汪 晶

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

在利用全站儀進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，要使用全站儀自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)，就需要在目標(biāo)位置布設(shè)專(zhuān)用的測(cè)量棱鏡，全站儀通過(guò)發(fā)射紅外線(xiàn)，再根據(jù)接收到的紅外線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)搜索、確定棱鏡中心的方向[1-2]。而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，很多位置無(wú)法布設(shè)棱鏡，常常會(huì)在測(cè)點(diǎn)位置粘貼反射片靶標(biāo)，由于受到反射片反射質(zhì)量、天氣環(huán)境因素以及反射片角度等因素的影響，因此全站儀使用自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能時(shí)常常無(wú)法自動(dòng)搜索到反射片靶標(biāo)或者搜索到的照準(zhǔn)誤差很大，最終也需要通過(guò)人工進(jìn)行照準(zhǔn)。

該文基于智能型全站儀自動(dòng)照準(zhǔn)的原理[3]，通過(guò)終端設(shè)備上的應(yīng)用程序控制圖像全站儀對(duì)測(cè)點(diǎn)靶標(biāo)進(jìn)行拍照獲取影像，利用圖像處理算法對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行圖像處理擬合中心位置，最后利用終端設(shè)備控制圖像全站儀照準(zhǔn)靶標(biāo)中心并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

1 圖像全站儀

徠卡圖像全站儀[4-6]TS60是徠卡公司推出的第五代高精度智能型全站儀，它將精密機(jī)械技術(shù)、光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和影像技術(shù)等集成在一起，從單點(diǎn)測(cè)量模式躍進(jìn)到多點(diǎn)和面測(cè)量模式。徠卡TS60圖像全站儀配備了廣角相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡相機(jī)，相機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 徠卡TS60的相機(jī)參數(shù)

2 技術(shù)方案

該文技術(shù)方案流程如圖1所示，首先，在測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)專(zhuān)用的靶標(biāo)，全站儀設(shè)站完成后與終端控制設(shè)備連接，通過(guò)終端設(shè)備上的應(yīng)用程序控制全站儀對(duì)測(cè)點(diǎn)靶標(biāo)進(jìn)行拍照獲取影像，從影像中利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法概略定位靶標(biāo)范圍；其次，對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行圖像處理擬合中心位置；最后，利用應(yīng)用程序控制全站儀照準(zhǔn)靶標(biāo)中心并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

圖1 技術(shù)方案流程圖

2.1 靶標(biāo)布設(shè)

為了便于從影像中自動(dòng)定位靶標(biāo)中心，選用如圖2所示的測(cè)量靶標(biāo)，靶標(biāo)內(nèi)部是高反光材質(zhì)的圓形區(qū)域，圓形區(qū)域外部為黑色的吸光材質(zhì)，靶標(biāo)中心的十字絲與圓形的圓心重合。圓從任意方向照準(zhǔn)，在圖像中均顯示為橢圓（圓也可以看成是一種特殊的橢圓），圖像中的橢圓中心即為圓心。

圖2 測(cè)量靶標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，選取合適大小的靶標(biāo)粘貼到目標(biāo)位置。

2.2 全站儀設(shè)站與連接

按照常規(guī)測(cè)量方法對(duì)全站儀進(jìn)行設(shè)站，例如在已知點(diǎn)上對(duì)中整平輸入坐標(biāo)及方位角或者通過(guò)多個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)自由設(shè)站計(jì)算設(shè)站坐標(biāo)。設(shè)站完成后，通過(guò)串口數(shù)據(jù)線(xiàn)、藍(lán)牙或者Wi-Fi等連接方式將全站儀與終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)、手機(jī)和平板電腦等）連接，啟動(dòng)終端設(shè)備上的全站儀控制程序。

2.3 全站儀拍照

通過(guò)終端上的控制程序?qū)⑷緝x的測(cè)距軸概略指向靶標(biāo)方向，保證靶標(biāo)在全站儀望遠(yuǎn)鏡相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)可見(jiàn)?？刂瞥绦蚶门c全站儀測(cè)距軸同軸的望遠(yuǎn)鏡相機(jī)進(jìn)行拍照，然后將拍攝的圖像傳輸?shù)浇K端設(shè)備。

2.4 靶標(biāo)位置概略定位

在終端設(shè)備上，對(duì)包括靶標(biāo)的影像進(jìn)行處理，通過(guò)深度學(xué)習(xí)、模式匹配等圖像處理技術(shù)對(duì)圖像中的靶標(biāo)進(jìn)行識(shí)別[7-8]，概略框選出靶標(biāo)在圖像中的位置和范圍，每個(gè)范圍框只包括1個(gè)靶標(biāo)。

