ATR自动目标识别及定位精度研究

河海大学毕业论文ATR自动目标识别及定位精度研究专业年级98测量一班学生姓名衣冰、廖晟、张福指导教师黄腾陈光保评阅人2002年６月目录前言 (2)第一章ATR的使用意义及介绍 (3)§１，１工程建筑物安全监测自动化的意义 (3)§１，2 ATR自动目标识别及定位精度研究的意义 (3)§１，３TCA2003全站仪简介 (4)§1，4 ATR自动目标识别及定位 (5)1，4，1原理简介 (5)1，4，2精确定位 (5)1，4，3 ATR测量的过程 (7)1，4，4 目标跟踪反馈环 (7)1，4，5目标跟踪 (8)§1，5自动观测软件 (8)1，5，1自动观测软件简介 (8)1，5，2操作步骤 (9)第二章ATR外业实验部分 (11)§2，1网形的选择 (11)§2，2实验的具体步骤 (12)2，2，1 ATR测角及观测成果 (12)2，2，2人工测角及观测成果 (31)2，2，3边长反算角度 (35)第三章数据处理及精度分析 (37)§3，1边长反算角度 (37)§3，2成果比较及精度分析 (39)§3，3.精密测角的误差影响 (42)§3，4.测量时的具体情况 (42)§3，5 TCA2003 (43)第四章外文资料及翻译 (46)第五章结语 (51)前言随着科学技术的发展，测量行业在技术和仪器上都有了长足的发展，给这个行业带来了勃勃生机和前进力量。

ATR技术就是电子技术和自动化技术不断发展的结果。

全站仪是智能型测量仪器，被誉为测量机器人。

它利用自控马达和CCD相机来完成搜索目标、精确照准和自动观测三个过程，来实现自动测量。

本实验使用TCA2003全站仪和开发的自动测量程序，进行多种情况下（不同距离、不同大气环境等）的自动观测实验，并且与人工测量和精密测边反算角度作比较，来评定ATR的测量精度，并寻求高精度的ATR观测条件。

并得出相应结论，供今后使用查询。

关键词：ATR 全站仪精度分析自动观测TCA2003第一章ATR的使用意义及介绍１，1工程建筑物安全监测自动化的意义工程建筑物从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要进行安全监测。

这是因为在这一过程中，建筑物的几何变形是不可避免的。

如果变形在一定限度之内属正常现象，一旦超过了某一限度，就会危及建筑物的安全。

因此，在工程测量的实践和科学研究活动中，安全监测占有重要的位置。

通过工程建筑物的安全监测，我们可以检查工程建筑及其基础的稳定性，及时掌握变形情况、发现问题，以便采取措施；还可以更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和经验公式，以及建立正确的预报变形的理论和方法。

此外，通过安全监测，还可以对工程建筑物的质量给予恰当的平定。

随着电子技术的飞速发展和计算机的广泛应用，变形监测自动化越来受到人们的重视。

它满足了对工程建筑物的系统管理，满足了那些难于实施人工监测项目的观测工作及对构筑物在日常工作状态时进行迅速和准确的安全分析需要。

监测的自动化可以大大减轻变形监测工作的劳动强度，节省人力；而且资料采集和处理的速度快，观测资料的同步性较高。

1，2 ATR自动目标识别及定位精度研究的意义Lecia TCA系列全站仪为智能型测量仪器，被誉为测量机器人。

它利用自控马达和CCD相机来完成搜索目标、精确照准和自动观测三个过程。

通过应用其特色的自动目标识别、和自动观测，以及其便捷的数据后处理，可以实现自动化监测，提高工作效率。

对ATR自动目标识别及定位精度的研究，我们以南京长江第二大桥施工控制网作为实验场，用TC2003/TCA2003两台全站仪和开发的自动测量程序，进行人工和自动观测，旨在评定出人工与ATR的测量精度，寻求高精度的ATR观测条件，如不同距离，不同大气环境。

以及在特定条件下，如夜间，雨天，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。

这一系列研究对提高该仪器的测量精度，发挥ATR的功能，扩大ATR的应用范围，应用领域，以及解放劳动力，增加劳动效率都具有十分重要的意义。

１，３TCA2003全站仪简介TC2003/TCA2003全站仪属于徕卡TPS1000系列。

TPS1000是速测仪（Tachymat）、经纬仪（Theodolite）和全站仪（Total station）定位系统（Positioning Ststem）的缩写，它把全站仪技术和计算机技术合为一体，为用户提供了极具灵活性的多种功能和广泛适用的测量程序。

