基于不同观测环境下徕卡TCA2003测量机器人ATR性能分析

王耀国，郭腾龙

(1.洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南 洛阳 471000； 2.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450000)

1 引 言

测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并且获取其角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型全站仪[1]。自动目标识别(下文简称ATR)系统是智能型电子全站仪所具有的一种自动识别系统[2]，TCA2003将程序操控的TPS系统和CCD技术有机地结合起来，通过通讯和激光实现了测量的全自动化，是一个集测距、照准、目标分别识别跟踪、测角、记录等多种功能于一身的综合平台[3]，经过测量机器人的望远镜向目标棱镜发射红外光束，棱镜反射形成的光点照射到测量机器人的CCD传感器，通过感应与传感器中心的相对位置关系，计算目标棱镜的水平方向值和垂直角。

TCA2003测量机器人的测角标称精度为±0.5″，ATR功能的搜索范围为 200 m，标称精度为 ±1 mm[8]。影响ATR测量精度的因素有很多，除了取决于CCD阵列的分辨率，ATR的照准差以及仪器的轴系误差等内部因素外[4]，还取决于测量的条件主要包括大气因素、场景因素、传感器与平台特性[5]。本文以TCA2003测量机器人为例，研究不同观测环境下徕卡TCA2003测量机器人ATR性能，通过测试观测环境、观测背景和棱镜的视场方位对ATR功能的影响，并将测量机器人ATR功能测量得出的数据与人工测量的数据相比较，提出相关注意事项，为实际工作提供有益的借鉴。

2 自动目标识别(ATR)技术

如图1所示[6]，TCA2003测量机器人的照准部中安装了一个电荷耦合器件图像传感器阵列(Charge Coupled Device，简称CCD阵列)。CCD阵列接收照准部发射的红外测量信号后形成光点，以其中心为参考，根据相应的图像处理算法，测量机器人可以确定棱镜中心在望远镜视场中的位置。

图1 TCA2003测量机器人照准部

利用自身的马达驱动系统，驱动望远镜接近测量机器人的望远镜十字丝中心，然后计算十字丝中心与棱镜中心的偏移值。根据偏移值驱动马达转动望远镜再次照准棱镜和计算偏移值，最终利用该偏移值修正水平方向值和竖直角值，得出ATR测量数据。很明显，ATR测值的精度与棱镜中心的识别精度直接相关。

ATR测值的精度与棱镜中心的识别精度直接相关，自动目标识别的过程包括预处理图像、分割图像、特征处理和目标识别等阶段。其中，分割图像是自动目标识别的关键，它将测量机器人望远镜视场范围所接受图像进行识别，将包含棱镜的目标区域和不包括棱镜的背景区域进行分割。常见的图像分割算法有直方图阈值法、聚类法和边缘检测法等，其中聚类法是根据相似性(或非相似性)准则对模式进行分类，使得相似的模式尽可能地被划分为一类，不相似的模式尽可能地被划分到不同的类中[5]，为目标区域(也就是棱镜)的识别奠定基础。

(1)

其中，α1和α2为分别是类C1和类C2的像素数与图像总像素数之比，μ1和μ2为分别是类C1和类C2的像素值均值。

首先令|μ1-μ2|=△μ，由于上述参数都是阈值x的函数，式(1)可变为

(2)

(3)

3 不同环境条件下ATR性能测试与结果分析

为了测试观测环境、观测背景和棱镜的视场方位对TCA2003的影响，设计了如下3个实验进行验证。

3.1 观测环境对ATR的影响实验

选取了3种典型观测环境：植被区域、逆光区域和建筑区域遮挡作为测试环境，从早晨7：00至晚上6：00，以TCA2003测量机器人的ATR模式，利用其内置的观测程序，采用全圆观测法每个小时观测两个测回，共24测回。同时，人工观测在自动观测之后进行，作为ATR测值的外部检验。观测结果如表1所示。

其中，“归零方向值精度”是指24测回的某种条件下归零方向值的中误差，“较差”是指相应观测环境下的人工和ATR的归零方向值之差。

不同观测环境下ATR与人工测值对比表 表1

分析结果可知，逆光区域环境下，ATR和人工读数的精度差别较大，而且较差最大值达到了9.4″，而其余环境下精度基本一致。

3.2 观测背景对ATR的影响实验

根据在实际测量工作中常见的观测背景，选择比较有代表性的白墙、夜幕、透明玻璃门和汽车作为观测背景，选择一个平坦场地作为实验场地，从早晨7：00至晚上23：00，选择有利时间段，将目标棱镜分别放置在4种不同观测背景前面，以此作为背景，利用ATR模式测量水平角和竖直角，结果如表2所示。

不同观测背景下ATR与人工测值对比表 表2

其中，“较差”是指相应观测背景下的人工和ATR的角值之差。

分析结果可知，棱镜后的特殊背景对ATR的测角精度存在不同程度的影响，并且ATR的实测精度下降较大，并且总体低于人工的实测精度。其中，ATR的测角精度受汽车背景和透明玻璃门背景的影响较大。

3.3 棱镜的视场方位对ATR的影响实验

在空旷场地布设5个控制点(其中测站点为A，4个观测点分别为1、2、3和4号)，首先人工利用方向观测法观测10个测回，取平均值得到人工测得的角度值(即1号点为零方向，2、3和4号点的归零方向值)。

图2 观测点分布示意图

将棱镜在望远镜的视场位置分别调整设置为左上、右上、左下、右下，利用测量机器人的ATR功能，每种情况分别观测10个测回，取平均值得到ATR测得的角度值，并与人工测得的角度值进行比较，将各归零方向值的秒位列于表3。

不同视场方位下ATR与人工测值对比表 表3

分析表3可知，棱镜的视场方位对ATR的观测结果存在不同程度的影响。当棱镜位置望远镜下方时，观测结果与人工测值相差较大，最大较差达到了4″。

4 结 论

根据测试实验，得出如下结论：

(1)常规观测环境下，ATR的观测精度较高，优于人工观测的精度。但是，在逆光的情况下，棱镜与背景环境的反差下降较大，容易出现ATR的不稳定现象，因此实际生产工作中，应避免在逆光的情况下使用ATR功能。

(2)当棱镜后有白色背景、镜面反射背景时，ATR的观测精度下降较大，出现粗差的可能性增加，因此外业观测时应避免将观测点选在强反射背景的附近。

(3)棱镜在视场中的方位也会影响ATR的准确性，当棱镜处于不利的观测方位时，容易出现识别问题，出现较大的误差。

综上分析，应避免在上述但不仅限于上述的极端情况下使用，因此前期选点和后期观测都应尤为注意，如若无法避免，应结合人工观测的结果综合分析，增加ATR测值的检核条件。