全站扫描仪的发展及其工程应用研究
时间：2020-08-08 03:56:37 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：全站扫描仪是测量领域内技术革新的产物，其综合了全站仪、CCD相机及三维激光扫描等多项测量技术。本文主要介绍了全站仪的主要发展历程，并在其基础上分析了全站扫描仪在各个工程领域的应用前景，展示了全站扫描仪在执行测量任务时的优越性。
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.
关键词：全站仪;三维激光扫描;工程应用
Key words：
total station;3D laser scanning;engineering application
中图分类号：P228 文獻标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）22-0214-02
0 引言
测量领域内设备的发展随着社会进步和技术创新而迅猛发展，成为测量技术和工业应用中极为重要的一部分。全站仪随着社会的进步改革创新了很多代，从最初的经纬仪叠加测距仪到智能全站仪，均在测量行业做出了巨大贡献。现如今几乎每台全站仪都能够执行快速无反射镜测量和棱镜自动跟踪，通过集成到设备中的一个或多个相机来控制全站仪也成为可能，而GNSS接收机有时也被集成到全站仪中提供定位服务。与此同时，地面激光扫描仪（TLS）的使用也越来越普遍，它提供沿预定帧测量的密集点云，然后通过点云处理间接获得点的三维坐标并还原场景表面的三维几何形状。由于更加精确和更快的传感器技术，以及相应的数据处理的软件功能，地面激光扫描现已经作为高精度，三维映射和物理场景和结构还原的可靠技术。在某些情况下，相较全站仪而言，地面激光扫描仪能更加方便地用于测量和监测任务中。在使用地面激光扫描仪时，往往要求采集的密集点云在与扫描仪相关的本地坐标系统中是已知的，此时全站仪的测量功能可以提供此项协助，也就诞生了集全站仪和地面激光扫描仪等于一身的全站扫描仪设备。
1 全站仪设备的发展
1.1 全站仪的诞生
19世纪60年代，电子化的角度和距离测量设备诞生，同时随着处理器技术的发展，使得基于三角函数计算的极坐标法得到实际的应用，而另一个使得极坐标测量方法得到快速发展的是数据存储技术的进步。第一台集成了距离测量、角度测量及数据记录功能的商业全站仪诞生于1968年，在接下来的十多年里，仪器设备在不断的精进，生产商们制造了很多体积小，携带容易，测量速度快且易于管理的全站仪。随着小巧的测量反射棱镜的诞生，全站仪迈向了机动化的步伐，可以实现棱镜目标的锁定及自动跟踪。在机动化全站仪的基础上，开发了无反射棱镜测距的全站仪，可以在无合作目标的情况下进行距离的测量，但是其精度会低于有棱镜的情况。
1.2 智能全站仪
为克服需要人工照准目标的不足，自动目标识别和照准等功能被开发出来，实现了全站仪的自动化及智能化。智能全站仪又被称为测量机器人，在相应的软件的支持下，智能全站仪可以在无人干预的条件下自动完成多个目标的识别、照准及测量等工作。智能全站仪的技术组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获和集成传感器等部分。坐标系统为球面坐标系统，望远镜能绕仪器的纵轴和横轴旋转，在水平面360°、竖面180°范围内寻找目标;操纵器的作用是控制机器人的转动;换能器可将电能转化为机械能以驱动步进马达运动;计算机和控制器的功能是从设计开始到终止操纵系统、存储观测数据并与其他系统接口，控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统;闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器，以进行跟踪测量或精密定位;决定制作主要用于发现目标，如采用模拟人识别图像的方法（称试探分析）或对目标局部特征分析的方法（称句法分析）进行影像匹配;目标获取用于精确地照准目标，常采用开窗法、阀值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等;集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。有些智能全站仪为用户提供了一个二次开发平台，利用该平台开发的软件可以直接在全站仪上运行。利用计算机软件实现测量过程、数据记录、数据处理和报表输出的自动化，从而在一定程度上实现了监测自动化和一体化。
1.3 影像辅助全站仪
在智能全站仪的基础上，通过进一步改进和创新产生了图像辅助全站仪。图像辅助全站仪是配备有一个或多个内置的数字照相机的全站仪，用于定位、转向及测量等操作。在处理这种仪器时，其校准非常重要，校准确保了内置摄像头和望远镜视线之间的完美同轴度，以便于观察到的图像对应于包含待测点的目标区域。一般来说，影像辅助全站仪主要包括了一个广角相机和一个望远镜同轴相机。其广角相机提供了概览用户的场景，可以进行投影测量或者将先验已知的点和线显示在相机图片。广角相机比望远镜同轴相机有着更大的视野，其投影中心与测角中心不同，仪器的十字丝在相机图像上被投影成一条线，为了发挥其测量作用，必须对广角相机进行畸变矫正。望远镜同轴相机的投影中心与测角中心重合，拍摄图片的像素位置可以直接转换为相应的角度信息。同时同轴相机可以充分利用望远镜的放大倍数，但是其视野一般较小。
