TCA1800全站儀ATR系統(tǒng)可靠性分析

楊名川

摘 要：介紹了徠卡TCA1800全站儀的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）系統(tǒng)及其功能， 研究了自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的測(cè)角精度及其可靠性。通過(guò)選擇在不同觀測(cè)時(shí)間、不同觀測(cè)距離、不同觀測(cè)環(huán)境下，詳細(xì)分析ATR的測(cè)角精度以及環(huán)境對(duì)測(cè)角質(zhì)量的影響，比較傳統(tǒng)的人工測(cè)角與ATR測(cè)角的可靠性，獲得有益的結(jié)論，來(lái)指導(dǎo)使用者選擇徠卡TCA1800的觀測(cè)方式及觀測(cè)時(shí)段。

關(guān)鍵詞：TCA1800全站儀；自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)；測(cè)角；精度分析

1 緒論

1.1 目的。隨著具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR-automatic target recognition）的智能型全站儀的問(wèn)世，使測(cè)量方法發(fā)生了革命性的變化。目前，具有ATR功能的全站儀已廣泛應(yīng)用在高精度的精密工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化較高的自動(dòng)觀測(cè)任務(wù)中。然而，在實(shí)際測(cè)量工作中，ATR測(cè)量能否達(dá)到所需的精度要求？觀測(cè)質(zhì)量和成果是否可靠？工作效率跟人工測(cè)量相比如何？基于運(yùn)用徠卡TCA 1800全站儀ATR功能進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)量工作的實(shí)踐，本文通過(guò)對(duì)其在試驗(yàn)中的測(cè)量成果的分析，研究了ATR功能在不同環(huán)境條件下的水平測(cè)角精度，探討ATR測(cè)量的可靠性。

1.2 研究方法。室內(nèi)試驗(yàn)：為避免外界條件對(duì)觀測(cè)造成的影響，選擇觀測(cè)條件穩(wěn)定的室內(nèi)進(jìn)行一個(gè)中心多邊形的水平角觀測(cè)，對(duì)比驗(yàn)證人工觀測(cè)和ATR測(cè)量能達(dá)到的精度。室外試驗(yàn)：通過(guò)室外實(shí)地的大地四邊形測(cè)量，運(yùn)用ATR測(cè)角和傳統(tǒng)的人工測(cè)角進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行精度分析比較，得出ATR測(cè)角在實(shí)際應(yīng)用中的精度。同時(shí)，對(duì)比人工測(cè)量和ATR測(cè)量的工作效率。全天候試驗(yàn)：選擇不同天氣、不同時(shí)間段下，進(jìn)行測(cè)角任務(wù)，然后進(jìn)行精度評(píng)定，求證不同天候情況下，測(cè)角精度是否滿足測(cè)量要求。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 外界條件的影響

精密測(cè)角會(huì)受到外界條件變化的影響，為減少外界條件的影響，精確測(cè)定ATR測(cè)角所能達(dá)到的精度，選擇外界環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地：廣工大結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。在室內(nèi)布置如圖1所示的中心多邊形網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，平均邊長(zhǎng)為18m。

觀測(cè)等級(jí)設(shè)計(jì)：本次試驗(yàn)主要目的是試驗(yàn)儀器在室內(nèi)穩(wěn)定的觀測(cè)條件下不同觀測(cè)方法所能達(dá)到的精度，采用方向觀測(cè)法，TCA 1800屬于DJ1，觀測(cè)4個(gè)測(cè)回。

試驗(yàn)過(guò)程：4月22日，在O點(diǎn)架設(shè)儀器，A、B、C、D、E點(diǎn)架設(shè)棱鏡，將每個(gè)方向逐一照準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)。14：30開(kāi)始人工觀測(cè)4測(cè)回，人工記錄數(shù)據(jù)，14：55結(jié)束人工觀測(cè)，無(wú)重測(cè)；15：00開(kāi)始ATR自動(dòng)觀測(cè)5測(cè)回，儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，15：25結(jié)束，無(wú)重測(cè)。

