全站儀目標自動識別與照準方法分析

汪燈林

樟樹市規劃院，江西 宜春 331200

0 前言

全站儀是測繪常用設備，全稱為全站型電子測距儀，可用于測量水平角、垂直角、高差等參數。在互聯網時代，測量設備表現出智能化發展趨勢，全站儀的功能更為豐富，改進傳統人工操作模式，自動完成目標跟蹤、目標識別及目標照準等操作，顯著提升工作效率與測量精度。

1 全站儀目標自動識別與照準原理

在以往測量工作中，全站儀采用人工操作模式，效率低、精度低、強度大。針對該問題，制造企業引進全站儀目標自動識別與照準技術，研發ATR 全站儀，改進測量工作。目前國內ATR 全站儀的智能化水平與國際領先水平存在差異，應掌握全站儀目標自動識別與照準原理，探究識別與照準方法，提高測量精度與效率［1］。

ATR 全站儀內置探測系統，實現目標自動識別與照準。探測系統內安裝CCD 相機，在發射紅外激光后，反射的光束被CCD 相機接收，形成照準光斑，計算光斑圖像的各項參數，即可實現目標自動識別。在此基礎上，探測系統可根據計算的光斑與目標棱鏡偏離量，以此調整馬達驅動，校準水平角及垂直角等參數，明確光斑中心的準確數值，實現目標自動照準［2］。

2 全站儀目標自動識別與照準方法

2.1 圖像預處理

基于上述原理分析可知，圖像是自動識別與照準的基礎，應結合圖像分析要求對圖像進行預處理，處理步驟分為以下兩項：

第一，去噪處理。因全站儀測繪環境為室外，圖像背景相對復雜，加大噪聲亮度，應對圖像進行去噪處理。結合光斑處理要求，ATR 全站儀選擇圖像相減法進行去噪，在發射紅外光與不發射紅外光的情況下，采集兩幅圖像，按照如下公式進行灰度矩陣相減處理：，使圖像中的目標光斑更為顯著，便于分析。

第二，多目標分割。將去噪處理活動的灰度圖像為基礎，以中心點為起點，按照從近到遠的順序，以螺旋路徑尋找起點附近的灰度非0 像素點，第一次尋找的像素點數量為3 個，再依次將3 個像素點為起點，按照上述原則尋找對應的3 個像素點，逐漸擴大處理范圍，直到尋找的像素點灰度均為0，明確光斑邊緣，進而明確光斑具體位置。去除原始圖像中的光斑位置，重新進行光斑查找，進而明確所有光斑位置。

2.2 光斑中心分析

將圖像預處理中查找的光斑為基礎，計算其對應的光斑中心。不同光斑的特征不同，適用的計算方法不同。就目前技術水平而言，常用計算方法及特點如下：

（1）灰度重心法：利用灰度值計算中心坐標，該方法適用于灰度值較高、且去噪效果較好的圖像；

（2）高斯擬合法：利用高斯函數計算中心坐標，該方法適用于光強分布與高斯分布一致的情況；

（3）橢圓擬合法：利用橢圓方程擬合計算參數，該方法適用于圖像數據存在一定規律的情況。在光斑中心計算中，后兩種方法所得的中心并非代表發光點中心，而是亞像素級中心，且其計算過程相對復雜。在ATR 全站儀應用中，圖像經去噪處理，滿足灰度重心法的應用條件，無需進行二值化數據處理，簡化計算流程，提高計算效率。就此，ATR 全站儀探測系統內置灰度重心法，保障圖像光斑中心的準確高效計算。

2.3 自動識別與照準

在明確光斑中心的基礎上，探測系統需進行系統標定，為后續識別與照準創設良好環境，保障測量精度。系統標定是指首先通過人工照準操作，選擇一個目標點A，再調整全站儀的角度，計算角度變化后點A 對應的像素點參數（包括像素變化參數、像素點角度等），再通過精確照準操作，使點A 位于探測系統的視場中心，獲取點A 在圖像中的坐標，進而對應至CCD相機內，完成中心點的標定。為保障系統標定準確性，可設置多個目標點，求取平均值。在系統標定完成后，針對棱鏡狀況，按照規范流程進行識別與照準［3］。

對于棱鏡處于視場范圍內的狀況，按照圖像預處理、光斑中心分析流程操作，結合光斑中心數據參數，明確其與標定中心間的偏移量，計算其與圖像預處理環節獲取的像素點角度值乘積，即可獲得偏移角度。將該角度以電信號傳輸至馬達驅動，調節馬達驅動的角度，消除偏移角度，降低光斑中心與標定中心間的偏移量。重復上述操作，直到偏移量滿足馬達驅動模塊的最低要求，以此完成目標自動識別與照準，獲取更為精確的測量數據。

對于棱鏡不處于視場范圍內的狀況，首先要查找棱鏡的位置，馬達驅動模塊應控制全站儀進行視場感應區的搜索，常用的搜索方式包括螺旋式與逐行式兩種。通過搜索明確棱鏡位置后，即可按照上述流程進行目標自動識別與照準，獲取精確測量數據。

2.4 精度分析試驗

在明確全站儀目標自動識別與照準方法后，通過步進電機驅動精度的設定，開展測量試驗，驗證全站儀精度是否滿足要求，進而評估目標自動識別與照準方法的應用效果。在測量試驗中，驅動精度為10″，測量參數為垂直角。測定結果顯示，人工照準的測量值為360°00′00″，實際值在359°59′51″～359°59′59″之間，所有實際值與人工照準數值之差均低于10″，說明全站儀的自動測量結果與人工照準操作獲取的數據相差無幾，其精度滿足測量要求，可推廣普及。

3 結論

綜上所述，在ATR 全站儀測量中，探測系統內配置CCD相機、馬達驅動，自動完成圖像采集、圖像處理、參數調整等工作，實現目標自動識別與照準。和人工操作相比，兩者測量數值精度一致，但ATR 全站儀工作效率更高，應加強設備研發，推廣該功能。