楊名川
摘 要:介紹了徠卡TCA1800全站儀的自動目標識別(ATR)系統(tǒng)及其功能, 研究了自動識別系統(tǒng)的測角精度及其可靠性。通過選擇在不同觀測時間、不同觀測距離、不同觀測環(huán)境下,詳細分析ATR的測角精度以及環(huán)境對測角質(zhì)量的影響,比較傳統(tǒng)的人工測角與ATR測角的可靠性,獲得有益的結論,來指導使用者選擇徠卡TCA1800的觀測方式及觀測時段。
關鍵詞:TCA1800全站儀;自動目標識別系統(tǒng);測角;精度分析
1 緒論
1.1 目的。隨著具有自動目標識別(ATR-automatic target recognition)的智能型全站儀的問世,使測量方法發(fā)生了革命性的變化。目前,具有ATR功能的全站儀已廣泛應用在高精度的精密工程測量、變形監(jiān)測以及自動化較高的自動觀測任務中。然而,在實際測量工作中,ATR測量能否達到所需的精度要求?觀測質(zhì)量和成果是否可靠?工作效率跟人工測量相比如何?基于運用徠卡TCA 1800全站儀ATR功能進行試驗和測量工作的實踐,本文通過對其在試驗中的測量成果的分析,研究了ATR功能在不同環(huán)境條件下的水平測角精度,探討ATR測量的可靠性。
1.2 研究方法。室內(nèi)試驗:為避免外界條件對觀測造成的影響,選擇觀測條件穩(wěn)定的室內(nèi)進行一個中心多邊形的水平角觀測,對比驗證人工觀測和ATR測量能達到的精度。室外試驗:通過室外實地的大地四邊形測量,運用ATR測角和傳統(tǒng)的人工測角進行測量,并進行精度分析比較,得出ATR測角在實際應用中的精度。同時,對比人工測量和ATR測量的工作效率。全天候試驗:選擇不同天氣、不同時間段下,進行測角任務,然后進行精度評定,求證不同天候情況下,測角精度是否滿足測量要求。
2 室內(nèi)試驗
2.1 外界條件的影響
精密測角會受到外界條件變化的影響,為減少外界條件的影響,精確測定ATR測角所能達到的精度,選擇外界環(huán)境相對穩(wěn)定的室內(nèi)進行試驗。
2.2 方案設計
試驗場地:廣工大結構實驗室。在室內(nèi)布置如圖1所示的中心多邊形網(wǎng)進行測試,平均邊長為18m。
觀測等級設計:本次試驗主要目的是試驗儀器在室內(nèi)穩(wěn)定的觀測條件下不同觀測方法所能達到的精度,采用方向觀測法,TCA 1800屬于DJ1,觀測4個測回。
試驗過程:4月22日,在O點架設儀器,A、B、C、D、E點架設棱鏡,將每個方向逐一照準進行觀測。14:30開始人工觀測4測回,人工記錄數(shù)據(jù),14:55結束人工觀測,無重測;15:00開始ATR自動觀測5測回,儀器自動記錄數(shù)據(jù),15:25結束,無重測。
對比人工觀測,ATR自動觀測得出的水平夾角的值列于表1。
2.3 精度分析
在測站O點觀測了5個方向、4個測回,則用上式計算得出的一測回方向觀測中誤差,人工觀測的結果為±1.22″,ATR觀測結果為±0.014″。TCA 1800全站儀的測角標稱精度為±1秒。在觀測過程中,由于穩(wěn)定的外界條件,同時,觀測距離較短,使得儀器內(nèi)置的CCD傳感器獲取和識別目標的精度得以提高,在ATR觀測時,同一方向,望遠鏡鎖定目標之后的方向值幾乎不變。ATR觀測結果遠遠超過標稱精度和人工測角的精度。
3 室外試驗
3.1 方案設計
試驗場地:廣工大圖書館東廣場空地,地形開闊、通視良好。通過實地勘察、選點、埋點,組成一個大地四邊形網(wǎng),如圖2所示。最短邊約145m,最長邊約190m,平均邊長170m。觀測等級設計:觀測網(wǎng)形為大地四邊形,采用四等三角測量水平角觀測的技術要求進行觀測,每個測站的水平觀測采用方向觀測法。測距按照四等控制網(wǎng)的技術要求進行觀測。試驗過程:為了減少大氣折光以及大氣湍流對測角的影響,選擇在空氣清新、大氣相對穩(wěn)定的陰天進行觀測。5月15日8:25開始,按照點號N、W、S、E的順序架設儀器,先進行人工觀測4測回,緊接著利用ATR功能進行自動觀測4測回,均為儀器自動記錄數(shù)據(jù),換站時,儀器與相應的棱鏡調(diào)換。11:50所有觀測結束,人工觀測無重測;ATR觀測在點W、S因為行人阻擋分別重測一測回。期間,人工觀測平均一個測站需要約12分鐘,ATR觀測平均一個測站需要約15分鐘。
