汪灯林
樟树市规划院，江西 宜春 331200
全站仪是测绘常用设备，全称为全站型电子测距仪，可用于测量水平角、垂直角、高差等参数。在互联网时代，测量设备表现出智能化发展趋势，全站仪的功能更为丰富，改进传统人工操作模式，自动完成目标跟踪、目标识别及目标照准等操作，显著提升工作效率与测量精度。
在以往测量工作中，全站仪采用人工操作模式，效率低、精度低、强度大。针对该问题，制造企业引进全站仪目标自动识别与照准技术，研发ATR 全站仪，改进测量工作。目前国内ATR 全站仪的智能化水平与国际领先水平存在差异，应掌握全站仪目标自动识别与照准原理，探究识别与照准方法，提高测量精度与效率［1］。
ATR 全站仪内置探测系统，实现目标自动识别与照准。探测系统内安装CCD 相机，在发射红外激光后，反射的光束被CCD 相机接收，形成照准光斑，计算光斑图像的各项参数，即可实现目标自动识别。在此基础上，探测系统可根据计算的光斑与目标棱镜偏离量，以此调整马达驱动，校准水平角及垂直角等参数，明确光斑中心的准确数值，实现目标自动照准［2］。
2.1 图像预处理
基于上述原理分析可知，图像是自动识别与照准的基础，应结合图像分析要求对图像进行预处理，处理步骤分为以下两项：
第一，去噪处理。因全站仪测绘环境为室外，图像背景相对复杂，加大噪声亮度，应对图像进行去噪处理。结合光斑处理要求，ATR 全站仪选择图像相减法进行去噪，在发射红外光与不发射红外光的情况下，采集两幅图像，按照如下公式进行灰度矩阵相减处理：，使图像中的目标光斑更为显著，便于分析。
第二，多目标分割。将去噪处理活动的灰度图像为基础，以中心点为起点，按照从近到远的顺序，以螺旋路径寻找起点附近的灰度非0 像素点，第一次寻找的像素点数量为3 个，再依次将3 个像素点为起点，按照上述原则寻找对应的3 个像素点，逐渐扩大处理范围，直到寻找的像素点灰度均为0，明确光斑边缘，进而明确光斑具体位置。去除原始图像中的光斑位置，重新进行光斑查找，进而明确所有光斑位置。
2.2 光斑中心分析
将图像预处理中查找的光斑为基础，计算其对应的光斑中心。不同光斑的特征不同，适用的计算方法不同。就目前技术水平而言，常用计算方法及特点如下：
（1）灰度重心法：利用灰度值计算中心坐标，该方法适用于灰度值较高、且去噪效果较好的图像；
（2）高斯拟合法：利用高斯函数计算中心坐标，该方法适用于光强分布与高斯分布一致的情况；
（3）椭圆拟合法：利用椭圆方程拟合计算参数，该方法适用于图像数据存在一定规律的情况。在光斑中心计算中，后两种方法所得的中心并非代表发光点中心，而是亚像素级中心，且其计算过程相对复杂。在ATR 全站仪应用中，图像经去噪处理，满足灰度重心法的应用条件，无需进行二值化数据处理，简化计算流程，提高计算效率。就此，ATR 全站仪探测系统内置灰度重心法，保障图像光斑中心的准确高效计算。
2.3 自动识别与照准
在明确光斑中心的基础上，探测系统需进行系统标定，为后续识别与照准创设良好环境，保障测量精度。系统标定是指首先通过人工照准操作，选择一个目标点A，再调整全站仪的角度，计算角度变化后点A 对应的像素点参数（包括像素变化参数、像素点角度等），再通过精确照准操作，使点A 位于探测系统的视场中心，获取点A 在图像中的坐标，进而对应至CCD相机内，完成中心点的标定。为保障系统标定准确性，可设置多个目标点，求取平均值。在系统标定完成后，针对棱镜状况，按照规范流程进行识别与照准［3］。
对于棱镜处于视场范围内的状况，按照图像预处理、光斑中心分析流程操作，结合光斑中心数据参数，明确其与标定中心间的偏移量，计算其与图像预处理环节获取的像素点角度值乘积，即可获得偏移角度。将该角度以电信号传输至马达驱动，调节马达驱动的角度，消除偏移角度，降低光斑中心与标定中心间的偏移量。重复上述操作，直到偏移量满足马达驱动模块的最低要求，以此完成目标自动识别与照准，获取更为精确的测量数据。
对于棱镜不处于视场范围内的状况，首先要查找棱镜的位置，马达驱动模块应控制全站仪进行视场感应区的搜索，常用的搜索方式包括螺旋式与逐行式两种。通过搜索明确棱镜位置后，即可按照上述流程进行目标自动识别与照准，获取精确测量数据。
2.4 精度分析试验
在明确全站仪目标自动识别与照准方法后，通过步进电机驱动精度的设定，开展测量试验，验证全站仪精度是否满足要求，进而评估目标自动识别与照准方法的应用效果。在测量试验中，驱动精度为10″，测量参数为垂直角。测定结果显示，人工照准的测量值为360°00′00″，实际值在359°59′51″～359°59′59″之间，所有实际值与人工照准数值之差均低于10″，说明全站仪的自动测量结果与人工照准操作获取的数据相差无几，其精度满足测量要求，可推广普及。
综上所述，在ATR 全站仪测量中，探测系统内配置CCD相机、马达驱动，自动完成图像采集、图像处理、参数调整等工作，实现目标自动识别与照准。和人工操作相比，两者测量数值精度一致，但ATR 全站仪工作效率更高，应加强设备研发，推广该功能。
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