本文内容来源于《测绘通报》2021年第6期，审图号：GS（2021）3410号
图像全站仪及图像测量发展与展望
章后甜1,2, 郑勇1, 陈冰1, 陈张雷1
1. 信息工程大学地理空间信息学院, 河南 郑州 450001;
2. 洛阳理工学院土木工程学院, 河南 洛阳 471023
基金项目：国家自然科学基金（11673076）
摘要：全站仪是使用非常广泛的测量仪器，但一次只能测量一个点，而且测量效率和精度易受操作员影响。带相机的图像全站仪正好可以避免以上两个问题。图像全站仪取代普通全站仪也是未来测量仪器的发展趋势。图像全站仪将全站仪的实时性、高精度、高稳定性与相机的无接触、面测量、无人为误差等技术优势结合在一起，在天文测量、形变监测、精密工程测量及地形图测绘等领域具有广泛的应用前景。本文在介绍图像全站仪的概念和发展历程的基础上，对图像全站仪的特点和可能的应用领域进行分析，最后结合图像全站仪和图像测量中存在的问题，指出今后的发展方向。
关键词：全站仪 图像全站仪 同轴相机 图像测量 面测量
引文格式：章后甜, 郑勇, 陈冰, 等. 图像全站仪及图像测量发展与展望[J]. 测绘通报，2021(6)：50-53. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2021.0175..阅读全文：http://tb.sinomaps.com/article/2021/0494-0911/20210610.htm
自1968年西德奥普托生产出世界第一台全站仪Reg Elta14以来[1]，在50多年的发展过程中，其在存储能力、测量速度、测量精度、智能化和自动化程度方面均有了极大的提高。测量结果稳定且实时显示、高精度及易操作等优点，使得全站仪成为工程测量领域应用最为广泛的测量仪器。但全站仪一次只能测量一个点且测量精度和效率受测量员的经验和技术水平影响[2]。为了克服这些缺点，将多种传感器与全站仪集成，其中有两个集成尤为重要：一是伺服马达，二是图像传感器。伺服马达能够驱动全站仪自动旋转，以实现照准和跟踪目标；图像传感器用于实现自动目标识别(auto target recognition，ATR)和图像采集。伺服马达和图像传感器配合，通过点击屏幕显示目标，伺服马达驱动仪器照准指定目标，避免了人眼瞄准误差，还能够实现自动化测量。带有相机的全站仪称为图像全站仪[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，同轴相机和伺服马达是高端全站仪的标配，并且带同轴相机的全站仪必带广角相机。广角相机视场角大，目标成像后分辨率不高，广角相机常用于搜索目标。同轴相机视场角小且受益于望远镜放大倍数，角分辨率和目标成像后分辨率极高，常用于精密测量。同轴相机与全站仪集成，将全站仪的实时性、高精度、高稳定性与相机的无接触、面测量及无人为误差等技术优势结合在一起，使得图像全站仪在天文测量[4-6]、变形监测[7-9]、精密工程测量及地形图测绘[2]等领域具有广阔的应用前景。本文首先介绍图像全站仪的概念、发展历程；然后分析图像全站仪特点和应用领域；最后针对图像全站仪存在的问题，指出发展方向。在国内，文献[10-11]分别将数码相机与全站仪集成在一起组成的设备称为摄影全站仪和视频全站仪。文献[12]把徕卡TS15i全站仪称为图像全站仪。有学者将拓普康GPT-7000i全站仪称为图像全站仪。有学者将徕卡TS50i和TS60全站仪称为图像全站仪。文献[1]将带有相机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。在国外，文献[13]将数码相机安置在徕卡全站仪目镜端，并将该设备命名为IATS(image assisted total station)[13]。文献[3]提到，国外将带有相机的全站仪命名为PhotoTheodolite、VideoTheodolite和Image Assisted Photogrammetric Scanning Station。当前，对带有相机的全站仪还没有统一的命名，其原因在于内置的相机用于辅助测量[3]，如记录和瞄准等，而不是直接用于测量。综合国内外对内置相机的全站仪命名，主要区别在于图像(image/photo)和视频(video)。在模拟图像时期，两者还有区别，在数字图像时期，两者几乎没有区别；从相机使用角度来看，使用的是相机拍摄的图像数据，而非视频数据。基于以上两点，将带有相机的全站仪称为图像全站仪和Image assisted total station(IATS)更为合理。1.2 图像全站仪的发展1.2.1 相机与测量仪器相结合相机与测量仪器相结合，最早可追溯到19世纪末期[3]。