1.4 全站扫描仪
随着测绘科学技术的变革，集成化的智能测绘硬件装备是未来的发展趋势，通过将全站仪、CCD相机、GNSS接收机及三维激光扫描仪等进行集成构造了测量设备的革新产品全站扫描仪，全站扫描仪将多种测量技术集于一身，可以快速高效的得到高精度的测量成果，主要功能包括智能全站仪测量、超站仪测量、图像测量及点云扫描测量等。对于智能全站仪测量，全站扫描仪一般具有经典全站仪的全部功能，一般都有着很高的测角及测距精度，伺服马达驱动、目标自动识别等功能可实现单点的快速测量。同时部分厂家的全站扫描仪支持和GNSS接收机构成一个紧密的整体，快速获取其三维坐标作为仪器测站中心坐标。在图像测量方面，全站扫描仪继承了影像辅助全站仪的功能，通过具有百万级像素的广角相机或望远镜相机可以获得被测目标的高清图像。全站扫描仪的最大特点就是具有了扫描功能，但是相对与传统的三维激光扫描仪来说，其采集点云的频率较低。其优势在于扫描精度更高，同时由于有了全站仪测量模式的配合，在采集的点云數据的匹配和拼接方面更加的高效。
2 全站扫描仪的工程应用
2.1 土木工程中的应用
全站扫描仪第一个有前景的应用领域是土木工程结构的监测。例如桥梁监测、大坝监测以及烟囱变形监测等，其主要优点是可以通过基于摄像头的视图自动检测目标，而无需使用反射棱镜。对于桥梁监测，可以使用全站扫描仪的相机功能研究行人天桥上的振动和位移，防止结构故障。在大坝监测中，可以使用线扫描模块扫描坝面以及特定的横截面，以在坝上的加载实验期间进行沉降分析。对于工业烟囱变形监测，可从分布在烟囱周围的控制网中的几个站点捕获定向图像。在不同的图像处理步骤之后从这些图片中提取烟囱的轮廓，并最终重建被测量对象的模型。全站扫描仪采集的数据对于研究土木工程结构的整体变形行为是有价值的，因为采集的点云数据能够识别不同的变形模式。
2.2 地球科学领域的应用
地球科学领域通常使用GNSS技术和传统的序贯测量法监测自然区域的变形或变化，近些年来全站扫描仪在地球科学领域也有广泛的应用前景。在高山不稳定斜坡的监测中，传统的监测方法需要使用外部设备控制安装的摄像机，而全站扫描仪正好集成了相关功能，此时全站扫描仪被应用于滑坡监测及表面岩石或碎片等目标的自动检测。在进行火山活动与地震灾害的相关研究时，可利用全站扫描仪来采集图片，同时利用其采集的点云数据来研究构造区域，在对点云进行网格划分后，它们能够创建数字模型，并在模型中测量断层位移，再通过与来自其他传感器的信息相结合，可以预测地质灾害之间的潜在相互作用。在变化检测方面，全站扫描仪可用于海滩的侵蚀调查，通过设定扫描区域，确定被研究区域在一定时间内的变化情况。在山区地形的位移矢量监测中，利用全站扫描仪的优势是仅仅采用一台测量仪器就能执行相关任务，避免了采用多台设备的繁重性。
2.3 建筑和文化遗产中的应用
建筑调查和文化遗产领域是全站扫描仪的又一个重要应用领域。如有研究人员利用来自拓普康IS-3设备的数据以及使用传统数码相机获取的图像来创建建筑立面三维模型。在这项旨在记录建筑物几何特征的研究中，拓普康全站扫描仪使用标准扫描模式用于无反射点采集。在建筑信息模型（BIM）的背景下，关于竣工建模的动态和静态的采集方法，点云数据越来越多地用作建筑中。使用全站扫描仪进行的静态采集与基于移动技术获得的数据进行比较，尽管需要更多时间，全站扫描仪能够提供更好的空间精度。在文化遗产的领域中，也有相关报道利用拓普康IS-3设备进行小型工件的三维建模。
3 结束语
由于新功能和传感器集成到硬件中，全站仪变得更加智能化，同时激光扫描是用于快速采集三维几何形状越来越受欢迎的解决方案。在这种情况下，全站扫描仪的概念被引入，以限定不仅用于扫描目的而且用于执行传统的测量任务的仪器。新一代仪器的多功能性代表了它最有价值的方面，因为只需一台独特的仪器就可以进行各种各样的测量任务。
参考文献：
[1]卢群.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用研究[J].建材与装饰，2020（01）：230-231.
[2]陈伟.三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用[J].地理空间信息，2019，17（07）：103-106，11.
[3]彭劲松，叶波，李娟，等.三维激光技术在建筑物外立面测量中的应用[J].测绘通报，2018（07）：156-159.
[4]汪冲，向民志，吴卓昊.一种新的全站式扫描仪扫描点位精度分析方法[J].测绘科学技术学报，2018，35（01）：60-64.
[5]文平.高精度智能全站仪结合徕卡多测回测角软件在山区高程控制测量中的应用[J].价值工程，2018，37（11）：237-239.
[6]管富豪，张序，张良桥，等.影像全站仪在文物三维数字化测量中的应用与实践[J].测绘与空间地理信息，2016，39（09）：170-172.
基金项目：湖北省大学生创新创业训练计划项目（201810500036）。
作者简介：王熠（1998-），女，湖北咸宁人，学士，研究方向为工程管理。
