ATR自动识别系统的测角精度研究.doc

1ATR 自动识别系统的测角精度研究黄腾， 陈光保，张书丰（河海大学土木工程学院， 江苏 南京 210098）摘 要： 介绍了 TCA2003 全站仪的 ATR 自动识别系统及功能，研究了自动识别系统在实际应用中的测角精度及其可靠性基于试验的目的，选择了不同的试验场地和方法，详细分析了 ATR 的测角精度以及环境对测角质量的影响，比较了传统的人工测角与 ATR 测角的可靠性，获得了有益的结论，对开拓 ATR 测量仪器的应用范围具有指导作用关键词：ATR；全站仪；自动识别系统；测角精度ATR（Automatic Target Recognition）是智能型全站仪所具有的一种自动目标识别系统，它利用仪器内置的自控马达和 CCD 相机来完成搜索目标、精确照准和自动观测三个过程具有自动寻找合作目标（即使在能见度差的条件下）、自动精确瞄准合作目标、自动锁定合作目标、跟踪测量移动目标等优点目前，具备该功能的全站仪已广泛地应用于精密工程测量、变形测量、无人值守测量等精度或自动化程度要求高的工程测量中全站仪的标称精度包括测角精度和测距精度，由于该类仪器制造工艺精致，测距发光管相位不均匀误差很小，因此，ATR 识别的准确度对测距精度几乎无妨，但直接影响着测角精度。

在实际应用中，利用 ATR 测量能否达到仪器的标称精度？能否达到测量所需精度的要求，以及在特定条件下，如夜间，雾天等人工无法观测时，ATR 是否能代替人工，成为全天候观测？本文通过在室内、实地、全天候等条件下的一系列试验，旨在研究 ATR 的测量精度可靠性及其应用范围1 试验仪器及功能具有 ATR 功能的全站仪主要有瑞士 Leica 公司生产的 TCA 系列、美国 Trimble 公司生产的 5600 以及德国 Zeiss 公司生产的 Elta S 系列，本次试验选择的是目前应用最广的 TCA2003 全站仪Leica TCA2003 全站仪被誉为测量机器人，目前属世界顶级全站仪，它是将高精度测距仪（±（1+D×10 -6）mm）、绝对编码度盘的电子经纬仪（±0.5″）和较大容量计算机技术融为一体，其主要优点 [1]是：内置了精密伺服马达，可编程控制；接收系统采用 CCD 组件，能够自动识别目标和锁定目标，不受其它杂散光源干涉；用户可以根据实际需要方便地运用 Visual Basic、PASCAL 等语言程序，实现人工智能采集观测资料，并且可以按照现行的国家测量规范进行观测，获取原始的合格的观测值。

采用国际个人计算机标准存储卡——PCMCIA 卡做载体记录观测资料，也可记录在仪器的内存中，通过数据接口传输到 PC 机上，进行观测资料的后处理仪器二次开发的机载测量软件是针对我国现行测量规范，利用仪器自备的用户开发功能和专用编程语言 GeoBASIC 编写而成具有自动观测、记录；自动检查各种限差，并采取相应处理措施等功能观测前测量员只需将测量模式、测回数、限差、近似坐标、点号等参数输入仪器或通过计算机拷贝到PCMCIA 卡上去，仪器即可完成自动测量、记录任务2 室内试验水平角观测的精度受大气层密度的变化、大气透明度、大气折光及湍流等外界因素的影响较为明显，为避其影响，精确测定 ATR 测角所能达到的精度，在室内布置成图 1 所示的中心多边形网测试，网的边长均在 10 米左右，试验方法：a. 往返测量中心多边形网的各条边长，平差计算出中心角并视为真值；b. 在 O 点架仪器，A 、B 、C、D 、E 架棱镜，用 ATR 方法测量网的中心角，与边长反算角度比较为消除仪器及棱镜的对中误差，采用六联脚架法测量，边长观测六测回，角度观测八测回测量计算结果列于表 1基金项目：国家自然科学基金资助项目（50279005）2由文献[2]知角度观测中误差（1）12nmvi式中 v 值是用边长反算角度（可归算为方向值）α 算 与各测回的各方向观测值之差。

在测站观测了 m个方向，n 个测回那么，用（1）式计算的测角中误差为±0.50″TCA2003 全站仪的测角标称精度为±0.5″，本试验证明，在良好的观测条件下，利用 ATR 测角能够达到这个精度3 实地试验在实地分别运用 ATR 测角和传统的人工测角进行测量精度计算，并作精度分析比较，旨在研究ATR 测角在实际应用中的精度，以及环境对观测质量的影响3.1 试验场地选择地形开阔、通视良好的南京长江第二大桥首级施工控制网作为实地试验场地，为评定ATR自动识别系统在不同距离时的测角精度，利用其控制点组成了两个大地四边形网（图2） ，一为长边网，最长边约1300米，最短边约700米，平均边长1000余米；另一为短边网，最长边约600米，最短边约200米，平均边长均接近500米 所有控制点均为强制对中观测墩，消除了仪器及棱镜对中误差影响为减少大气折光及大气湍流对测角的影响，两种网形均选择在空气清新、大气相对稳定的阴天进行观测，在利用ATR功能对两网进行边长、角度自动观测后紧接着进行人工角度观测。