1889年，德国人Koppe提出将相机和经纬仪相结合用于摄影测量；1895年，Finsterwalder提出并制造了摄影经纬仪；1957年，法兰克福应用大地测量研究所将相机和经纬仪相结合以实现经纬仪的自动瞄准；1987年，Geodimeter公司将该技术用于全站仪的自动瞄准[3]。目前许多测量仪器制造商基于该技术制造出具有ATR功能的全站仪，具有ATR功能的全站仪，内置有图像传感器，从广义上讲，属于图像全站仪。其图像传感器用于目标识别，除非使用者对仪器进行改造，否则无法直接获得图像信息；该图像传感器只对仪器发射的红外光敏感，获取实现ATR功能的图像传感器采集的图像信息，并将其直接用于测量中还有较多问题亟待解决。基于以上两点，从严格意义上讲, 只具有ATR功能，没有内置相机的全站仪不属于图像全站仪。
20世纪90年代以后，欧洲一些研究机构，如瑞士苏黎世联邦理工学院、德国伯恩大学及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在一起；国内也有学者尝试将数码相机安装在望远镜上，用于摄影测量[14]。这些尝试为商业化图像全站仪的研制和生产打下了良好的基础。
2002年，索佳研制出同时内置同轴相机和广角相机的图像全站仪SET3110MV，遗憾的是该设备只是研制成功，并没有投放市场，更没有推出更新换代产品。2005年，拓普康推出同时内置广角相机和同轴相机的商用图像全站仪GPT-7000i，该仪器没有伺服马达，无法实现自动化测量，其应用领域受到较大限制；2007年，拓普康推出具有自动聚焦、远程控制和扫描功能的图像全站仪GPT-9000ai，该仪器是具有扫描功能的图像全站仪；2010年，拓普康推出了与GPT-9000ai配置大致相同的图像全站仪IS-2。2007年，天宝推出了内置广角相机的VX图像全站仪；2015年，推出了VX图像全站仪的升级版S9；2016年，推出由同轴相机完全取代目镜，且同时内置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 m，扫描频率为26 600 Hz。2009年，宾得推出内置广角相机的图像全站仪Pentax Visio，与其他图像全站仪不同的是，其图像显示屏设置在望远镜的正上方。遗憾的是自Pentax Visio后，宾得没有对该仪器进行更新升级，也没有推出新一代图像全站仪。2010年，徕卡推出了内置广角相机的Viva系列图像全站仪；2013年，推出了同时内置广角相机和同轴相机的图像全站仪TS50i和MS50；2015年，推出了TS50i和MS50升级产品TS60和MS60；2020年，推出了最新款的TS60和MS60。新款与老款相比，相机系统没有变化，但常规测量性能有较大提高，特别是新款MS60，其扫描频率由1000 Hz提高到30 000 Hz。自2002年SET3110MV问世以来，图像全站仪相机的图像传感器由CCD发展到CMOS，分辨率由数十万提高到几百万；由仅内置广角相机发展到同时内置广角相机和同轴相机；高端图像全站仪中还增加了扫描功能，扫描频率由十几赫兹提高到几万赫兹。到目前为止，还没有国产的图像全站仪。高精度和高效率一直是测量仪器发展的驱动力，图像全站仪将全站仪的高精度与相机的高效率完美结合，使得图像全站仪具有高精度、高效率及无接触等优点。高精度：同轴相机视场角小且受益于望远镜放大倍数，目标成像后的分辨率极高；同时，图像全站仪用相机拍照取代人眼瞄准，避免了人眼瞄准误差。2015年和2016年，文献[8]和文献[15]分别使用徕卡MS50和MS60图像全站仪对室内三维摄影测量检校场进行测量，经过各种补偿后得到的测角标准差为0.5″和0.3″，优于MS50和MS60标称测角标准差1″。高效率：普通全站仪一次只能测量一个点，图像全站仪一次可测量视场内所有特征点。普通全站仪是单点测量，而图像全站仪是面测量。使用图像全站仪，可以通过点击屏幕驱动全站仪照准目标，节省瞄准时间。使用普通全站仪，一般需要两个人相互配合；而使用图像全站仪，只需要一人操作仪器即可。若将大视场的广角相机用于测量，效率会大幅提高。无接触: 普通全站仪高精度测量需要合作目标的配合，如棱镜。但是在实际测量过程中，有些地方不方便或无法安置合作目标，如远距离、高边坡、尾矿库、工业厂房的高温和低温等危险区域。使用图像全站仪，只要对目标区域拍照，无需合作目标，可以真正实现无接触测量。天文测量是通过观测恒星位置以确定载体的天文坐标，或确定两点间天文方位角的测量工作[5]。传统天文测量中，不可避免地存在人为误差和仪器系统差。用图像全站仪进行天文测量，只要恒星进入望远镜视场内，计算机在向图像全站仪发送拍照、测量竖直角指令的同时，记录发送这些指令的时刻，所有的测量和记录由计算机配合图像全站仪自动完成，避免或大大减少了人为误差和仪器系统差，测量精度和作业效率大大提高。瑞士联邦理工学院在徕卡全站仪目镜端加装数码相机组成图像全站仪用于天文测量；文献[5]用徕卡TS50i图像全站仪对野外两个基本天文点进行观测，取得了较好的效果。
