【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器間的旋轉(zhuǎn)軸相互平行，而光束法平差技術(shù)不需整平經(jīng)緯儀即可進(jìn)行定向和三維坐標(biāo)測(cè)量。 系統(tǒng)構(gòu)成1）硬件組成：兩臺(tái)以上 T2023/T3000/TM5100電子經(jīng)緯儀、多路串口轉(zhuǎn)換卡、 TLINK、基準(zhǔn)尺、工業(yè)測(cè)量用腳架、聯(lián)機(jī)電纜、激光目鏡、照準(zhǔn)標(biāo)志、臺(tái)式微機(jī)或便攜機(jī)等組成，2）系統(tǒng)軟件：a) 數(shù)據(jù)管理 /處理模塊b) 經(jīng)緯儀控制 /測(cè)量模塊儀器的初始化參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)的相對(duì)定向、絕對(duì)定向、定向解算、聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正等功能。 系統(tǒng)作業(yè)模式探討以?xún)膳_(tái)儀器為例（經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)最低配置），如果一次不能完成所有的測(cè)量工作，可以通過(guò)搬站、設(shè)置公共點(diǎn)等途徑來(lái)彌補(bǔ)系統(tǒng)硬件的不足。實(shí)際上只用一臺(tái)儀器也能進(jìn)行測(cè)量，與攝影測(cè)量系統(tǒng)單臺(tái)相機(jī)作業(yè)模式是一致的。（ 1）單臺(tái)儀器作業(yè)模式特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1）節(jié)省了一臺(tái)儀器，整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)用可省 30?； 2）測(cè)量精度不變；缺點(diǎn)： 1）測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)一倍 2）對(duì)被測(cè)物的穩(wěn)定性及外界條件的要求提高 3）不能實(shí)時(shí)控制觀測(cè)質(zhì)量。單臺(tái)儀器作業(yè)模式特別適合于對(duì)含有少量點(diǎn)（如 100點(diǎn)以下）的被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于需要實(shí)時(shí)測(cè)量并指導(dǎo)安裝的情況，要采用兩臺(tái)以上的儀器。（ 2）單臺(tái)儀器作業(yè)步驟：1）先在其中一個(gè)儀器位置設(shè)站，概略互瞄另一儀器位置2）測(cè)被測(cè)物3）測(cè)基準(zhǔn)尺4）將儀器搬至另一位置5）概略瞄準(zhǔn)上一儀器位置6）測(cè)基準(zhǔn)尺7）測(cè)被測(cè)物8）進(jìn)行點(diǎn)坐標(biāo)解算如果兩個(gè)設(shè)站位置不夠，還可通過(guò)搬站等途徑繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。儀器和基準(zhǔn)尺的放置位置及交會(huì)角的要求仍按現(xiàn)有規(guī)定執(zhí)行提高系統(tǒng)精度的措施（ 1）影響經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的精度的因素1）儀器測(cè)角精度 —— 通過(guò)選擇最佳觀測(cè)時(shí)間（晚 11點(diǎn)至次日凌晨 3點(diǎn)）和雙面觀測(cè)消除外界條件變化的影響2）系統(tǒng)定向精度 ——① 將待測(cè)工件置于定向點(diǎn)范圍內(nèi)， ②盡量避免過(guò)大或過(guò)小的交會(huì)角，一般應(yīng)在 60??120?，最佳位置在 90?附近。 ③ 當(dāng)基線較長(zhǎng)而基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度不夠時(shí)，需要采取其他措施確保尺度精度。3）腳架的穩(wěn)定性 —— 使用穩(wěn)定性好的鐵質(zhì)或鋁合金腳架或采用特殊防護(hù)的觀測(cè)墩4）外界條件的影響 —— 避免側(cè)風(fēng)、光線、熱源、振動(dòng)源等5）觀測(cè)標(biāo)志 —— 同心圓紙質(zhì)標(biāo)志和空間對(duì)稱(chēng)的球形標(biāo)志6）觀測(cè)員的操作技能 等 三、近景攝影測(cè)量系統(tǒng)攝影測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用一般稱(chēng)為 近景攝影測(cè)量、非地形攝影測(cè)量 等。