王耀國(guó)，郭騰龍

(1.洛陽(yáng)市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000； 2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 引 言

測(cè)量機(jī)器人是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并且獲取其角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型全站儀[1]。自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(下文簡(jiǎn)稱ATR)系統(tǒng)是智能型電子全站儀所具有的一種自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[2]，TCA2003將程序操控的TPS系統(tǒng)和CCD技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，通過通訊和激光實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的全自動(dòng)化，是一個(gè)集測(cè)距、照準(zhǔn)、目標(biāo)分別識(shí)別跟蹤、測(cè)角、記錄等多種功能于一身的綜合平臺(tái)[3]，經(jīng)過測(cè)量機(jī)器人的望遠(yuǎn)鏡向目標(biāo)棱鏡發(fā)射紅外光束，棱鏡反射形成的光點(diǎn)照射到測(cè)量機(jī)器人的CCD傳感器，通過感應(yīng)與傳感器中心的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算目標(biāo)棱鏡的水平方向值和垂直角。

TCA2003測(cè)量機(jī)器人的測(cè)角標(biāo)稱精度為±0.5″，ATR功能的搜索范圍為 200 m，標(biāo)稱精度為 ±1 mm[8]。影響ATR測(cè)量精度的因素有很多，除了取決于CCD陣列的分辨率，ATR的照準(zhǔn)差以及儀器的軸系誤差等內(nèi)部因素外[4]，還取決于測(cè)量的條件主要包括大氣因素、場(chǎng)景因素、傳感器與平臺(tái)特性[5]。本文以TCA2003測(cè)量機(jī)器人為例，研究不同觀測(cè)環(huán)境下徠卡TCA2003測(cè)量機(jī)器人ATR性能，通過測(cè)試觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)背景和棱鏡的視場(chǎng)方位對(duì)ATR功能的影響，并將測(cè)量機(jī)器人ATR功能測(cè)量得出的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)相比較，提出相關(guān)注意事項(xiàng)，為實(shí)際工作提供有益的借鑒。

2 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)技術(shù)

如圖1所示[6]，TCA2003測(cè)量機(jī)器人的照準(zhǔn)部中安裝了一個(gè)電荷耦合器件圖像傳感器陣列(Charge Coupled Device，簡(jiǎn)稱CCD陣列)。CCD陣列接收照準(zhǔn)部發(fā)射的紅外測(cè)量信號(hào)后形成光點(diǎn)，以其中心為參考，根據(jù)相應(yīng)的圖像處理算法，測(cè)量機(jī)器人可以確定棱鏡中心在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的位置。

圖1 TCA2003測(cè)量機(jī)器人照準(zhǔn)部

利用自身的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡接近測(cè)量機(jī)器人的望遠(yuǎn)鏡十字絲中心，然后計(jì)算十字絲中心與棱鏡中心的偏移值。根據(jù)偏移值驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡再次照準(zhǔn)棱鏡和計(jì)算偏移值，最終利用該偏移值修正水平方向值和豎直角值，得出ATR測(cè)量數(shù)據(jù)。很明顯，ATR測(cè)值的精度與棱鏡中心的識(shí)別精度直接相關(guān)。

ATR測(cè)值的精度與棱鏡中心的識(shí)別精度直接相關(guān)，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的過程包括預(yù)處理圖像、分割圖像、特征處理和目標(biāo)識(shí)別等階段。其中，分割圖像是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵，它將測(cè)量機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)范圍所接受圖像進(jìn)行識(shí)別，將包含棱鏡的目標(biāo)區(qū)域和不包括棱鏡的背景區(qū)域進(jìn)行分割。常見的圖像分割算法有直方圖閾值法、聚類法和邊緣檢測(cè)法等，其中聚類法是根據(jù)相似性(或非相似性)準(zhǔn)則對(duì)模式進(jìn)行分類，使得相似的模式盡可能地被劃分為一類，不相似的模式盡可能地被劃分到不同的類中[5]，為目標(biāo)區(qū)域(也就是棱鏡)的識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

(1)

其中，α1和α2為分別是類C1和類C2的像素?cái)?shù)與圖像總像素?cái)?shù)之比，μ1和μ2為分別是類C1和類C2的像素值均值。

首先令|μ1-μ2|=△μ，由于上述參數(shù)都是閾值x的函數(shù)，式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

(3)

3 不同環(huán)境條件下ATR性能測(cè)試與結(jié)果分析

為了測(cè)試觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)背景和棱鏡的視場(chǎng)方位對(duì)TCA2003的影響，設(shè)計(jì)了如下3個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 觀測(cè)環(huán)境對(duì)ATR的影響實(shí)驗(yàn)