對(duì)比人工觀測(cè)，ATR自動(dòng)觀測(cè)得出的水平夾角的值列于表1。

2.3 精度分析

在測(cè)站O點(diǎn)觀測(cè)了5個(gè)方向、4個(gè)測(cè)回，則用上式計(jì)算得出的一測(cè)回方向觀測(cè)中誤差，人工觀測(cè)的結(jié)果為±1.22″，ATR觀測(cè)結(jié)果為±0.014″。TCA 1800全站儀的測(cè)角標(biāo)稱精度為±1秒。在觀測(cè)過(guò)程中，由于穩(wěn)定的外界條件，同時(shí)，觀測(cè)距離較短，使得儀器內(nèi)置的CCD傳感器獲取和識(shí)別目標(biāo)的精度得以提高，在ATR觀測(cè)時(shí)，同一方向，望遠(yuǎn)鏡鎖定目標(biāo)之后的方向值幾乎不變。ATR觀測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)稱精度和人工測(cè)角的精度。

3 室外試驗(yàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地：廣工大圖書館東廣場(chǎng)空地，地形開(kāi)闊、通視良好。通過(guò)實(shí)地勘察、選點(diǎn)、埋點(diǎn)，組成一個(gè)大地四邊形網(wǎng)，如圖2所示。最短邊約145m，最長(zhǎng)邊約190m，平均邊長(zhǎng)170m。觀測(cè)等級(jí)設(shè)計(jì)：觀測(cè)網(wǎng)形為大地四邊形，采用四等三角測(cè)量水平角觀測(cè)的技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)測(cè)站的水平觀測(cè)采用方向觀測(cè)法。測(cè)距按照四等控制網(wǎng)的技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程：為了減少大氣折光以及大氣湍流對(duì)測(cè)角的影響，選擇在空氣清新、大氣相對(duì)穩(wěn)定的陰天進(jìn)行觀測(cè)。5月15日8：25開(kāi)始，按照點(diǎn)號(hào)N、W、S、E的順序架設(shè)儀器，先進(jìn)行人工觀測(cè)4測(cè)回，緊接著利用ATR功能進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)4測(cè)回，均為儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，換站時(shí)，儀器與相應(yīng)的棱鏡調(diào)換。11：50所有觀測(cè)結(jié)束，人工觀測(cè)無(wú)重測(cè)；ATR觀測(cè)在點(diǎn)W、S因?yàn)樾腥俗钃醴謩e重測(cè)一測(cè)回。期間，人工觀測(cè)平均一個(gè)測(cè)站需要約12分鐘，ATR觀測(cè)平均一個(gè)測(cè)站需要約15分鐘。

3.2 精度計(jì)算

評(píng)定三角網(wǎng)的測(cè)角精度的主要指標(biāo)是三角形的閉合差，大地四邊形網(wǎng)共有3個(gè)獨(dú)立的三角形。使用人工觀測(cè)和ATR自動(dòng)觀測(cè)計(jì)算得出的三角形閉合差列于表2。

3.3 精度分析

人工測(cè)角和ATR測(cè)角時(shí)間間隔很短，且整個(gè)觀測(cè)時(shí)段氣象條件相對(duì)穩(wěn)定，可以認(rèn)為兩者測(cè)量時(shí)所處的外界條件基本一致，因此，兩者的照準(zhǔn)精度之差基本上就反映在測(cè)角精度上。從數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)過(guò)程可知：（1）在短邊網(wǎng)中，ATR測(cè)量模式和人工測(cè)量模式的測(cè)量精度都能達(dá)到四等三角網(wǎng)的指標(biāo)要求，并且ATR測(cè)量模式的測(cè)角精度略高于人工測(cè)量模式，主要體現(xiàn)在ATR測(cè)量消除了人工的照準(zhǔn)誤差。（2）在短邊網(wǎng)的觀測(cè)中，人工測(cè)量模式在距離發(fā)生變化時(shí)需要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的焦距，從而產(chǎn)生了調(diào)焦誤差，ATR測(cè)量模式不需要進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦，消除了調(diào)焦誤差。

