全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)方法分析

汪燈林

樟樹市規(guī)劃院，江西 宜春 331200

0 前言

全站儀是測(cè)繪常用設(shè)備，全稱為全站型電子測(cè)距儀，可用于測(cè)量水平角、垂直角、高差等參數(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，測(cè)量設(shè)備表現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢(shì)，全站儀的功能更為豐富，改進(jìn)傳統(tǒng)人工操作模式，自動(dòng)完成目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別及目標(biāo)照準(zhǔn)等操作，顯著提升工作效率與測(cè)量精度。

1 全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)原理

在以往測(cè)量工作中，全站儀采用人工操作模式，效率低、精度低、強(qiáng)度大。針對(duì)該問(wèn)題，制造企業(yè)引進(jìn)全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)技術(shù)，研發(fā)ATR 全站儀，改進(jìn)測(cè)量工作。目前國(guó)內(nèi)ATR 全站儀的智能化水平與國(guó)際領(lǐng)先水平存在差異，應(yīng)掌握全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)原理，探究識(shí)別與照準(zhǔn)方法，提高測(cè)量精度與效率［1］。

ATR 全站儀內(nèi)置探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)。探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)安裝CCD 相機(jī)，在發(fā)射紅外激光后，反射的光束被CCD 相機(jī)接收，形成照準(zhǔn)光斑，計(jì)算光斑圖像的各項(xiàng)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，探測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)計(jì)算的光斑與目標(biāo)棱鏡偏離量，以此調(diào)整馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，校準(zhǔn)水平角及垂直角等參數(shù)，明確光斑中心的準(zhǔn)確數(shù)值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)照準(zhǔn)［2］。

2 全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)方法

2.1 圖像預(yù)處理

基于上述原理分析可知，圖像是自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)的基礎(chǔ)，應(yīng)結(jié)合圖像分析要求對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，處理步驟分為以下兩項(xiàng)：

第一，去噪處理。因全站儀測(cè)繪環(huán)境為室外，圖像背景相對(duì)復(fù)雜，加大噪聲亮度，應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。結(jié)合光斑處理要求，ATR 全站儀選擇圖像相減法進(jìn)行去噪，在發(fā)射紅外光與不發(fā)射紅外光的情況下，采集兩幅圖像，按照如下公式進(jìn)行灰度矩陣相減處理：，使圖像中的目標(biāo)光斑更為顯著，便于分析。

第二，多目標(biāo)分割。將去噪處理活動(dòng)的灰度圖像為基礎(chǔ)，以中心點(diǎn)為起點(diǎn)，按照從近到遠(yuǎn)的順序，以螺旋路徑尋找起點(diǎn)附近的灰度非0 像素點(diǎn)，第一次尋找的像素點(diǎn)數(shù)量為3 個(gè)，再依次將3 個(gè)像素點(diǎn)為起點(diǎn)，按照上述原則尋找對(duì)應(yīng)的3 個(gè)像素點(diǎn)，逐漸擴(kuò)大處理范圍，直到尋找的像素點(diǎn)灰度均為0，明確光斑邊緣，進(jìn)而明確光斑具體位置。去除原始圖像中的光斑位置，重新進(jìn)行光斑查找，進(jìn)而明確所有光斑位置。

2.2 光斑中心分析

將圖像預(yù)處理中查找的光斑為基礎(chǔ)，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的光斑中心。不同光斑的特征不同，適用的計(jì)算方法不同。就目前技術(shù)水平而言，常用計(jì)算方法及特點(diǎn)如下：