2.5 靶標(biāo)中心擬合

在每個(gè)范圍框內(nèi)的靶標(biāo)影像中，通過(guò)以下9步處理流程得到靶標(biāo)在圖像中的坐標(biāo)位置：1） 灰度化。對(duì)初始拍攝的三波段彩色影像進(jìn)行灰度化處理，將其轉(zhuǎn)換為單波段的灰度圖，方便后續(xù)處理。2） 灰度變換增強(qiáng)。由于天氣因素、光照以及陰影等因素降低了靶標(biāo)中間白色圓形與外部黑色背景框之間的對(duì)比度，因此通過(guò)分段線(xiàn)性變換，增加圖像的對(duì)比度。3） 二值化。利用最大類(lèi)間方差算法確定二值化灰度閾值，然后根據(jù)閾值利用二值化將圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像。4）圖像平滑。二值化后的圖像可能存在噪聲點(diǎn)，采用中值濾波或者高斯濾波等算法對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。5） 邊緣檢測(cè)。利用Canny算子或其他邊緣檢測(cè)算法提取圖像對(duì)象的邊界信息，得到邊界影像圖。6） 矢量化。為提高靶標(biāo)圓形的擬合精度，根據(jù)橫縱坐標(biāo)將邊界圖像中的邊界點(diǎn)像素轉(zhuǎn)換為矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)。7） 噪聲剔除。剔除轉(zhuǎn)換后的矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)中一些顯著的孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)，減少對(duì)擬合結(jié)果的影響。8） RANSAC算法擬合。使用隨機(jī)抽樣一致性算法（Random Sample Consensus，RANSAC）和最小二乘算法相結(jié)合的方法對(duì)矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行中心擬合。9） 圓心坐標(biāo)輸出。輸出擬合的中心在圖像中的坐標(biāo)值。

2.6 靶標(biāo)中心測(cè)量

根據(jù)擬合的靶標(biāo)中心在圖像上的坐標(biāo)值、全站儀測(cè)距軸在圖像上的坐標(biāo)值（固定參數(shù)，根據(jù)全站儀二次開(kāi)發(fā)接口獲?。┮约芭臄z的圖像大小對(duì)應(yīng)全站儀望遠(yuǎn)鏡相機(jī)的視場(chǎng)角參數(shù)（根據(jù)全站儀二次開(kāi)發(fā)接口指令獲取）可以計(jì)算出靶標(biāo)中心相對(duì)測(cè)距軸的偏轉(zhuǎn)角度，具體過(guò)程如下。

如圖3所示，已知圖像寬度為w，圖像寬度對(duì)應(yīng)的水平方向視場(chǎng)角大小為Ax，圖像高度為h，圖像高度對(duì)應(yīng)的豎直方向視場(chǎng)角大小為Ay，全站儀測(cè)距軸在圖像上的位置為（xo，yo），擬合得到的靶標(biāo)在圖像上的位置為（x′，y′）。因此，靶標(biāo)中心點(diǎn)相對(duì)測(cè)距軸在圖像上的位置點(diǎn)的偏移值為Δx=x′-xo和Δy=y′-yo，相應(yīng)的角度偏移值分別為ΔAx=Δx·Ax/w和ΔAy=Δy·Ay/h，使全站儀在水平方向上旋轉(zhuǎn)ΔAx、在豎直方向上旋轉(zhuǎn)ΔAy后測(cè)距軸指向靶標(biāo)中心點(diǎn)，最后進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。

圖3 計(jì)算靶標(biāo)中心方向

3 測(cè)試結(jié)果

該文測(cè)試中設(shè)置相機(jī)分辨率為最高的2 560×1 920，放大倍率為1。

通過(guò)徠卡GeoCOM提供的API接口，開(kāi)發(fā)基于筆記本電腦的終端應(yīng)用程序，通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線(xiàn)、藍(lán)牙或者Wi-Fi等方式連接全站儀。設(shè)站完成后，通過(guò)筆記本電腦上的應(yīng)用程序控制全站儀對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行拍照，如圖4所示。

圖4 全站儀拍攝的靶標(biāo)影像

通過(guò)訓(xùn)練Faster-RCNN深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)拍攝中的圖像進(jìn)行靶標(biāo)識(shí)別，靶標(biāo)概略定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 標(biāo)靶概略定位

截取概略定位范圍內(nèi)的圖像，按照2.5節(jié)處理流程進(jìn)行靶標(biāo)中心擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 標(biāo)靶中心擬合

首先，根據(jù)擬合得到的靶標(biāo)中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算全站儀在水平方向上的旋轉(zhuǎn)角度ΔAx和在豎直方向上的旋轉(zhuǎn)角度ΔAy；其次，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度控制全站儀測(cè)軸指向靶標(biāo)中心點(diǎn)；最后，控制全站儀進(jìn)行坐標(biāo)量測(cè)并獲取測(cè)量結(jié)果。

為驗(yàn)證該文自動(dòng)測(cè)量方法在不同距離下的精度，選擇在35 m、85 m以及135 m不同距離下分別對(duì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

觀(guān)察表2～表4可知，較差均在mm級(jí)且隨著觀(guān)測(cè)距離變長(zhǎng)，較差絕對(duì)值的平均值也會(huì)變大。

表2 35 m處的測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果

表3 85 m處的測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果

表4 135 m處的測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

該文基于全站儀自動(dòng)照準(zhǔn)原理，提出了利用圖像全站儀的相機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心自動(dòng)照準(zhǔn)的方法。通過(guò)測(cè)試分析可以得出結(jié)論：在135 m的觀(guān)測(cè)距離內(nèi)，利用該文的自動(dòng)照準(zhǔn)方法，圖像全站儀可以達(dá)到mm級(jí)別的測(cè)量精度，具有廣闊的應(yīng)用前景；隨著觀(guān)測(cè)距離的變長(zhǎng)，該文的自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)量誤差也開(kāi)始變大。

但是在該測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)部分場(chǎng)景下的靶標(biāo)無(wú)法做到自動(dòng)識(shí)別，圖像識(shí)別后的中心擬合精度也有待進(jìn)一步提高。