視覺系統(tǒng)在全站儀上的應(yīng)用研究

全站儀是一種集光、機(jī)、電、軟件等技術(shù)為一體的測(cè)繪測(cè)量儀器，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物三維空間坐標(biāo)的測(cè)量，該種設(shè)備廣泛用于地理測(cè)繪、建筑工程施工、驗(yàn)收測(cè)量、地物變形監(jiān)測(cè)、大型設(shè)備制造以及變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。目前全球知名的全站儀品牌主要有徠卡、天寶、拓普康、南方和索佳等。隨著嵌入視覺系統(tǒng)和AI技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的視覺系統(tǒng)開始逐漸應(yīng)用到全站儀技術(shù)中，本文主要介紹視覺系統(tǒng)在當(dāng)前全站儀上的應(yīng)用研究情況。全站儀一般由光機(jī)系統(tǒng)、測(cè)角系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、傾斜補(bǔ)償器等系統(tǒng)組成，在這些系統(tǒng)中或多或少都有視覺系統(tǒng)的存在。

全站儀的光機(jī)系統(tǒng)主要包含望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和光學(xué)下對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。近年來，光學(xué)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)正逐步被激光對(duì)點(diǎn)器所替代，但仍然有一些用戶堅(jiān)持使用光學(xué)對(duì)點(diǎn)器（見圖1）。光學(xué)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)雖然能直觀地觀察到測(cè)站點(diǎn)，但與激光對(duì)點(diǎn)器相比，其操作更復(fù)雜、效率較低，因此近些年有人提出用電子視覺系統(tǒng)替代純光學(xué)的下對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)；本文認(rèn)為引入視覺系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)更多功能：例如通過圖像實(shí)現(xiàn)測(cè)站點(diǎn)AR監(jiān)測(cè)，防止偏移；通過視覺系統(tǒng)對(duì)測(cè)站點(diǎn)地形進(jìn)行3D測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)站點(diǎn)偏移補(bǔ)償，無需精確架站即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)站高測(cè)量、測(cè)站點(diǎn)圖片保存等功能，但到目前為止還沒有這樣的產(chǎn)品面世。圖1：光學(xué)對(duì)點(diǎn)器實(shí)物及原理示意圖。全站儀的望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要包含物鏡組、調(diào)焦鏡組和目鏡組等，屬于中長焦距光學(xué)系統(tǒng)，其視場(chǎng)角為1.5°，光學(xué)分辨為±3″，放大倍率一般為30倍，可調(diào)焦視距范圍一般為1.0m~無窮遠(yuǎn)。另外全站儀測(cè)距系統(tǒng)的激光發(fā)射與光接收系統(tǒng)，也集成在該光學(xué)系統(tǒng)中，并且其發(fā)射光軸和接收光軸需要與望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸完全重合，以確保瞄準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)距測(cè)量點(diǎn)為同一個(gè)點(diǎn)。其光學(xué)原理如圖2所示。圖2：華測(cè)導(dǎo)航CTS-112R4Pro+全站儀望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的全站儀廠家相繼推出了帶電子視覺系統(tǒng)的全站儀，以輔助瞄準(zhǔn)并提高測(cè)量效率。在這些全站儀中，較為知名的有徠卡的MS60和天寶的SX10（見圖3）兩款影像掃描全站儀。這些系統(tǒng)一般都具備廣角相機(jī)、同軸望遠(yuǎn)相機(jī)等視覺系統(tǒng)，其中SX10有多達(dá)四組電子視覺系統(tǒng)，包括廣角相機(jī)、主相機(jī)、望遠(yuǎn)相機(jī)和垂準(zhǔn)相機(jī)等。廣角相機(jī)和主相機(jī)視場(chǎng)角約為40°~90°，像素為300~800萬，不同廠家的參數(shù)差別較大。廣角相機(jī)和主相機(jī)的主要作用有光學(xué)粗瞄、被測(cè)點(diǎn)拍照補(bǔ)圖、影像輔助放樣、視覺引導(dǎo)伺服系統(tǒng)快速粗對(duì)準(zhǔn)被測(cè)點(diǎn)；基于AI深度學(xué)習(xí)還可以實(shí)現(xiàn)智能目標(biāo)識(shí)別、輪廓提取并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃智能3D點(diǎn)云測(cè)量。望遠(yuǎn)相機(jī)可以替代光學(xué)目鏡，輔助人眼精確瞄準(zhǔn)，因電子視覺系統(tǒng)分辨率更高可提供數(shù)字放大功能，相較于人眼可以提高瞄準(zhǔn)效率、瞄準(zhǔn)精度并降低人眼瞄準(zhǔn)疲勞。圖3：天寶SX10全站儀。圖4：影像全站儀輔助放樣作業(yè)。圖5：天寶SX10影像掃描全站儀作業(yè)效果。徠卡在2004年就推出了測(cè)量機(jī)器人（見圖6），測(cè)量機(jī)器人與普通全站儀的最大區(qū)別是其增加了ATR自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（見圖7）。ATR系統(tǒng)的核心部件是紅外視覺系統(tǒng)，該紅外視覺系統(tǒng)集成在全站儀望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中，但未使用焦距機(jī)構(gòu)，為定焦視覺系統(tǒng)，其視場(chǎng)角為1.5°，分辨率為640×480像素，ATR相機(jī)的幀率一般需要大于60fps。另外該視覺系統(tǒng)是一個(gè)主動(dòng)光源視覺系統(tǒng)，其還需要紅外光源；該光源發(fā)射的紅外光經(jīng)光學(xué)望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)同光軸發(fā)射出去，光線經(jīng)棱鏡或強(qiáng)反射體反射后，回到ATR自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，最終成像在ATR視覺系統(tǒng)的CMOS圖像傳感芯片上；隨后嵌入式視覺處理單元對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析，確定測(cè)量瞄準(zhǔn)偏差，并實(shí)時(shí)更新瞄準(zhǔn)偏差值。關(guān)于ATR系統(tǒng)的圖像信號(hào)處理，各家全站儀廠家都還在使用傳統(tǒng)的圖像識(shí)別處理方法進(jìn)行處理；但基于深度學(xué)習(xí)的AI圖像識(shí)別算法更加適合這樣的應(yīng)用，特別是在綜合廣角相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡相機(jī)圖像之后，尤其能實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的測(cè)量監(jiān)測(cè)作業(yè)。圖6：徠卡機(jī)器人全站儀。圖7：ATR自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)框圖。

視覺系統(tǒng)在全站儀上的廣泛應(yīng)用，輔助全站儀進(jìn)一步增強(qiáng)了自身功能，并實(shí)現(xiàn)了更高的瞄準(zhǔn)效率和測(cè)量精