TCA1800全站仪ATR系统可靠性分析

杨名川

摘 要：介绍了徕卡TCA1800全站仪的自动目标识别（ATR）系统及其功能， 研究了自动识别系统的测角精度及其可靠性。通过选择在不同观测时间、不同观测距离、不同观测环境下，详细分析ATR的测角精度以及环境对测角质量的影响，比较传统的人工测角与ATR测角的可靠性，获得有益的结论，来指导使用者选择徕卡TCA1800的观测方式及观测时段。

关键词：TCA1800全站仪；自动目标识别系统；测角；精度分析

1 绪论

1.1 目的。随着具有自动目标识别（ATR-automatic target recognition）的智能型全站仪的问世，使测量方法发生了革命性的变化。目前，具有ATR功能的全站仪已广泛应用在高精度的精密工程测量、变形监测以及自动化较高的自动观测任务中。然而，在实际测量工作中，ATR测量能否达到所需的精度要求？观测质量和成果是否可靠？工作效率跟人工测量相比如何？基于运用徕卡TCA 1800全站仪ATR功能进行试验和测量工作的实践，本文通过对其在试验中的测量成果的分析，研究了ATR功能在不同环境条件下的水平测角精度，探讨ATR测量的可靠性。

1.2 研究方法。室内试验：为避免外界条件对观测造成的影响，选择观测条件稳定的室内进行一个中心多边形的水平角观测，对比验证人工观测和ATR测量能达到的精度。室外试验：通过室外实地的大地四边形测量，运用ATR测角和传统的人工测角进行测量，并进行精度分析比较，得出ATR测角在实际应用中的精度。同时，对比人工测量和ATR测量的工作效率。全天候试验：选择不同天气、不同时间段下，进行测角任务，然后进行精度评定，求证不同天候情况下，测角精度是否满足测量要求。

2 室内试验

2.1 外界条件的影响

精密测角会受到外界条件变化的影响，为减少外界条件的影响，精确测定ATR测角所能达到的精度，选择外界环境相对稳定的室内进行试验。

2.2 方案设计

试验场地：广工大结构实验室。在室内布置如图1所示的中心多边形网进行测试，平均边长为18m。

观测等级设计：本次试验主要目的是试验仪器在室内稳定的观测条件下不同观测方法所能达到的精度，采用方向观测法，TCA 1800属于DJ1，观测4个测回。

试验过程：4月22日，在O点架设仪器，A、B、C、D、E点架设棱镜，将每个方向逐一照准进行观测。14：30开始人工观测4测回，人工记录数据，14：55结束人工观测，无重测；15：00开始ATR自动观测5测回，仪器自动记录数据，15：25结束，无重测。

对比人工观测，ATR自动观测得出的水平夹角的值列于表1。

2.3 精度分析

在测站O点观测了5个方向、4个测回，则用上式计算得出的一测回方向观测中误差，人工观测的结果为±1.22″，ATR观测结果为±0.014″。TCA 1800全站仪的测角标称精度为±1秒。在观测过程中，由于稳定的外界条件，同时，观测距离较短，使得仪器内置的CCD传感器获取和识别目标的精度得以提高，在ATR观测时，同一方向，望远镜锁定目标之后的方向值几乎不变。ATR观测结果远远超过标称精度和人工测角的精度。

3 室外试验

3.1 方案设计

试验场地：广工大图书馆东广场空地，地形开阔、通视良好。通过实地勘察、选点、埋点，组成一个大地四边形网，如图2所示。最短边约145m，最长边约190m，平均边长170m。观测等级设计：观测网形为大地四边形，采用四等三角测量水平角观测的技术要求进行观测，每个测站的水平观测采用方向观测法。测距按照四等控制网的技术要求进行观测。试验过程：为了减少大气折光以及大气湍流对测角的影响，选择在空气清新、大气相对稳定的阴天进行观测。5月15日8：25开始，按照点号N、W、S、E的顺序架设仪器，先进行人工观测4测回，紧接着利用ATR功能进行自动观测4测回，均为仪器自动记录数据，换站时，仪器与相应的棱镜调换。11：50所有观测结束，人工观测无重测；ATR观测在点W、S因为行人阻挡分别重测一测回。期间，人工观测平均一个测站需要约12分钟，ATR观测平均一个测站需要约15分钟。

3.2 精度计算

评定三角网的测角精度的主要指标是三角形的闭合差，大地四边形网共有3个独立的三角形。使用人工观测和ATR自动观测计算得出的三角形闭合差列于表2。

3.3 精度分析

人工测角和ATR测角时间间隔很短，且整个观测时段气象条件相对稳定，可以认为两者测量时所处的外界条件基本一致，因此，两者的照准精度之差基本上就反映在测角精度上。从数据以及试验过程可知：（1）在短边网中，ATR测量模式和人工测量模式的测量精度都能达到四等三角网的指标要求，并且ATR测量模式的测角精度略高于人工测量模式，主要体现在ATR测量消除了人工的照准误差。（2）在短边网的观测中，人工测量模式在距离发生变化时需要调整望远镜的焦距，从而产生了调焦误差，ATR测量模式不需要进行望远镜的调焦，消除了调焦误差。

4 全天候观测测试

4.1 方案设计

试验场地：为了测试自动识别系统的全天候观测的可能性及其精度，选择在夜间进行试验。考虑到夜间光线污染对观测产生的影响，试验场地选在楼顶，选取已布设在广工大校内的四等点44号点（东一）、45号点（西一）、46号点（教六）。44与45号点相距约700m，45与46号点相距约900m，如图3所示。试验期间，仪器、棱镜均固定不动。

观测等级设计：采用方向观测法，按四等导线水平角观测的技术要求观测。

试验过程：5月17日17：30，天气晴朗有阳光。在45号点架设仪器，进行人工观测44、46号点的方向值，观测6测回，由仪器自动记录。17：58人工观测结束，仪器和棱镜不动，等待夜间观测。20：30，夜间天气晴朗有月光，有一定视野。导入白天的观测数据，开始ATR观测，为保证观测数据的有效性，ATR观测为8测回，仪器自动记录。21：10，ATR观测结束。

5月19日18：00，阴天。在45号点架设仪器，人工观测44、46号点方向值各一次，仪器自动记录，并导入ATR观测程序，仪器和棱镜不动，等待夜间观测。20：30，夜间阴天，没有视野。开始ATR观测8测回，21：15，ATR观测结束。

测角结果列于表4。

4.2精度分析

为评价ATR在夜间测量的可靠性，根据白塞尔公式

按观测值的改正值计算观测值的中误差，结果如表5。

表5 观测值的中误差

试验证明，TCA 1800全站仪的自动识别系统在夜间也能进行自动测量（需要事先获得观测目标的方向值，或直接导入已有的观测目标观测数据），且夜间的测角精度比白天略有提高；而阴天的夜间相对晴朗的夜间，精度有所下降，均能达到精度要求。

5 结束语

根据以上试验得出如下结论，提供给选用TCA 1800全站仪的用户参考：（1）在良好的观测环境下，ATR测角的精度能达到很高的水平。短边网试验结果表明，ATR测角的精度略高于人工测角的精度。（2）在夜间，仍可使用ATR进行测量，并可保证测量的精度。（3）在良好的外界条件下，选择适当的时段，ATR测角能够完全代替人工测角，降低了测量人员的劳动强度。（4）在复杂的环境下，如背景有强光反射、棱镜处在逆光等情况下，使用ATR进行测量会出现搜索不到棱镜或照准棱镜超时的错误。

参考文献

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