（1）灰度重心法：利用灰度值計(jì)算中心坐標(biāo)，該方法適用于灰度值較高、且去噪效果較好的圖像；

（2）高斯擬合法：利用高斯函數(shù)計(jì)算中心坐標(biāo)，該方法適用于光強(qiáng)分布與高斯分布一致的情況；

（3）橢圓擬合法：利用橢圓方程擬合計(jì)算參數(shù)，該方法適用于圖像數(shù)據(jù)存在一定規(guī)律的情況。在光斑中心計(jì)算中，后兩種方法所得的中心并非代表發(fā)光點(diǎn)中心，而是亞像素級(jí)中心，且其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。在ATR 全站儀應(yīng)用中，圖像經(jīng)去噪處理，滿足灰度重心法的應(yīng)用條件，無(wú)需進(jìn)行二值化數(shù)據(jù)處理，簡(jiǎn)化計(jì)算流程，提高計(jì)算效率。就此，ATR 全站儀探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置灰度重心法，保障圖像光斑中心的準(zhǔn)確高效計(jì)算。

2.3 自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)

在明確光斑中心的基礎(chǔ)上，探測(cè)系統(tǒng)需進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，為后續(xù)識(shí)別與照準(zhǔn)創(chuàng)設(shè)良好環(huán)境，保障測(cè)量精度。系統(tǒng)標(biāo)定是指首先通過(guò)人工照準(zhǔn)操作，選擇一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)A，再調(diào)整全站儀的角度，計(jì)算角度變化后點(diǎn)A 對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)參數(shù)（包括像素變化參數(shù)、像素點(diǎn)角度等），再通過(guò)精確照準(zhǔn)操作，使點(diǎn)A 位于探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)中心，獲取點(diǎn)A 在圖像中的坐標(biāo)，進(jìn)而對(duì)應(yīng)至CCD相機(jī)內(nèi)，完成中心點(diǎn)的標(biāo)定。為保障系統(tǒng)標(biāo)定準(zhǔn)確性，可設(shè)置多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，求取平均值。在系統(tǒng)標(biāo)定完成后，針對(duì)棱鏡狀況，按照規(guī)范流程進(jìn)行識(shí)別與照準(zhǔn)［3］。

對(duì)于棱鏡處于視場(chǎng)范圍內(nèi)的狀況，按照?qǐng)D像預(yù)處理、光斑中心分析流程操作，結(jié)合光斑中心數(shù)據(jù)參數(shù)，明確其與標(biāo)定中心間的偏移量，計(jì)算其與圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)獲取的像素點(diǎn)角度值乘積，即可獲得偏移角度。將該角度以電信號(hào)傳輸至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的角度，消除偏移角度，降低光斑中心與標(biāo)定中心間的偏移量。重復(fù)上述操作，直到偏移量滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊的最低要求，以此完成目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)，獲取更為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

對(duì)于棱鏡不處于視場(chǎng)范圍內(nèi)的狀況，首先要查找棱鏡的位置，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)控制全站儀進(jìn)行視場(chǎng)感應(yīng)區(qū)的搜索，常用的搜索方式包括螺旋式與逐行式兩種。通過(guò)搜索明確棱鏡位置后，即可按照上述流程進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)，獲取精確測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.4 精度分析試驗(yàn)

在明確全站儀目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)方法后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度的設(shè)定，開展測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證全站儀精度是否滿足要求，進(jìn)而評(píng)估目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)方法的應(yīng)用效果。在測(cè)量試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)精度為10″，測(cè)量參數(shù)為垂直角。測(cè)定結(jié)果顯示，人工照準(zhǔn)的測(cè)量值為360°00′00″，實(shí)際值在359°59′51″～359°59′59″之間，所有實(shí)際值與人工照準(zhǔn)數(shù)值之差均低于10″，說(shuō)明全站儀的自動(dòng)測(cè)量結(jié)果與人工照準(zhǔn)操作獲取的數(shù)據(jù)相差無(wú)幾，其精度滿足測(cè)量要求，可推廣普及。

3 結(jié)論

綜上所述，在ATR 全站儀測(cè)量中，探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)配置CCD相機(jī)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)完成圖像采集、圖像處理、參數(shù)調(diào)整等工作，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)。和人工操作相比，兩者測(cè)量數(shù)值精度一致，但ATR 全站儀工作效率更高，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備研發(fā)，推廣該功能。