（ 1）產(chǎn)品分類(lèi)：1）單臺(tái)相機(jī)的脫機(jī)測(cè)量系統(tǒng)2）多臺(tái)相機(jī)的聯(lián)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)3）攝影基線固定的整體式測(cè)量系統(tǒng)等 測(cè)量原理通過(guò)二臺(tái)高分辨率的相機(jī)對(duì)被測(cè)物同時(shí)拍攝，得到物體的 2個(gè)二維影像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像匹配處理后得到精確的三維坐標(biāo)，實(shí)際上是解空中三角形。系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)靜態(tài)目標(biāo)而言，脫機(jī)測(cè)量系統(tǒng)可采用單臺(tái)數(shù)字相機(jī)，在二個(gè)或多個(gè)位置對(duì)被測(cè)物進(jìn)行拍攝，然后將圖像輸入計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行圖像處理，這是一種比較經(jīng)濟(jì)的配置。為了提高圖像匹配的精度和速度，需要在物體上貼標(biāo)志，一般采用特制的回光反射標(biāo)志（ Retro Reflective Target），以便于標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別和自動(dòng)提??；或者采用投點(diǎn)器，可以大批量投點(diǎn)，而且標(biāo)志無(wú)厚度，是非常好的測(cè)量輔助工具。脫機(jī)測(cè)量系統(tǒng) 回光反射標(biāo)志多臺(tái)相機(jī)聯(lián)機(jī)測(cè)量可以實(shí)時(shí)得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以采用投點(diǎn)器投點(diǎn)，也可以通過(guò)特制的探棒（也稱(chēng)為光筆）作為測(cè)量標(biāo)志，其探頭和三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)頭類(lèi)似，探棒上有一些可以發(fā)光的標(biāo)志，由于發(fā)光標(biāo)志點(diǎn)到探頭的幾何關(guān)系是確定的，因此通過(guò)對(duì)發(fā)光點(diǎn)的測(cè)量即可求得探頭點(diǎn)的坐標(biāo)。一般在探棒上還有測(cè)量按鈕，可同時(shí)啟動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)發(fā)光和數(shù)碼相機(jī)拍攝，因此實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化，并且解決了光學(xué)測(cè)量設(shè)備需要對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的照明問(wèn)題。 聯(lián)機(jī)測(cè)量系統(tǒng) Metronor系統(tǒng)采用的探棒 提高系統(tǒng)精度的措施攝影測(cè)量系統(tǒng)的精度主要取決于相機(jī)的精度。相機(jī)一般分為 格網(wǎng)量測(cè)相機(jī)、量測(cè)相機(jī)、半量測(cè)相機(jī)和非量測(cè)相機(jī) 四類(lèi)，其精度依次遞減。提高精度的方法： 1）選擇高分辨率、高精度的專(zhuān)業(yè)型量測(cè)相機(jī)； 2）對(duì)于非量測(cè)相機(jī)，可以通過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除相機(jī)的系統(tǒng)誤差（如鏡頭的畸變差等），從而提高測(cè)量精度和分辨率，目前這種方法比較多見(jiàn)。 3）提高相機(jī)間的定向精度，實(shí)踐中需要優(yōu)化相機(jī)的設(shè)站位置，增加基準(zhǔn)尺測(cè)量的個(gè)數(shù)。 INCA相機(jī)固定基線攝影測(cè)量系統(tǒng) CRC2相機(jī) 系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 適合于動(dòng)態(tài)物體的快速坐標(biāo)測(cè)量 （ 2）操作方便（ 3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求低（ 4）和經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)相比，其拍攝位置選擇比較容易，不需要專(zhuān)門(mén)建造測(cè)量墩，相應(yīng)節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量相對(duì)精度一般在 1/10萬(wàn)左右，由于攝影比例尺的關(guān)系，測(cè)量范圍一般比較小如果選擇大幅面長(zhǎng)焦距膠片相機(jī)（ CRC1相機(jī)），平度達(dá) ? 