两网均以二等三角网的规范要求施测，角度观测采用方向观测法六测回3.2 精度计算TCA2003 全站仪采用了独特的动态频率矫正技术 [3]，测距精度高达±（1+D×10 -6）mm，对两网用其测边来反算三角形的内角误差在 0.4″～ 0.6″，可视为近似值此外，测距精度多少总要受到定向精度的影响，因此，用 ATR 功能测边也可验证定向精度的高低三角形闭合差是评定三角网测角精度的重要指标，大地四边形网共有三个独立的三角形用三种方法实地观测计算得到的三角形闭合差列于表 2：为整体评价网的观测精度，按照菲列罗公式 m= 计算的测角中误差列于表 3，式中 w----nw3三角形闭合差；n----三角形个数 观测角 ATR 测角 α 测° 　′ 　″边长反算角 α 算° 　′ 　″∠AOB 80 34 19.27 80 34 18.16∠BOC 57 33 45.21 57 33 46.29∠COD 47 51 22.93 47 51 23.88∠DOE 91 21 45.93 91 21 45.43∠EOA 82 38 49.54 82 38 47.13表 1 室内试验角度对比表OABCDE图 1 室内试验网图Fig.1 the framework of laboratory testTable 1 the angle contrast of laboratory test3421图 2 实地试验网形Fig.2 the framework of on-the-spot testTable 2 the contrast of triangle closing error3表 2 三角形闭合差计算表 表 3 测角中误差计算结果Table 2 the contrast of triangle closing error Table 3 the results of root mean square error3.3 精度分析ATR 测角和人工测角以及边长测距时间间隔较短，且观测时气象条件比较稳定，可以认为三种方式测量所处的外界条件基本一致，因此 ATR 和人工的照准精度之差基本上就反映在测角精度上。

从表2、表 3 以及试验过程可知：a.边长反算角度的中误差很小，表明该仪器的测距精度高，同时也说明仪器的测距发光管相位不均匀误差很小或 ATR 定向精度高b. 不论是长边网形还是短边网形，ATR 都能够进行观测，而且测量精度能达到二等三角网的指标[4]要求说明其内置的 CCD 相机高分辨率、同轴性（即 ATR 相机的中心与望远镜光轴的一致性）等特点保证了测角精度，高分辨率保证了 ATR 在很远的距离上都可以立即寻找到并且精确瞄准棱镜试验表明 TCA2003 全站仪 ATR 测角在实际应用中可以保证测角精度c. ATR 长边网形观测的精度远低于短边网形；ATR 在 500m 距离以内定向测量精度很高，与人工照准基本一致，甚至还略高与人工照准，而长距离的定向精度远不如人工照准除了跟 CCD 相机的工作原理及计算偏差的算法有关外，试验过程中的环境、气象条件对 ATR 测量的影响也很大长边网形观测时，部分测点由于江面环境的变化，目标多次被挡，造成 ATR 观测速度极慢；同时有些测点由于气象条件变化，ATR 测角会常常有测回较差超限的现象，须重测，给测量带来一些不便，而且精度受到了影响短边网形观测时，由于距离较近，ATR 观测方便快捷，在 5min 即可完成测量，优势明显，测量速度比人工测量快 2 倍以上。

总的来说，ATR 在观测时自动化方面优于人工测角，比人工观测省时省力，而且短距离测角精度要高于人工测角只要解决好气象以及周边环境的影响，选择恰当的时间，ATR 测角取代人工测角优势明显，且能够很好地满足测量的精度要求4 全天候观测测试为了测试自动识别系统在夜间以及雾天观测的可能性及其精度，选取 A、B、C 三个点（图 3 所示）进行了测试试验考虑到夜晚城市路灯等光线对观测产生的折射影响，三个点均设在较高的位置上，其中 A、B 点分别位于河海大学的 2 懂 12 层教学楼楼顶上，相距约 100m，C 点位于南京市龙江小区一 32 层楼楼顶，距 B 点约 1200m为消除对中误差，仪器站 B 点为强制对中点，棱镜站 A 和 C用固定脚架置镜（试验期间固定不动） 三角形闭合差(″)网形 三角形编号 ATR 测角 人工测角 边长反算123 -1.47 0.32 0.22124 2.21 0.18 0.11长边网143 0.83 0.16 0.05123 0.35 0.76 0.20124 0.10 -0.19 0.12短边网143 -0.30 1.09 0.03测角中误差(″)网形ATR 测角 人工测角 边长反算长边网 0.93 0.13 0.08短边网 0.16 0.45 0.054图 3 全天候测试点位图Fig.3 the point of all-weather test在B点架设仪器，以A点为零方向，于白天（晴天）人工精确测定了∠ABC，选择气象条件稳定的夜间，在人工无法观测的情况下，实施了ATR自动测角，同样于有雾的清晨也进行了ATR自动测角。

测角结果列于表 4表 4 全天候测试成果Table 4 the results of all-weather test方向归零值（° ′ ″）测回数白天 夜晚 雾天1 170 22 06.50 170 22 07.00 170 22 06.702 170 22 07.10 170 22 06.44 170 22 07.113 170 22 06.03 170 22 06.23 170 22 05.124 170 22 06.00 170 22 06.30 170 22 06.115 170 22 06.30 170 22 06.07 170 22 05.42方向平均值 170 22 06.42 170 22 06.41 170 22 06.00为评价夜晚和雾天的测量成果的可靠性，现采用假设检验 [5]的方法分析：由 分别算得白天、夜晚和雾天三组观测的中误差：nSS1=0.403″，S 2=0.319″，S 3=0.754″1） 由S 1、S 2、S 3通过F检验夜晚及雾天观测成果与白天观测成果母体方差σ 2是否一致设白天、夜晚观测成果的母体分别服从正态分布N（μ 1，σ 12） 、N（μ 2，σ 22） ，且子样互相独立。