全站掃描儀的發展及其工程應用研究

摘要：全站掃描儀是測量領域內技術革新的產物，其綜合了全站儀、CCD相機及三維激光掃描等多項測量技術。本文主要介紹了全站儀的主要發展歷程，并在其基礎上分析了全站掃描儀在各個工程領域的應用前景，展示了全站掃描儀在執行測量任務時的優越性。

Abstract： Scanning total station is a product of technological innovation in the field of surveying as it integrates a variety of surveying technologies such as total station， CCD camera and three-dimensional laser scanning. The main development process of total station is mainly introduced here， and the application prospects of scanning total station in various engineering fields are analyzed on the basis of it， and the superiority of scanning total station in performing surveying tasks is demonstrated.

關鍵詞：全站儀;三維激光掃描;工程應用

Key words： total station;3D laser scanning;engineering application

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0214-02

0? 引言

測量領域內設備的發展隨著社會進步和技術創新而迅猛發展，成為測量技術和工業應用中極為重要的一部分。全站儀隨著社會的進步改革創新了很多代，從最初的經緯儀疊加測距儀到智能全站儀，均在測量行業做出了巨大貢獻?，F如今幾乎每臺全站儀都能夠執行快速無反射鏡測量和棱鏡自動跟蹤，通過集成到設備中的一個或多個相機來控制全站儀也成為可能，而GNSS接收機有時也被集成到全站儀中提供定位服務。與此同時，地面激光掃描儀（TLS）的使用也越來越普遍，它提供沿預定幀測量的密集點云，然后通過點云處理間接獲得點的三維坐標并還原場景表面的三維幾何形狀。由于更加精確和更快的傳感器技術，以及相應的數據處理的軟件功能，地面激光掃描現已經作為高精度，三維映射和物理場景和結構還原的可靠技術。在某些情況下，相較全站儀而言，地面激光掃描儀能更加方便地用于測量和監測任務中。在使用地面激光掃描儀時，往往要求采集的密集點云在與掃描儀相關的本地坐標系統中是已知的，此時全站儀的測量功能可以提供此項協助，也就誕生了集全站儀和地面激光掃描儀等于一身的全站掃描儀設備。

1? 全站儀設備的發展

1.1 全站儀的誕生

19世紀60年代，電子化的角度和距離測量設備誕生，同時隨著處理器技術的發展，使得基于三角函數計算的極坐標法得到實際的應用，而另一個使得極坐標測量方法得到快速發展的是數據存儲技術的進步。第一臺集成了距離測量、角度測量及數據記錄功能的商業全站儀誕生于1968年，在接下來的十多年里，儀器設備在不斷的精進，生產商們制造了很多體積小，攜帶容易，測量速度快且易于管理的全站儀。隨著小巧的測量反射棱鏡的誕生，全站儀邁向了機動化的步伐，可以實現棱鏡目標的鎖定及自動跟蹤。在機動化全站儀的基礎上，開發了無反射棱鏡測距的全站儀，可以在無合作目標的情況下進行距離的測量，但是其精度會低于有棱鏡的情況。

1.2 智能全站儀

為克服需要人工照準目標的不足，自動目標識別和照準等功能被開發出來，實現了全站儀的自動化及智能化。智能全站儀又被稱為測量機器人，在相應的軟件的支持下，智能全站儀可以在無人干預的條件下自動完成多個目標的識別、照準及測量等工作。智能全站儀的技術組成包括坐標系統、操縱器、換能器、計算機和控制器、閉路控制傳感器、決定制作、目標捕獲和集成傳感器等部分。坐標系統為球面坐標系統，望遠鏡能繞儀器的縱軸和橫軸旋轉，在水平面360°、豎面180°范圍內尋找目標;操縱器的作用是控制機器人的轉動;換能器可將電能轉化為機械能以驅動步進馬達運動;計算機和控制器的功能是從設計開始到終止操縱系統、存儲觀測數據并與其他系統接口，控制方式多采用連續路徑或點到點的伺服控制系統;閉路控制傳感器將反饋信號傳送給操縱器和控制器，以進行跟蹤測量或精密定位;決定制作主要用于發現目標，如采用模擬人識別圖像的方法（稱試探分析）或對目標局部特征分析的方法（稱句法分析）進行影像匹配;目標獲取用于精確地照準目標，常采用開窗法、閥值法、區域分割法、回光信號最強法以及方形螺旋式掃描法等;集成傳感器包括采用距離、角度、溫度、氣壓等傳感器獲取各種觀測值。有些智能全站儀為用戶提供了一個二次開發平臺，利用該平臺開發的軟件可以直接在全站儀上運行。利用計算機軟件實現測量過程、數據記錄、數據處理和報表輸出的自動化，從而在一定程度上實現了監測自動化和一體化。

1.3 影像輔助全站儀

在智能全站儀的基礎上，通過進一步改進和創新產生了圖像輔助全站儀。圖像輔助全站儀是配備有一個或多個內置的數字照相機的全站儀，用于定位、轉向及測量等操作。在處理這種儀器時，其校準非常重要，校準確保了內置攝像頭和望遠鏡視線之間的完美同軸度，以便于觀察到的圖像對應于包含待測點的目標區域。一般來說，影像輔助全站儀主要包括了一個廣角相機和一個望遠鏡同軸相機。其廣角相機提供了概覽用戶的場景，可以進行投影測量或者將先驗已知的點和線顯示在相機圖片。廣角相機比望遠鏡同軸相機有著更大的視野，其投影中心與測角中心不同，儀器的十字絲在相機圖像上被投影成一條線，為了發揮其測量作用，必須對廣角相機進行畸變矯正。望遠鏡同軸相機的投影中心與測角中心重合，拍攝圖片的像素位置可以直接轉換為相應的角度信息。同時同軸相機可以充分利用望遠鏡的放大倍數，但是其視野一般較小。

