自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

全文概述

自1968年西德Opto生产出世界第一台全站仪Reg Elta14[1]以来，在50多年的发展过程中，在存储容量、测量速度、测量精度、智能化和自动化等方面取得了突出的成绩. 有了很大的进步。 测量结果稳定、显示实时、精度高、操作方便等优点，使全站仪成为工程测量领域应用最广泛的测量仪器。 但全站仪一次只能测量一个点，测量精度和效率受测绘员经验和技术水平的影响[2]。 为了克服这些缺点，全站仪集成了多种传感器，其中有两个尤为重要：一个是伺服电机，另一个是图像传感器。 伺服电机驱动全站仪自动旋转，实现对目标的瞄准跟踪； 图像传感器用于实现自动目标识别（auto target recognition，ATR）和图像采集。 伺服电机与图像传感器配合，通过点击屏幕显示目标，伺服电机驱动仪器瞄准指定目标，避免人眼瞄准误差，实现自动测量。

带有照相机的全站仪称为成像全站仪[3]。 图像全站仪相机可分为位于望远镜上方的广角相机和与望远镜共用同一光学系统的同轴相机。 目前，同轴相机和伺服电机是高端全站仪的标配，配备同轴相机的全站仪必须配备广角相机。 广角摄像头视野大，成像后目标的分辨率不高。 广角相机通常用于搜索目标。 同轴相机视野小，受益于望远镜的放大倍数。 角分辨率和目标成像分辨率极高，常用于精密测量。 同轴相机与全站仪一体化，将全站仪的实时性、高精度、高稳定性与相机非接触、面测、无人为误差的技术优势相结合，使图像全站仪在天文测量[4-6]、形变监测[7-9]、精密工程测量和地形测绘[2]等领域具有广阔的应用前景。 本文首先介绍了影像全站仪的概念和发展历程； 然后分析了影像全站仪的特点和应用领域； 最后针对影像全站仪存在的问题指出了发展方向。

影像全站仪的概念及发展历程

1个

影像全站仪的概念

国内文献[10-11]分别将数码相机和全站仪集成为摄影全站仪和视频全站仪。 文献[12]称Leica TS15i 全站仪为图像全站仪。 有学者将拓普康GPT-7000i全站仪称为影像全站仪。 有学者将徕卡TS50i和TS60全站仪统称为影像全站仪。 文献[1]将带摄像头的全站仪称为具有图像识别功能的全站仪。 有学者将徕卡TS50i全站仪称为视频全站仪。

国外文献[13]将数码相机置于徕卡全站仪的目镜端，并将该装置命名为IATS（image assisted total station）[13]。 文献[3]提到，国外带照相机的全站仪被命名为PhotoTheodolite、VideoTheodolite和Image Assisted Photogrammetric Sc​​anning Station。

目前，带相机的全站仪还没有统一的名称，原因是内置相机用于辅助测量[3]，如记录、瞄准等，而不是直接用于测量。 基于国内外内置相机全站仪的命名，主要区别在于图像（image/photo）和视频（video）。 在模拟图像时代，两者仍有区别，但在数字图像时代，两者几乎没有区别； 从摄像头使用的角度来看，使用摄像头拍摄的图像数据用科力达全站仪测量地形的坐标在仪器里怎么看，而不是视频数据。 基于以上两点，将带摄像头的全站仪称为图像全站仪和图像辅助全站仪（IATS）更为合理。

2个

影像全站仪的研制

2.1 相机与测量仪器的组合

照相机和测量仪器的结合可以追溯到19世纪末[3]。 1889年，德国科佩提出将照相机和经纬仪结合起来进行摄影测量； 1895年Finsterwalder提出并制造了照相经纬仪； 1957年，法兰克福应用大地测量研究所将照相机和经纬仪结合起来，实现了经纬仪的自动瞄准； 1987年，Geodimeter公司将该技术用于全站仪的自动瞄准[3]。 目前已有多家测绘仪器厂商基于该技术制造了具有ATR功能的全站仪。 具有ATR功能的全站仪内置图像传感器，广义上属于图像全站仪。 其图像传感器用于目标识别，除非用户对仪器进行改造，否则无法直接获取图像信息； 图像传感器只对仪器发出的红外光敏感，实现ATR功能的图像传感器采集到的图像信息被采集并转换为直接用于测量时还有很多问题需要解决。 基于以上两点，严格来说，只有ATR功能，没有内置相机的全站仪不是图像全站仪。

2.2 图像全站仪原型

20世纪90年代后，欧洲的一些研究机构，如瑞士苏黎世联邦理工学院、德国伯尔尼大学和德国达姆施塔特工业大学等，开始尝试将数码相机与全站仪集成； 数码相机安装在望远镜上用于摄影测量 [14]。 这些尝试为商用影像全站仪的研制和生产奠定了良好的基础。