4 全天候觀測(cè)測(cè)試

4.1 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地：為了測(cè)試自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的全天候觀測(cè)的可能性及其精度，選擇在夜間進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]到夜間光線污染對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)場(chǎng)地選在樓頂，選取已布設(shè)在廣工大校內(nèi)的四等點(diǎn)44號(hào)點(diǎn)（東一）、45號(hào)點(diǎn)（西一）、46號(hào)點(diǎn)（教六）。44與45號(hào)點(diǎn)相距約700m，45與46號(hào)點(diǎn)相距約900m，如圖3所示。試驗(yàn)期間，儀器、棱鏡均固定不動(dòng)。

觀測(cè)等級(jí)設(shè)計(jì)：采用方向觀測(cè)法，按四等導(dǎo)線水平角觀測(cè)的技術(shù)要求觀測(cè)。

試驗(yàn)過(guò)程：5月17日17：30，天氣晴朗有陽(yáng)光。在45號(hào)點(diǎn)架設(shè)儀器，進(jìn)行人工觀測(cè)44、46號(hào)點(diǎn)的方向值，觀測(cè)6測(cè)回，由儀器自動(dòng)記錄。17：58人工觀測(cè)結(jié)束，儀器和棱鏡不動(dòng)，等待夜間觀測(cè)。20：30，夜間天氣晴朗有月光，有一定視野。導(dǎo)入白天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)始ATR觀測(cè)，為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，ATR觀測(cè)為8測(cè)回，儀器自動(dòng)記錄。21：10，ATR觀測(cè)結(jié)束。

5月19日18：00，陰天。在45號(hào)點(diǎn)架設(shè)儀器，人工觀測(cè)44、46號(hào)點(diǎn)方向值各一次，儀器自動(dòng)記錄，并導(dǎo)入ATR觀測(cè)程序，儀器和棱鏡不動(dòng)，等待夜間觀測(cè)。20：30，夜間陰天，沒(méi)有視野。開(kāi)始ATR觀測(cè)8測(cè)回，21：15，ATR觀測(cè)結(jié)束。

測(cè)角結(jié)果列于表4。

4.2精度分析

為評(píng)價(jià)ATR在夜間測(cè)量的可靠性，根據(jù)白塞爾公式

按觀測(cè)值的改正值計(jì)算觀測(cè)值的中誤差，結(jié)果如表5。

表5 觀測(cè)值的中誤差

試驗(yàn)證明，TCA 1800全站儀的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在夜間也能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量（需要事先獲得觀測(cè)目標(biāo)的方向值，或直接導(dǎo)入已有的觀測(cè)目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)），且夜間的測(cè)角精度比白天略有提高；而陰天的夜間相對(duì)晴朗的夜間，精度有所下降，均能達(dá)到精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上試驗(yàn)得出如下結(jié)論，提供給選用TCA 1800全站儀的用戶參考：（1）在良好的觀測(cè)環(huán)境下，ATR測(cè)角的精度能達(dá)到很高的水平。短邊網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，ATR測(cè)角的精度略高于人工測(cè)角的精度。（2）在夜間，仍可使用ATR進(jìn)行測(cè)量，并可保證測(cè)量的精度。（3）在良好的外界條件下，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)段，ATR測(cè)角能夠完全代替人工測(cè)角，降低了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。（4）在復(fù)雜的環(huán)境下，如背景有強(qiáng)光反射、棱鏡處在逆光等情況下，使用ATR進(jìn)行測(cè)量會(huì)出現(xiàn)搜索不到棱鏡或照準(zhǔn)棱鏡超時(shí)的錯(cuò)誤。

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