全站仪各项新技术革新的应用评述

2012-12-11景琦

测绘通报 2012年1期

景琦

(中国地震局第一监测中心，天津300180)

一、引言

随着光电子技术、计算机技术和精密机械制造技术等新技术在全站仪中的应用，全站仪逐步向自动化、智能化方向发展。这些新技术有硬件的革新，也有软件的升级换代，了解并掌握这些新技术，可以选择合适的仪器，以提高测量精度、减轻作业劳动强度以及拓展工作领域，从而更快更好地完成实际工作。

目前世界上比较专业的全站仪生产厂商有瑞士Leica公司，日本 Topcon、Sokkia公司，美国的Trimble公司等，这些全站仪在总体技术上有共通之处，新技术的发展也大同小异，为阐述方便，本文主要以Leica全站仪为主，简述其近几年来所采用的新技术特点和应用。

二、全站仪的各项新技术

1．长距离免棱镜测距技术

在免棱镜测距技术发明之前，全站仪发出的测距信号必须经棱镜反射，就是说全站仪测量时，离不开棱镜的配合。但有些情况下目标点上无法安装棱镜，如高耸建筑物或悬崖峭壁等人很难到达的点，物体表面测量不允许放置棱镜，火灾、地震、洪水等自然灾害情况下有危险的地方等，这就使全站仪的使用范围受到了很大的限制。

免棱镜测距技术，又称无棱镜测距，是利用光照到物体表面会发生漫反射这一原理，通过测得的时间差计算得到待测距离。所以免棱镜全站仪不需要棱镜作为合作目标就可以进行测距，并且由于免棱镜全站仪内置可见红色激光的指示器，因此它可以测量任何位置的目标，实现了可见便可测的目的，而且大大地减轻了测绘人员的劳动强度，从而大大提高了测绘作业的效率。

目前大多数全站仪生产厂家都推出了带有这一功能的全站仪，如Leica公司型号中带有R的全站仪，Topcon公司的GPT系列全站仪，Nikon公司的NPL系列等。它们的区别在于测距的范围和所能达到的测距精度，能否精确的实现长距离免棱镜测距是技术难点。Leica TM30全站仪是世界上最精密的全站仪之一，它的免棱镜测距精度达到2 mm+2 ppm，测程是1000m。

2．ATR技术

绝大多数全站仪的操作均由测量员手工完成，其操作技能是通过长期实践获得的，测量精度与观测员的操作技能有很大关系，并且这种操作劳动强度比较大，全站仪的使用范围也受到极大限制。

ATR即自动目标识别，是智能全站仪所具有的一种识别系统。它的原理是在全站仪望远镜里安装了一个CCD阵列用于图像处理。测量时，CCD光源自主发射一束红外激光，与测量光束同时由棱镜反射回来。专用分光镜将反射回来的ATR光束与测距光束分离出来，引导ATR光束至CCD阵列上，形成光点，由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机的中心作为参考点来精确地确定。CCD阵列将接收到的光信号，转换成相应的影像，通过图像处理算法，计算出图像的中心，即棱镜的中心，从而完成了自动测量。图1展示了ATR功能的测量过程。

全站仪运用ATR功能精密测量的过程就是“粗瞄—搜索—锁定—照准—测量”的过程。即先手动对目标棱镜粗略瞄准，然后开启测量功能，ATR自动搜索自定义窗口内的目标棱镜，如果它探测不到棱镜，它将从头开始搜索过程，即望远镜进行螺旋式的连续运动。一旦探测到棱镜，望远镜马上停止运动，马达驱使望远镜去接近棱镜的中心，计算出十字丝中心与返回图像中心的偏移值，给出改正后的水平和垂直角度读数，得出测量值。

图1 ATR功能的测量过程示意图

ATR技术的问世可以消除不同测量员的人为测量误差，减少测量员的工作量，而且自动扫描和识别棱镜仅需要几秒钟到十几秒钟的时间，测量速度快，可以大大提高工作效率。目前Leica公司的ATR技术、Topcon公司的自动跟踪功能、Zeiss公司的磁驱伺服技术都可以实现自动测量功能。市场上主流全站仪的ATR工作范围大多在200 m以内有效，Leica测量机器人TS30的ATR工作范围达1000m，TM30运用徕卡独创的ATR技术，长距离自动精确照准(ATR)在搜索和测量棱镜时测程可到达市场无与伦比的3000 m且精度可达到毫米级。

3．超级搜索

具有ATR功能的全站仪，有的同时具有超级搜索功能。该功能由位于全站仪照准部的激光发射器与光接收器联合作用实现，搜索范围默认设置为水平360°，且与ATR功能类似，可自定义搜索范围。超级搜索激活后，仪器绕竖轴按顺时针方向迅速旋转，同时发射器发出扇形激光，接收器将接收由棱镜返回的信息。仪器发现棱镜后立即停止水平转动并启用ATR功能完成最终的照准任务。

超级搜索系统能够驱动全站仪自动照准和锁定目标棱镜，测量过程中移动棱镜时即使出现影响目标通视的障碍物(如建筑、树木、汽车等物体)，仪器也能锁定目标棱镜，确保测量工作的正确进行。在地形复杂的条件下作业时，测量人员只须注意脚下的路面，而不必太在意棱镜的姿态。即使目标棱镜暂时失锁，只须在镜站方发出搜索指令，仪器便可快速地重新锁定目标。

目前Leica全站仪P系列、TS30、TM30、TS15均具有超级搜索功能，最大测程达300 m。索佳的旗舰产品测量机器人SRX也具有此功能。

4．图像全站仪

图像全站仪的出现是全站仪测量史上的又一重大技术革新，它拓宽了全站仪的功能，使测量过程变得更加简单和直观。

其最显著的特点就是集成了图像成像和处理系统，以Leica TS15i为例，在望远镜筒前端集成了具广角镜头的500万像素(2560像素×1920像素)数码相机，从2m到最大测程，可自动获取照准目标视场内的数码影像，并实时显示在屏幕上。测量时，测量人员无需使用目镜瞄准，只需用全站仪内置的相机向包含待测物体的方位拍照，轻点屏幕上显示的目标物体，仪器自动转动到目标物体方位，对目标物体进行测量，工作即轻松完成。在对天顶附近的目标进行测量时，受仪器结构以及空间位置影响，观测往往非常吃力或者需要使用弯管目镜。使用图像测量全站仪，对准天顶方向，目标就显示在屏幕上，轻轻点击图像上的目标就可完成测量工作。

Leica TS11、TS15i和拓普康的GPT—7000i集成了广角摄像头，是比较有代表性的图像全站仪。目前，图像全站仪还是处于起步阶段，技术上还有很大的上升空间，具有潜在的应用前景。