視覺系統(tǒng)在全站儀上的應用研究

全站儀是一種集光、機、電、軟件等技術為一體的測繪測量儀器，其可實現對目標物三維空間坐標的測量，該種設備廣泛用于地理測繪、建筑工程施工、驗收測量、地物變形監(jiān)測、大型設備制造以及變形監(jiān)測等領域。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技術的迅速發(fā)展，越來越多的視覺系統(tǒng)開始逐漸應用到全站儀技術中，本文主要介紹視覺系統(tǒng)在當前全站儀上的應用研究情況。全站儀一般由光機系統(tǒng)、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、傾斜補償器等系統(tǒng)組成，在這些系統(tǒng)中或多或少都有視覺系統(tǒng)的存在。

全站儀的光機系統(tǒng)主要包含望遠瞄準系統(tǒng)和光學下對點系統(tǒng)。近年來，光學對點系統(tǒng)正逐步被激光對點器所替代，但仍然有一些用戶堅持使用光學對點器（見圖1）。光學對點系統(tǒng)雖然能直觀地觀察到測站點，但與激光對點器相比，其操作更復雜、效率較低，因此近些年有人提出用電子視覺系統(tǒng)替代純光學的下對點系統(tǒng)；本文認為引入視覺系統(tǒng)還能實現更多功能：例如通過圖像實現測站點AR監(jiān)測，防止偏移；通過視覺系統(tǒng)對測站點地形進行3D測量，從而實現測站點偏移補償，無需精確架站即可自動實現站高測量、測站點圖片保存等功能，但到目前為止還沒有這樣的產品面世。圖1：光學對點器實物及原理示意圖。全站儀的望遠瞄準系統(tǒng)主要包含物鏡組、調焦鏡組和目鏡組等，屬于中長焦距光學系統(tǒng)，其視場角為1.5°，光學分辨為±3″，放大倍率一般為30倍，可調焦視距范圍一般為1.0m~無窮遠。另外全站儀測距系統(tǒng)的激光發(fā)射與光接收系統(tǒng)，也集成在該光學系統(tǒng)中，并且其發(fā)射光軸和接收光軸需要與望遠瞄準系統(tǒng)的光軸完全重合，以確保瞄準點與測距測量點為同一個點。其光學原理如圖2所示。圖2：華測導航CTS-112R4Pro+全站儀望遠瞄準系統(tǒng)示意圖。隨著技術的發(fā)展，國內外的全站儀廠家相繼推出了帶電子視覺系統(tǒng)的全站儀，以輔助瞄準并提高測量效率。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、同軸望遠相機等視覺系統(tǒng)，其中SX10有多達四組電子視覺系統(tǒng)，包括廣角相機、主相機、望遠相機和垂準相機等。廣角相機和主相機視場角約為40°~90°，像素為300~800萬，不同廠家的參數差別較大。廣角相機和主相機的主要作用有光學粗瞄、被測點拍照補圖、影像輔助放樣、視覺引導伺服系統(tǒng)快速粗對準被測點；基于AI深度學習還可以實現智能目標識別、輪廓提取并實現自動規(guī)劃智能3D點云測量。望遠相機可以替代光學目鏡，輔助人眼精確瞄準，因電子視覺系統(tǒng)分辨率更高可提供數字放大功能，相較于人眼可以提高瞄準效率、瞄準精度并降低人眼瞄準疲勞。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年就推出了測量機器人（見圖6），測量機器人與普通全站儀的最大區(qū)別是其增加了ATR自動瞄準系統(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)集成在全站儀望遠瞄準系統(tǒng)中，但未使用焦距機構，為定焦視覺系統(tǒng)，其視場角為1.5°，分辨率為640×480像素，ATR相機的幀率一般需要大于60fps。另外該視覺系統(tǒng)是一個主動光源視覺系統(tǒng)，其還需要紅外光源；該光源發(fā)射的紅外光經光學望遠瞄準系統(tǒng)同光軸發(fā)射出去，光線經棱鏡或強反射體反射后，回到ATR自動瞄準系統(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圖像信號進行分析，確定測量瞄準偏差，并實時更新瞄準偏差值。關于ATR系統(tǒng)的圖像信號處理，各家全站儀廠家都還在使用傳統(tǒng)的圖像識別處理方法進行處理；但基于深度學習的AI圖像識別算法更加適合這樣的應用，特別是在綜合廣角相機和望遠鏡相機圖像之后，尤其能實現更智能、更高效的測量監(jiān)測作業(yè)。圖6：徠卡機器人全站儀。圖7：ATR自動瞄準系統(tǒng)框圖。

視覺系統(tǒng)在全站儀上的廣泛應用，輔助全站儀進一步增強了自身功能，并實現了更高的瞄準效率和測量精