1 ?m的承片框、配備后方投影格網(wǎng)標(biāo)志和環(huán)形近軸閃光光源的格網(wǎng)量測(cè)攝影機(jī)，再加上 Autoset2視頻掃描單像坐標(biāo)量測(cè)儀（測(cè)點(diǎn)精度為 ? ?m，每秒種測(cè) 2點(diǎn)），可實(shí)現(xiàn)在 500 m上獲得 ? 1 mm左右的點(diǎn)位精度（ 1/50萬(wàn)），甚至達(dá)到 1/100萬(wàn)，這是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)不可企及的。美國(guó) GSI公司已完成幾百套天線的測(cè)量，坐標(biāo)分量的測(cè)量精度為 ? mm，最后調(diào)整后的表面精度優(yōu)于 ? 2 mm。 四、距離交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)距離交會(huì)測(cè)量同樣可以得到三維坐標(biāo)，這種系統(tǒng)稱(chēng)為三邊法測(cè)量系統(tǒng)或距離交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)。與極坐標(biāo)和角度交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)相比，距離測(cè)量可以得到更高的精度，特別 對(duì)中、長(zhǎng)距離上有突出的優(yōu)越性 。由于測(cè)量原理與 GPS相近，在工業(yè)廠房?jī)?nèi)應(yīng)用時(shí)，也稱(chēng)之為室內(nèi) GPS系統(tǒng)（ Indoor GPS）。 測(cè)量原理（ 1）平面定位的原理：通過(guò)測(cè)量 S S2得到 P點(diǎn)的平面坐標(biāo)（ X， Y），計(jì)算公式如下：（ 2）空間距離交會(huì)原理：設(shè) 4號(hào)點(diǎn)不在 3點(diǎn)構(gòu)成的平面上，坐標(biāo)為（ X4， Y4， Z4）， 1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)， 2連線為 X軸， 123平面的法線為 Z軸。因此系統(tǒng)的標(biāo)定問(wèn)題即為求出 6個(gè)參數(shù)（ X2， X3， Y3， X4， Y4， Z4）。設(shè) i為觀測(cè)點(diǎn)， j（ j=1~4）為儀器中心點(diǎn)，那么每測(cè)一個(gè)點(diǎn)可以得到 4個(gè)如下的觀測(cè)方程： 4測(cè)量 n個(gè)點(diǎn)得到的觀測(cè)方程數(shù)為 4n，而未知數(shù)為 3n+6（標(biāo)定參數(shù) X2， X3， Y3， X4，Y4， Z4 ），因此測(cè)量點(diǎn)數(shù)超過(guò) 6個(gè)就可以按最小二乘法求出需要標(biāo)定的參數(shù)。如果考慮到每個(gè)激光干涉儀的測(cè)距零點(diǎn)誤差 Cj，那么測(cè)量點(diǎn)數(shù)要 10個(gè)以上。和 GPS一樣距離交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)的精度取決于距離測(cè)量的精度和測(cè)點(diǎn)的圖形因子系數(shù)（ GDOP值），在定位時(shí) GDOP值有一定的要求。 系統(tǒng)構(gòu)成（ 1）系統(tǒng)可分為：1）整體式 —— 多桿式或超聲式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，多桿式是通過(guò)桿的伸長(zhǎng)或縮短來(lái)測(cè)量距離，超聲式則通過(guò)超聲波發(fā)射和接收來(lái)測(cè)量距離，這兩種結(jié)構(gòu)的測(cè)量范圍有限。2）組合式 —— 用三臺(tái)以上距離傳感器（測(cè)距儀、全站儀或激光干涉儀）組成距離交會(huì)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)定向方法確定每臺(tái)儀器的三維坐標(biāo)。目標(biāo)點(diǎn)采用手持式測(cè)頭傳感器，因此只要將該測(cè)頭放置到被測(cè)點(diǎn)上就可以得到測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 應(yīng)用情況美國(guó) GBT天線主面安裝就采用了距離交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，三臺(tái)測(cè)距儀（ 2臺(tái) TC2023和 1臺(tái) TDM5005）安置在饋源支撐結(jié)構(gòu)上，其自身位置通過(guò)距離后方交會(huì)（觀測(cè)地面上一系列已知點(diǎn)）獲得，然后三臺(tái)儀器對(duì)主面上的目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，可以得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測(cè)量精度優(yōu)于 ? 