選取了3種典型觀測(cè)環(huán)境：植被區(qū)域、逆光區(qū)域和建筑區(qū)域遮擋作為測(cè)試環(huán)境，從早晨7：00至晚上6：00，以TCA2003測(cè)量機(jī)器人的ATR模式，利用其內(nèi)置的觀測(cè)程序，采用全圓觀測(cè)法每個(gè)小時(shí)觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，共24測(cè)回。同時(shí)，人工觀測(cè)在自動(dòng)觀測(cè)之后進(jìn)行，作為ATR測(cè)值的外部檢驗(yàn)。觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

其中，“歸零方向值精度”是指24測(cè)回的某種條件下歸零方向值的中誤差，“較差”是指相應(yīng)觀測(cè)環(huán)境下的人工和ATR的歸零方向值之差。

不同觀測(cè)環(huán)境下ATR與人工測(cè)值對(duì)比表 表1

分析結(jié)果可知，逆光區(qū)域環(huán)境下，ATR和人工讀數(shù)的精度差別較大，而且較差最大值達(dá)到了9.4″，而其余環(huán)境下精度基本一致。

3.2 觀測(cè)背景對(duì)ATR的影響實(shí)驗(yàn)

根據(jù)在實(shí)際測(cè)量工作中常見的觀測(cè)背景，選擇比較有代表性的白墻、夜幕、透明玻璃門和汽車作為觀測(cè)背景，選擇一個(gè)平坦場(chǎng)地作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，從早晨7：00至晚上23：00，選擇有利時(shí)間段，將目標(biāo)棱鏡分別放置在4種不同觀測(cè)背景前面，以此作為背景，利用ATR模式測(cè)量水平角和豎直角，結(jié)果如表2所示。

不同觀測(cè)背景下ATR與人工測(cè)值對(duì)比表 表2

其中，“較差”是指相應(yīng)觀測(cè)背景下的人工和ATR的角值之差。

分析結(jié)果可知，棱鏡后的特殊背景對(duì)ATR的測(cè)角精度存在不同程度的影響，并且ATR的實(shí)測(cè)精度下降較大，并且總體低于人工的實(shí)測(cè)精度。其中，ATR的測(cè)角精度受汽車背景和透明玻璃門背景的影響較大。

3.3 棱鏡的視場(chǎng)方位對(duì)ATR的影響實(shí)驗(yàn)

在空曠場(chǎng)地布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)(其中測(cè)站點(diǎn)為A，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別為1、2、3和4號(hào))，首先人工利用方向觀測(cè)法觀測(cè)10個(gè)測(cè)回，取平均值得到人工測(cè)得的角度值(即1號(hào)點(diǎn)為零方向，2、3和4號(hào)點(diǎn)的歸零方向值)。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)分布示意圖

將棱鏡在望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)位置分別調(diào)整設(shè)置為左上、右上、左下、右下，利用測(cè)量機(jī)器人的ATR功能，每種情況分別觀測(cè)10個(gè)測(cè)回，取平均值得到ATR測(cè)得的角度值，并與人工測(cè)得的角度值進(jìn)行比較，將各歸零方向值的秒位列于表3。

不同視場(chǎng)方位下ATR與人工測(cè)值對(duì)比表 表3

分析表3可知，棱鏡的視場(chǎng)方位對(duì)ATR的觀測(cè)結(jié)果存在不同程度的影響。當(dāng)棱鏡位置望遠(yuǎn)鏡下方時(shí)，觀測(cè)結(jié)果與人工測(cè)值相差較大，最大較差達(dá)到了4″。

4 結(jié) 論

根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)常規(guī)觀測(cè)環(huán)境下，ATR的觀測(cè)精度較高，優(yōu)于人工觀測(cè)的精度。但是，在逆光的情況下，棱鏡與背景環(huán)境的反差下降較大，容易出現(xiàn)ATR的不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此實(shí)際生產(chǎn)工作中，應(yīng)避免在逆光的情況下使用ATR功能。

(2)當(dāng)棱鏡后有白色背景、鏡面反射背景時(shí)，ATR的觀測(cè)精度下降較大，出現(xiàn)粗差的可能性增加，因此外業(yè)觀測(cè)時(shí)應(yīng)避免將觀測(cè)點(diǎn)選在強(qiáng)反射背景的附近。

(3)棱鏡在視場(chǎng)中的方位也會(huì)影響ATR的準(zhǔn)確性，當(dāng)棱鏡處于不利的觀測(cè)方位時(shí)，容易出現(xiàn)識(shí)別問題，出現(xiàn)較大的誤差。

綜上分析，應(yīng)避免在上述但不僅限于上述的極端情況下使用，因此前期選點(diǎn)和后期觀測(cè)都應(yīng)尤為注意，如若無法避免，應(yīng)結(jié)合人工觀測(cè)的結(jié)果綜合分析，增加ATR測(cè)值的檢核條件。