，可以大大提高工作效率。目前Leica公司的ATR技術、Topcon公司的自動跟蹤功能、Zeiss公司的磁驅(qū)伺服技術都可以實現(xiàn)自動測量功能。市場上主流全站儀的ATR工作范圍大多在200 m以內(nèi)有效，Leica測量機器人TS30的ATR工作范圍達1000m，TM30運用徠卡獨創(chuàng)的ATR技術，長距離自動精確照準(ATR)在搜索和測量棱鏡時測程可到達市場無與倫比的3000 m且精度可達到毫米級。

3．超級搜索

具有ATR功能的全站儀，有的同時具有超級搜索功能。該功能由位于全站儀照準部的激光發(fā)射器與光接收器聯(lián)合作用實現(xiàn)，搜索范圍默認設置為水平360°，且與ATR功能類似，可自定義搜索范圍。超級搜索激活后，儀器繞豎軸按順時針方向迅速旋轉(zhuǎn)，同時發(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)動并啟用ATR功能完成最終的照準任務。

超級搜索系統(tǒng)能夠驅(qū)動全站儀自動照準和鎖定目標棱鏡，測量過程中移動棱鏡時即使出現(xiàn)影響目標通視的障礙物(如建筑、樹木、汽車等物體)，儀器也能鎖定目標棱鏡，確保測量工作的正確進行。在地形復雜的條件下作業(yè)時，測量人員只須注意腳下的路面，而不必太在意棱鏡的姿態(tài)。即使目標棱鏡暫時失鎖，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。

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

4．圖像全站儀

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

其最顯著的特點就是集成了圖像成像和處理系統(tǒng)，以Leica TS15i為例，在望遠鏡筒前端集成了具廣角鏡頭的500萬像素(2560像素×1920像素)數(shù)碼相機，從2m到最大測程，可自動獲取照準目標視場內(nèi)的數(shù)碼影像，并實時顯示在屏幕上。測量時，測量人員無需使用目鏡瞄準，只需用全站儀內(nèi)置的相機向包含待測物體的方位拍照，輕點屏幕上顯示的目標物體，儀器自動轉(zhuǎn)動到目標物體方位，對目標物體進行測量，工作即輕松完成。在對天頂附近的目標進行測量時，受儀器結(jié)構(gòu)以及空間位置影響，觀測往往非常吃力或者需要使用彎管目鏡。使用圖像測量全站儀，對準天頂方向，目標就顯示在屏幕上，輕輕點擊圖像上的目標就可完成測量工作。

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，技術上還有很大的上升空間，具有潛在的應用前景。

三、結(jié)束語

本文僅選擇近年來最具代表性的4項新技術加以論述，在科學技術迅速發(fā)展的今天，隨著光電子技術、自動化技術、機械工程和計算機技術的不斷進步，全站儀測量新技術必將不斷涌現(xiàn)。這就需要測繪工作者隨時掌握測繪儀器發(fā)展的動態(tài)和信息，對于測量工作十分必要，也有利于行業(yè)的良性發(fā)展。

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