1 mm，測(cè)量范圍在 100 m左右。天線運(yùn)營(yíng)后，其變形觀測(cè)也通過(guò)距離交會(huì)系統(tǒng)來(lái)完成，測(cè)距精度為 ? mm，天線的主面精度在 ? mm左右，其測(cè)量精度也是最高的。 五、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（自學(xué)）六、工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)軟件 工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)軟件是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分和系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵，針對(duì)不同的測(cè)量系統(tǒng)，國(guó)際上已有多個(gè)商業(yè)化的系統(tǒng)軟件，如 Leica Axyz、 SMX Insight等，國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了一些類(lèi)似的系統(tǒng)軟件。雖然各系統(tǒng)硬件不同，應(yīng)用領(lǐng)域有所區(qū)別，但軟件的基本功能大部分是相同的，解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制的最新的MetroIn軟件來(lái)介紹工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)軟件的基本特點(diǎn)。MetroIn軟件包括 MetroIn/D數(shù)據(jù)管理與分析模塊、MetroIn/M多臺(tái)經(jīng)緯儀模塊、 MetroIn/S全站儀模塊、MetroIn/G圖形模塊以及 MetroIn專(zhuān)用測(cè)量應(yīng)用模塊等。目前還缺攝影測(cè)量模塊、激光跟蹤儀模塊以及 CAD計(jì)算模塊等。（一） MetroIn的系統(tǒng)功能 MetroIn是用 的，它用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)組織與管理各種測(cè)量和非測(cè)量數(shù)據(jù)，直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，操作比較方便、簡(jiǎn)單。主要功能為： （ 1）設(shè)備聯(lián)機(jī)與控制 設(shè)備聯(lián)機(jī)包括與經(jīng)緯儀的聯(lián)接和經(jīng)緯儀的初始化。由計(jì)算機(jī)控制經(jīng)緯儀完成各項(xiàng)初始化參數(shù)的設(shè)置以及在測(cè)量時(shí)提供相應(yīng)的提示信息等。 （ 2）系統(tǒng)定向 定向測(cè)量完成后，進(jìn)行定向平差解算，可以查看定向的精度、詳細(xì)結(jié)果以及打印輸出。 （ 3）坐標(biāo)測(cè)量 多臺(tái)經(jīng)緯儀的系統(tǒng)在定向完成后可以在二臺(tái)或多臺(tái)間構(gòu)成多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)展測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在屏幕的不同窗口中。全站儀和經(jīng)緯儀的組合測(cè)量系統(tǒng)中，全站儀可單獨(dú)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)，亦可與經(jīng)緯儀一起交會(huì)采集坐標(biāo)。 （ 4）近距加常數(shù)修正 通過(guò)將全站儀的測(cè)距值與兩臺(tái)儀器的交會(huì)值比較，求出近距加常數(shù)，并在隨后測(cè)量過(guò)程 ，自動(dòng)對(duì)距離值加以改正?；蚶霉潭ǘc(diǎn)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè) ″ 球棱鏡的常數(shù)。（ 5）數(shù)據(jù)管理及編輯 進(jìn)行各種數(shù)據(jù)管理，如工件、設(shè)站、基準(zhǔn)尺、反射片、參考庫(kù)、坐標(biāo)系，點(diǎn)坐標(biāo)、觀測(cè)值等?？删庉嫛⑻砑?、刪除數(shù)據(jù)記錄和對(duì)記錄進(jìn)行排序，但原始觀測(cè)值只可讀，不可更改。