视觉系统在全站仪上的应用研究

视觉系统的应用辅助全站仪进一步增强了自身功能，并实现了更高的瞄准效率和测量精度，甚至使其更加智能化。

全站仪是一种集光、机、电、软件等技术为一体的测绘测量仪器，其可实现对目标物三维空间坐标的测量，该种设备广泛用于地理测绘、建筑工程施工、验收测量、地物变形监测、大型设备制造以及变形监测等领域。目前全球知名的全站仪品牌主要有徕卡、天宝、拓普康、南方和索佳等。随着嵌入视觉系统和AI技术的迅速发展，越来越多的视觉系统开始逐渐应用到全站仪技术中，本文主要介绍视觉系统在当前全站仪上的应用研究情况。

全站仪一般由光机系统、测角系统、测距系统、主控系统、倾斜补偿器等系统组成，在这些系统中或多或少都有视觉系统的存在。        

全站仪的光机系统主要包含望远瞄准系统和光学下对点系统。近年来，光学对点系统正逐步被激光对点器所替代，但仍然有一些用户坚持使用光学对点器（见图1）。

光学对点系统虽然能直观地观察到测站点，但与激光对点器相比，其操作更复杂、效率较低，因此近些年有人提出用电子视觉系统替代纯光学的下对点系统；本文认为引入视觉系统还能实现更多功能：例如通过图像实现测站点AR监测，防止偏移；通过视觉系统对测站点地形进行3D测量，从而实现测站点偏移补偿，无需精确架站即可自动实现站高测量、测站点图片保存等功能，但到目前为止还没有这样的产品面世。

图1：光学对点器实物及原理示意图。

全站仪的望远瞄准系统主要包含物镜组、调焦镜组和目镜组等，属于中长焦距光学系统，其视场角为1.5°，光学分辨为±3″，放大倍率一般为30倍，可调焦视距范围一般为1.0m~无穷远。

另外全站仪测距系统的激光发射与光接收系统，也集成在该光学系统中，并且其发射光轴和接收光轴需要与望远瞄准系统的光轴完全重合，以确保瞄准点与测距测量点为同一个点。其光学原理如图2所示。

图2：华测导航CTS-112R4 Pro+全站仪望远瞄准系统示意图。

随着技术的发展，国内外的全站仪厂家相继推出了带电子视觉系统的全站仪，以辅助瞄准并提高测量效率。

在这些全站仪中，较为知名的有徕卡的MS60和天宝的SX10（见图3）两款影像扫描全站仪。这些系统一般都具备广角相机、同轴望远相机等视觉系统，其中SX10有多达四组电子视觉系统，包括广角相机、主相机、望远相机和垂准相机等。

广角相机和主相机视场角约为40°~ 90°，像素为300~800万，不同厂家的参数差别较大。广角相机和主相机的主要作用有光学粗瞄、被测点拍照补图、影像辅助放样、视觉引导伺服系统快速粗对准被测点；基于AI深度学习还可以实现智能目标识别、轮廓提取并实现自动规划智能3D点云测量。

望远相机可以替代光学目镜，辅助人眼精确瞄准，因电子视觉系统分辨率更高可提供数字放大功能，相较于人眼可以提高瞄准效率、瞄准精度并降低人眼瞄准疲劳。

图3：天宝SX10全站仪。

图4：影像全站仪辅助放样作业。

图5：天宝SX10影像扫描全站仪作业效果。

徕卡在2004年就推出了测量机器人（见图6），测量机器人与普通全站仪的最大区别是其增加了ATR自动瞄准系统（见图7）。

ATR系统的核心部件是红外视觉系统，该红外视觉系统集成在全站仪望远瞄准系统中，但未使用焦距机构，为定焦视觉系统，其视场角为1.5°，分辨率为640×480像素，ATR相机的帧率一般需要大于60fps。另外该视觉系统是一个主动光源视觉系统，其还需要红外光源；该光源发射的红外光经光学望远瞄准系统同光轴发射出去，光线经棱镜或强反射体反射后，回到ATR自动瞄准系统，最终成像在ATR视觉系统的CMOS图像传感芯片上；随后嵌入式视觉处理单元对图像信号进行分析，确定测量瞄准偏差，并实时更新瞄准偏差值。

关于ATR系统的图像信号处理，各家全站仪厂家都还在使用传统的图像识别处理方法进行处理；但基于深度学习的AI图像识别算法更加适合这样的应用，特别是在综合广角相机和望远镜相机图像之后，尤其能实现更智能、更高效的测量监测作业。

图6：徕卡机器人全站仪。

图7：ATR自动瞄准系统框图。  

视觉系统在全站仪上的广泛应用，辅助全站仪进一步增强了自身功能，并实现了更高的瞄准效率和测量精度，甚至使其更加智能化。视觉系统不但在全站仪上应用较多，其在其他测绘设备中都有较多应用，例如视觉放样RTK、视频测量RTK、倾斜摄影相机、航测激光雷达、三维激光扫描仪等。