与常规测量相比，形变测量具有精度高和观测周期长的特点，而且对于突发情况，还要求随时测量。因此，其测量设备应具有高精度、高效率、易操作、高稳定性和可移植性等优点。目前常用的形变测量设备有全站仪、GNSS接收机、摄影测量相机、激光扫描仪等，这些设备均存在部分缺陷。而图像全站仪可避免各种缺陷。同轴相机视场角小，即使将图像全站仪架设在远离目标区域，也能得到清晰的图像，而且不需要在形变区域设置人工标志。拍照后，提取特征点像素坐标，将同一特征点不同时期像素坐标的变化量转换成角度差，根据距离计算形变量。文献[7-9]分别从理论上和实践上证明了图像全站仪可用于桥梁和建筑物的形变监测。
高端全站仪测角精度远高于测距精度。对于精密工程，常采用精密测角后方交会，而不是直接使用全站仪测量三维坐标。图像全站仪同轴相机受益于望远镜的放大率且不需要人眼瞄准目标，测角精度优于同型号的全站仪测角精度。苏黎世联邦理工学院将普通全站仪目镜端加装数码相机组成的设备用于欧洲核子中心粒子加速器准直测量中，其测量结果与坐标测量机相比，差值小于10 μm。文献[3]在实验室用MS60图像全站仪进行水准测量试验，测量精度优于徕卡DNA03数字水准仪。
图像全站仪可采用以下两种方式进行地形图测绘。方式1：全站仪采集地物、地貌特征点三维坐标，先用相机对测量区域拍照；然后将三维坐标和照片导入绘图软件中，直接根据照片进行地物和地貌的绘制，减少绘制草图等工序。方式2：先由相机拍照，提取照片上特征点像素坐标，将像素坐标转换全站仪角度；然后根据特征点在全站仪的角度，由伺服马达驱动全站仪照准特征点，以无棱镜方式测量三维坐标。以上两种方式只需要一人即可完成外业测量。文献[2]采用方式1，在普通全站仪上加装相机组成图像全站仪对校园100 m×120 m的区域内进行数字测图试验。
商用图像全站仪投放市场时间并不长，图像测量的应用领域并不广泛。从目前看，图像全站仪还存在以下问题，解决这些问题的同时，也指出了图像全站仪的发展方向。
3.1 相机检校问题
所有测量仪器在使用前均需要检校，图像全站仪也不例外。正如徕卡MS50图像全站仪在其白皮书中提到，相机检校是进行高精度图像测量的前提和基础。图像全站仪检校包括全站仪检校和相机检校，全站仪检校理论和技术均较成熟，而相机检校是图像全站仪所特有的，目前在理论、方法和技术上均存在较多问题。主要包括：目前对同轴相机的检校研究均是基于某一具体应用领域，缺乏系统性；还没有对广角相机检校开展研究；对相机参数的稳定性及图像测量误差源研究也不多；到现在为止，还没有建立图像全站仪检校，特别是相机检校的相应规范。相机检校是目前图像全站仪及其应用亟待解决的一项关键技术，也是该领域的研究前沿和热点。
3.2 相机硬件问题
图像全站仪中内置的相机，与摄影测量相机和高端相机相比还有较大的差距，还不能满足某些特殊测量需要。如振动监测需以较高的频率对目标物进行图像采集，但目前商用图像全站仪的图像采集频率均较低，仅为几十赫兹。对于某些要求实时反映测量结果，需要将采集到的图像传输到外部计算机上以便实时处理的情况, 目前商用图像全站仪传输速率远不能满足需要。高分辨率、高采集频率、高灵敏度、低时延、低噪声和能实时高速传输图像数据的相机是图像全站仪相机的一个发展趋势。
3.3 通用软件问题
目前，部分学者和研究机构将图像全站仪用于天文测量、精密工程测量及形变测量等领域，并且取得了较好的效果。但是这些应用均基于图像全站仪硬件，通过开发相应的控制程序及数据处理程序进行的。当前，所有商用图像全站仪只内置相机拍照程序，缺少相应的控制程序和数据处理程序。虽然部分仪器制造商已经提供了用于开发应用程序的接口，但只有这些还远不够。为了将图像全站仪应用到更广的领域，仪器制造商和研究机构需尽快研究并在仪器中内置如相机自检校、特征点坐标提取及仪器驱动等通用程序。
商用图像全站仪投放市场时间并不长，而且均由徕卡、拓普康和天宝等世界著名的测量仪器公司生产。正如文献[3]提到，随着科技的发展，像目前的智能触屏手机取代按键手机一样，在不久的将来，图像全站仪必然会取代普通全站仪。目前，部分学者和机构已将具有高精度、高效率和无接触等优点的图像全站仪用于天文测量、形变测量、精密工程测量等领域。相信在不久的将来，随着对相机检校研究的深入，采用更先进的相机，在图像全站仪中内置更多的通用程序，图像全站仪会被更多地应用于更为广阔的领域。作者简介：章后甜(1981—), 男, 博士, 讲师, 主要从事工程测量及天文测量研究。E-mail: 83930189@qq.com