每次操作即更改數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容，不會(huì)因突然 “ 死機(jī) ” 造成數(shù)據(jù)丟失。 （ 6）坐標(biāo)系的生成與轉(zhuǎn)換通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，軸對(duì)準(zhǔn)法和最小二乘轉(zhuǎn)換法可生成一個(gè)新的坐標(biāo)系。（ 7）測(cè)量數(shù)據(jù)分析與計(jì)算 依據(jù)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行各種點(diǎn)、線、面的分析、計(jì)算。擬合生成的各種幾何形狀可以以坐標(biāo)系的形式存入數(shù)據(jù)管理器的坐標(biāo)系庫(kù)中。 （ 8）數(shù)據(jù)的輸入、輸出MetroIn系統(tǒng)不僅使用它本身的數(shù)據(jù)，也能兼容外部數(shù)據(jù)。可將外部數(shù)據(jù)直接輸入到某指定工件并轉(zhuǎn)換到特定坐標(biāo)系中；點(diǎn)坐標(biāo)及其觀測(cè)值可以輸出到相應(yīng)類(lèi)型格式的文件中。（ 9）測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化 利用圖形功能，可將測(cè)量數(shù)據(jù)以及擬合計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示、平移、縮放和旋轉(zhuǎn)。（二）系統(tǒng)定向方法在工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)軟件中，系統(tǒng)定向是一個(gè)非常重要的模塊，實(shí)際是建立多傳感器或多測(cè)站之間的聯(lián)系，建立的統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系，稱(chēng)為全局坐標(biāo)系。主要方法：（ 1）光束法平差方法（ 2）互瞄法（ 3） “ 測(cè)站六自由度 ” 算法 —— 軍測(cè)建立光束法平差實(shí)質(zhì)是依據(jù)來(lái)經(jīng)緯儀 /全站儀 /激光跟蹤儀的角度觀測(cè)值化算為虛擬像平面坐標(biāo)值，然后利用光束法平差原理來(lái)求解二臺(tái)或多臺(tái)經(jīng)緯儀等傳感器在空間的姿態(tài)和位置關(guān)系。因此攝影測(cè)量方法在原理上說(shuō)來(lái)對(duì)經(jīng)緯儀等沒(méi)有整平的要求。當(dāng)然經(jīng)緯儀軸系間相互垂直的關(guān)系要保持正確。雖然高精度電子經(jīng)緯儀可以精確整平，但事實(shí)上即使儀器精確整平后，也不能保證各儀器的垂直軸互相平行的幾何關(guān)系，因此二臺(tái)經(jīng)緯儀的左測(cè)站坐標(biāo)系與右測(cè)站坐標(biāo)系的關(guān)系如圖。此時(shí)右測(cè)站坐標(biāo)系相對(duì)于左測(cè)站 XYZ坐標(biāo)系存在 3個(gè)平移參數(shù) (XS,YS,ZS)和 3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（ φ ， ω ， κ ），稱(chēng)為 6個(gè)定向參數(shù)。由于這些參數(shù)無(wú)法直接測(cè)定，因此需用光束法平差進(jìn)行定向。設(shè)物點(diǎn) P的空間坐標(biāo)為（ X， Y， Z），對(duì)應(yīng)于左、右虛擬像點(diǎn)坐標(biāo)分別為（ x1,z1） ,(x2,z2)。右測(cè)站坐標(biāo)系相對(duì)于左測(cè)站坐標(biāo)系的角度旋轉(zhuǎn)元素為（ φ ， ω ， κ ），右測(cè)站坐標(biāo)系的原點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 (XS,YS,ZS)，故左、右測(cè)站的共線方程為： 式中： ai,bi,ci為旋轉(zhuǎn)矩陣中的元素，是 （ φ ， ω ， κ ） 的函數(shù)。很顯然，右測(cè)站共線方程包含了定向參數(shù)的信息。對(duì)二臺(tái)經(jīng)緯儀的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)而言，每觀測(cè)一個(gè)物點(diǎn)可列出4個(gè)共線方程，而物點(diǎn)坐標(biāo)的未知數(shù)為 3個(gè)，因此有一個(gè)多余觀測(cè)。當(dāng)物方至少有一條已知的距離時(shí)，如基準(zhǔn)尺的二個(gè)端點(diǎn)間的距離為已知，就可解決 6個(gè)參數(shù)的求解，即系統(tǒng)定向問(wèn)題。