3.2 精度計算
評定三角網(wǎng)的測角精度的主要指標是三角形的閉合差,大地四邊形網(wǎng)共有3個獨立的三角形。使用人工觀測和ATR自動觀測計算得出的三角形閉合差列于表2。
3.3 精度分析
人工測角和ATR測角時間間隔很短,且整個觀測時段氣象條件相對穩(wěn)定,可以認為兩者測量時所處的外界條件基本一致,因此,兩者的照準精度之差基本上就反映在測角精度上。從數(shù)據(jù)以及試驗過程可知:(1)在短邊網(wǎng)中,ATR測量模式和人工測量模式的測量精度都能達到四等三角網(wǎng)的指標要求,并且ATR測量模式的測角精度略高于人工測量模式,主要體現(xiàn)在ATR測量消除了人工的照準誤差。(2)在短邊網(wǎng)的觀測中,人工測量模式在距離發(fā)生變化時需要調(diào)整望遠鏡的焦距,從而產(chǎn)生了調(diào)焦誤差,ATR測量模式不需要進行望遠鏡的調(diào)焦,消除了調(diào)焦誤差。
4 全天候觀測測試
4.1 方案設計
試驗場地:為了測試自動識別系統(tǒng)的全天候觀測的可能性及其精度,選擇在夜間進行試驗??紤]到夜間光線污染對觀測產(chǎn)生的影響,試驗場地選在樓頂,選取已布設在廣工大校內(nèi)的四等點44號點(東一)、45號點(西一)、46號點(教六)。44與45號點相距約700m,45與46號點相距約900m,如圖3所示。試驗期間,儀器、棱鏡均固定不動。
觀測等級設計:采用方向觀測法,按四等導線水平角觀測的技術要求觀測。
試驗過程:5月17日17:30,天氣晴朗有陽光。在45號點架設儀器,進行人工觀測44、46號點的方向值,觀測6測回,由儀器自動記錄。17:58人工觀測結束,儀器和棱鏡不動,等待夜間觀測。20:30,夜間天氣晴朗有月光,有一定視野。導入白天的觀測數(shù)據(jù),開始ATR觀測,為保證觀測數(shù)據(jù)的有效性,ATR觀測為8測回,儀器自動記錄。21:10,ATR觀測結束。
5月19日18:00,陰天。在45號點架設儀器,人工觀測44、46號點方向值各一次,儀器自動記錄,并導入ATR觀測程序,儀器和棱鏡不動,等待夜間觀測。20:30,夜間陰天,沒有視野。開始ATR觀測8測回,21:15,ATR觀測結束。
測角結果列于表4。
4.2精度分析
為評價ATR在夜間測量的可靠性,根據(jù)白塞爾公式
按觀測值的改正值計算觀測值的中誤差,結果如表5。
表5 觀測值的中誤差
試驗證明,TCA 1800全站儀的自動識別系統(tǒng)在夜間也能進行自動測量(需要事先獲得觀測目標的方向值,或直接導入已有的觀測目標觀測數(shù)據(jù)),且夜間的測角精度比白天略有提高;而陰天的夜間相對晴朗的夜間,精度有所下降,均能達到精度要求。
5 結束語
根據(jù)以上試驗得出如下結論,提供給選用TCA 1800全站儀的用戶參考:(1)在良好的觀測環(huán)境下,ATR測角的精度能達到很高的水平。短邊網(wǎng)試驗結果表明,ATR測角的精度略高于人工測角的精度。(2)在夜間,仍可使用ATR進行測量,并可保證測量的精度。(3)在良好的外界條件下,選擇適當?shù)臅r段,ATR測角能夠完全代替人工測角,降低了測量人員的勞動強度。(4)在復雜的環(huán)境下,如背景有強光反射、棱鏡處在逆光等情況下,使用ATR進行測量會出現(xiàn)搜索不到棱鏡或照準棱鏡超時的錯誤。
參考文獻
[1]黃騰,陳光保,張書豐.自動識別系統(tǒng)ATR的測角精度研究[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2004,28(3):37-40.
[2]CJJ8-99.城市測量規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.
[3]朱順平,薛英.ATR的工作原理、校準及檢測[J].北京測繪,2005,3:26-29.
[4]孔祥元,郭際明.控制測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2006.
[5]文道平.全面剖析TCA2003全站儀功能原理及其應用[J].云南水電技術,2009,4:79-82.