2.3 商业成像全站仪

2002年，索佳开发出同时内置同轴摄像头和广角摄像头的图像全站仪SET3110MV。 遗憾的是，这款设备只是研发成功，并没有投放市场，更谈不上更新换代的产品了。

2005年拓普康推出商用影像全站仪GPT-7000i，内置广角摄像头和同轴摄像头。 该仪器没有伺服电机，不能实现自动测量，应用领域受到很大限制； 2007年，拓普康推出具有自动对焦、遥控和扫描功能的图像全站仪GPT-9000ai。 仪器 IS-2。

2007年，天宝推出内置广角相机的VX影像全站仪； 2015年，推出升级版VX影像全站仪S9； 2016年推出完全替代目镜的同轴相机，内置4个相机的图像全站仪SX10，该设备还具有扫描功能，扫描距离超过600米，扫描频率为26600赫兹。

2009年，宾得推出了内置广角摄像头的成像全站仪Pentax Visio。 与其他成像全站仪不同的是，它的图像显示屏设置在望远镜的正上方。 遗憾的是，自宾得Visio之后，宾得就没有对仪器进行更新升级，也没有推出过新一代影像全站仪。

2010年徕卡推出内置广角摄像头的Viva系列图像全站仪； 2013年，推出内置广角相机和同轴相机的图像全站仪TS50i和MS50； 2015年，推出TS60，TS50i和MS50、MS60的升级产品； 2020年推出了最新的TS60和MS60。 与老款相比，新款的相机系统没有变化，但常规测量性能有了很大的提升，尤其是新款MS60，其扫描频率从1000Hz提高到30000Hz。

自2002年SET3110MV问世以来，图像全站仪的图像传感器从CCD发展到CMOS，分辨率从几十万提高到几百万； 从只内置广角摄像头到同时内置广角摄像头和同轴摄像头； 高端影像全站仪还增加了扫描功能，扫描频率从十几赫兹提高到几万赫兹。 目前国内还没有成像全站仪。

影像全站仪影像测量特点及应用领域

1个

图像测量功能

高精度和高效率一直是测量仪器发展的动力。 影像全站仪将全站仪的高精度与相机的高效率完美结合，使影像全站仪具有高精度、高效率、非接触等优点。

高精度：同轴相机视场小，得益于望远镜的放大倍数，目标成像分辨率极高； 同时，图像全站仪采用相机拍照代替人眼瞄准，避免了人眼瞄准的误差。 2015年和2016年文献[8]和文献[15]分别使用Leica MS50和MS60影像全站仪测量室内三维摄影测量标定视场，经过各种补偿得到的角度标准差分别为0.5″和0.3″，优于MS50 和 MS60 标称角度标准偏差 1″。

效率高：普通全站仪一次只能测量一个点，而影像全站仪可以一次测量视野内的所有特征点。 普通全站仪是单点测量，而影像全站仪是面测量。 使用图像全站仪，只需点击屏幕即可驱动全站仪瞄准目标，节省瞄准时间。 使用普通的全站仪一般需要两人相互配合； 使用图像全站仪时，只需一个人操作仪器。 如果采用大视场的广角相机进行测量，效率会大大提高。

非接触式：普通全站仪的高精度测量需要棱镜等协同目标的配合。 但在实际测量过程中，有些地方不方便或无法放置合作目标，如远距离、高坡度、尾矿库、工业厂房高温低温等危险区域。 使用影像全站仪，只要对目标区域进行拍摄，无需配合目标，真正实现非接触式测量。

2个

影像测量应用领域

2.1 天文测量

天文测量是通过观测恒星的位置来确定载体的天文坐标，或确定两点之间的天文方位角[5]。 在传统的天文测量中，不可避免地存在人为错误和仪器系统不完善的问题。 使用影像全站仪进行天文测量，只要有恒星进入望远镜视野，计算机就会向影像全站仪发出指令进行拍照和测量垂直角，同时记录时间当这些指令下达后，所有的测量和记录将由计算机协同图像全站仪自动完成，避免或大大减少了人为错误和仪器系统不良，大大提高了测量精度和运行效率。 瑞士联邦理工学院在徕卡全站仪的目镜端安装了数码相机，组成图像全站仪进行天文测量； 文献[5]利用徕卡TS50i影像全站仪对野外两个基本天文点进行了观测，取得了较好的效果。 影响。

2.2 变形测量

与常规测量相比，形变测量具有精度高、观测周期长等特点，而且对于突发事件，也需要随时测量。 因此，其测量设备应具有高精度、高效率、易操作、高稳定性和便携性等优点。 目前常用的形变测量设备包括全站仪、GNSS接收机、摄影测量相机、激光扫描仪等，都存在一定的缺陷。 图像全站仪可以避免各种缺陷。 同轴相机视场小，即使图像全站仪设置在远离目标区域的地方也能获得清晰的图像，无需在变形区域设置人工标记。 拍摄一张照片后，提取特征点的像素坐标，将同一特征点的像素坐标在不同时期的变化转化为角度差，根据距离计算变形量。 文献[7-9]分别从理论上和实践证明了图像全站仪可用于桥梁和建筑物的变形监测。