1.4 全站掃描儀

隨著測繪科學技術的變革，集成化的智能測繪硬件裝備是未來的發展趨勢，通過將全站儀、CCD相機、GNSS接收機及三維激光掃描儀等進行集成構造了測量設備的革新產品全站掃描儀，全站掃描儀將多種測量技術集于一身，可以快速高效的得到高精度的測量成果，主要功能包括智能全站儀測量、超站儀測量、圖像測量及點云掃描測量等。對于智能全站儀測量，全站掃描儀一般具有經典全站儀的全部功能，一般都有著很高的測角及測距精度，伺服馬達驅動、目標自動識別等功能可實現單點的快速測量。同時部分廠家的全站掃描儀支持和GNSS接收機構成一個緊密的整體，快速獲取其三維坐標作為儀器測站中心坐標。在圖像測量方面，全站掃描儀繼承了影像輔助全站儀的功能，通過具有百萬級像素的廣角相機或望遠鏡相機可以獲得被測目標的高清圖像。全站掃描儀的最大特點就是具有了掃描功能，但是相對與傳統的三維激光掃描儀來說，其采集點云的頻率較低。其優勢在于掃描精度更高，同時由于有了全站儀測量模式的配合，在采集的點云數據的匹配和拼接方面更加的高效。

2? 全站掃描儀的工程應用

2.1 土木工程中的應用

全站掃描儀第一個有前景的應用領域是土木工程結構的監測。例如橋梁監測、大壩監測以及煙囪變形監測等，其主要優點是可以通過基于攝像頭的視圖自動檢測目標，而無需使用反射棱鏡。對于橋梁監測，可以使用全站掃描儀的相機功能研究行人天橋上的振動和位移，防止結構故障。在大壩監測中，可以使用線掃描模塊掃描壩面以及特定的橫截面，以在壩上的加載實驗期間進行沉降分析。對于工業煙囪變形監測，可從分布在煙囪周圍的控制網中的幾個站點捕獲定向圖像。在不同的圖像處理步驟之后從這些圖片中提取煙囪的輪廓，并最終重建被測量對象的模型。全站掃描儀采集的數據對于研究土木工程結構的整體變形行為是有價值的，因為采集的點云數據能夠識別不同的變形模式。

2.2 地球科學領域的應用

地球科學領域通常使用GNSS技術和傳統的序貫測量法監測自然區域的變形或變化，近些年來全站掃描儀在地球科學領域也有廣泛的應用前景。在高山不穩定斜坡的監測中，傳統的監測方法需要使用外部設備控制安裝的攝像機，而全站掃描儀正好集成了相關功能，此時全站掃描儀被應用于滑坡監測及表面巖石或碎片等目標的自動檢測。在進行火山活動與地震災害的相關研究時，可利用全站掃描儀來采集圖片，同時利用其采集的點云數據來研究構造區域，在對點云進行網格劃分后，它們能夠創建數字模型，并在模型中測量斷層位移，再通過與來自其他傳感器的信息相結合，可以預測地質災害之間的潛在相互作用。在變化檢測方面，全站掃描儀可用于海灘的侵蝕調查，通過設定掃描區域，確定被研究區域在一定時間內的變化情況。在山區地形的位移矢量監測中，利用全站掃描儀的優勢是僅僅采用一臺測量儀器就能執行相關任務，避免了采用多臺設備的繁重性。

2.3 建筑和文化遺產中的應用

建筑調查和文化遺產領域是全站掃描儀的又一個重要應用領域。如有研究人員利用來自拓普康IS-3設備的數據以及使用傳統數碼相機獲取的圖像來創建建筑立面三維模型。在這項旨在記錄建筑物幾何特征的研究中，拓普康全站掃描儀使用標準掃描模式用于無反射點采集。在建筑信息模型（BIM）的背景下，關于竣工建模的動態和靜態的采集方法，點云數據越來越多地用作建筑中。使用全站掃描儀進行的靜態采集與基于移動技術獲得的數據進行比較，盡管需要更多時間，全站掃描儀能夠提供更好的空間精度。在文化遺產的領域中，也有相關報道利用拓普康IS-3設備進行小型工件的三維建模。

3? 結束語

由于新功能和傳感器集成到硬件中，全站儀變得更加智能化，同時激光掃描是用于快速采集三維幾何形狀越來越受歡迎的解決方案。在這種情況下，全站掃描儀的概念被引入，以限定不僅用于掃描目的而且用于執行傳統的測量任務的儀器。新一代儀器的多功能性代表了它最有價值的方面，因為只需一臺獨特的儀器就可以進行各種各樣的測量任務。

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基金項目：湖北省大學生創新創業訓練計劃項目（201810500036）。

作者簡介：王熠（1998-），女，湖北咸寧人，學士，研究方向為工程管理。