2.3 精密工程测量

高端全站仪测角精度远高于测距精度。 对于精密工程，通常使用精密测角和后方交会代替直接使用全站仪测量三维坐标。 图像全站仪同轴相机得益于望远镜的放大倍率，不需要人眼瞄准目标。 测角精度优于同型号全站仪。 位于苏黎世的瑞士联邦理工学院在CERN粒子加速器的准直测量中使用了一种由普通全站仪目镜和数码相机组成的装置。 与三坐标测量机相比，测量结果与三坐标测量机的差异小于10μm。 文献[3]在实验室使用MS60影像全站仪进行水准仪测试，测量精度优于Leica DNA03数字水准仪。

2.4 地形测绘

影像全站仪可以采用以下两种方法进行地形测绘。 方法一：全站仪采集地物和地貌特征点的三维坐标，先用相机对测量区域进行拍照； 然后将三维坐标和照片导入绘图软件，直接根据照片绘制地物和地貌，减少了绘制草图等过程。 方法二：先用相机拍照，提取照片上特征点的像素坐标，将像素坐标转换为全站仪的角度； 然后根据全站仪中特征点的角度，伺服电机驱动全站仪对准特征点，棱镜法测量三维坐标。 以上两种方式只需一个人即可完成现场测量。 文献[2]采用方法1，在通用全站仪上安装相机，组成影像全站仪，在校园内100 m×120 m范围内进行数字测图实验。

影像全站仪存在的问题及发展方向

商用影像全站仪上市时间不长，影像测量应用领域不广泛。 从目前来看，影像全站仪还存在以下问题。 在解决这些问题的同时，也指明了影像全站仪的发展方向。

1个

相机校准问题

所有的测量仪器在使用前都需要进行校准，影像全站仪也不例外。 Leica MS50影像全站仪在其白皮书中提到，相机标定是高精度影像测量的前提和基础。 影像全站仪标定包括全站仪标定和相机标定。 全站仪标定的理论和技术比较成熟，而相机标定是影像全站仪所特有的。 目前，在理论、方法和技术方面存在很多问题。 主要包括：目前对同轴相机标定的研究是基于特定的应用领域，缺乏系统性； 没有对广角相机标定的研究； 对相机参数的稳定性和图像测量误差源的研究不多； 迄今为止，图像全站仪标定，尤其是相机标定还没有相应的规范。 相机标定是图像全站仪及其应用亟待解决的关键技术，也是该领域的研究前沿和热点。

2个

相机硬件问题

与摄影测量相机和高端相机相比，影像全站仪的内置相机还有很大差距，不能满足一些特殊的测量需求。 例如振动监测需要以较高的频率采集目标物体的图像，而目前商用图像全站仪的图像采集频率比较低，只有几十赫兹。 对于一些需要实时反映测量结果，需要将采集到的图像传输到外部计算机进行实时处理的场合，目前商用图像全站仪的传输速率远远不能满足需要。 高分辨率、高采集频率、高灵敏度、低延迟、低噪声和图像数据实时高速传输的相机是图像全站仪相机的发展趋势。

3个

一般软件问题

目前，一些学者和研究机构将影像全站仪应用于天文测量、精密工程测量和形变测量等领域，并取得了良好的效果。 但是，这些应用都是以图像全站仪硬件为基础，通过开发相应的控制程序和数据处理程序。 目前，所有商业成像全站仪都只有内置的相机程序，缺乏相应的控制程序和数据处理程序。 尽管一些仪器制造商提供了用于开发应用程序的接口，但这些还不够。 为了将影像全站仪应用到更广泛的领域，仪器制造商和研究机构需要尽快研究将相机自校准、特征点坐标提取、仪器驱动等通用程序构建到仪器中。

外表

商用成像全站仪上市时间不长，均由徕卡、拓普康、天宝等世界知名测量仪器公司生产。 正如文献[3]所述，随着科技的发展，就像现在的智能触屏手机取代了按键手机一样，在不久的将来，图像全站仪也必然会取代普通的全站仪。 目前，一些学者和机构已经将具有高精度、高效率、非接触等优点的影像全站仪应用于天文测量、形变测量、精密工程测量等领域。 相信在不久的将来，随着对相机标定研究的深入，将会采用更先进的相机，将更多的通用程序内置到影像全站仪中，影像全站仪将得到更广泛的应用。更广泛的应用。 场地。

结尾

引文格式：张厚田，郑勇用科力达全站仪测量地形的坐标在仪器里怎么看，陈兵，等。 影像全站仪与影像测量的发展与展望[J]． 测绘通报, 2021(6): 50-53. DOI: 10.13474/j.cnki.11 -2246.2021.0175.

作者简介：张厚田，男，博士，讲师，主要从事工程测量和天文测量研究