TPS1000系统位于望远镜下的大型显示屏，一目了然就能获取许多信息。

键盘以及功能键，便于理解和方便输入。

通用记录卡（MC）、大容量电池和内置应用程序保证所有可提供的部件集合于一体。

TPS1000一旦安置好即可开机使用，不需要外接供电电缆和数据传输电缆。

当然，外接数据记录装置、计算机或电池也可与仪器相连。

符合计算机工业标准的PCMCIA卡供记录数据和程序之用。

其数据格式与以往或现在的徕卡全站仪、电子经纬仪都兼容，并允许与徕卡GPS系统进行数据交换。

可单独提供应用程序，用户也可以自己编写程序。

TC2003/TCA2003高性能全站仪，在一些特性方面，与TPS1000系列中其它型号仪器有着显著的区别。

其中三种工作指标已经提高：1，角度测量精度0.5″2，距离测量精度 1 mm+1ppm3，搜索精度（仅TCA型，范围200米）1mm（所有指标均为标准偏差）TCA2003高性能全站仪主要有以下部分组成：1，脚螺旋2，键盘3，显示屏4，光学瞄准器5，提把6，望远镜（内置EDM）7，测角测距同轴光学部件8，垂直微动螺旋9，水平微动螺旋10，电池槽11，基座固定旋钮12，圆气泡13，存储卡槽14，调焦环15，目镜1，4 ATR自动目标识别及定位1，4，1原理简介象测距仪那样，自动目标识别（ATR）部件以同样的方法被安装在徕卡TCA系列全站仪的望远镜上。

红外光束通过光学部件被同轴地投影在望远镜轴上，从物镜口发射出去。

反射回来的光束，形成光点，由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机的中心作为参考点来精确地确定。

假如CCD相机的中心作为参考点来精确的确定。

假如CCD相机的中心与望远镜光轴的调整是正确的，则以ATR方式测得的水平角和垂直角，可从CCD 相机上光点的位置直接计算出来。

ATR照准差的校准是提高其测量精度的重要一环。

常规的ATR校准工作允许检查和测定CCD相机的中心与望远镜光轴的重合度。

测定ATR的照准差，必须人工将望远镜对准棱镜中心。

视准线（十字丝）和CCD相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差由仪器计算出来。

教准过程中确定的偏差改正被应用在ATR方式下的角度测量上。

当度盘扫描系统进行测量时，这些改正数被用来改正相对于视准线的值。

如果在测角中既用ATR方式，又用人工方式，检查和测定ATR照准差则是十分必要的。

因为只有在这种情况下，两种方法才能达到最佳匹配。

ATR的校准可通过仪器上校准对话框进行。

1，4，2精确定位三个顺序进行的过程形成了精确定位的特点：搜索过程、目标照准过程和测量过程。

在手动对棱镜粗略进行照准之后，ATR的精确定位将是完全自动的。

首先ATR检查粗略照准的棱镜是否位于望远镜的视场里面，如果它探测不到棱镜，它将从头开始搜索过程即望远镜进行螺旋式的连续运动。

扫描的速度可以选择以便使被扫描区域里影像之间没有间隙。

一旦探测到棱镜，望远镜马上停止运动，如下图：当使用ATR测量技术的时候，没有必要十分严格的手工照准棱镜中心来确定水平方向和垂直角。

定位时，马达螺旋式地转动望远镜来照准棱镜的中心并使之处于预先设定的限差之内，一般情况下，十字丝只是位于棱镜中心附近。

它之所以没有定位于棱镜中心，是为了优化测量速度。

因为定位棱镜中心附近比靠马达准确地定位于棱镜中要快些。

为确定偏差，ATR测示的水平角和垂直角。

所以，虽然十字丝没有精确地照准棱镜中心，但它是以棱镜中心为准的，实质上是精确定位的。

ATR需要一块棱镜配合进行目标识别，为了使工作更加简化，ATR的角度测量与距离测量同时进行。

在每一测量过程中，角度偏移量都被重新确定，相应地改正了水平方向和垂直角，进而精确地测量出距离或计算目标点坐标。

ATR标准设置中的测量精度与仪器本身的角度测量精度相一致。

如果选择了不同于标准设置的测距方式，ATR的测量精度应选用所对应测量方式的精度级别。

例如，距离测量方式“fast”将缩短测量时间，允许在近距离对不稳定的手持棱镜进行测量。

当使用ATR方式进行测量时，由于其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标，测量的速度将会得到非常明显的增加，其精度不依赖于观测员的水平，基本上保持常数。

1，4，3 ATR测量的过程1，4，4 目标跟踪反馈环1，4，5目标跟踪目标跟踪基本上是一种自动控制系统或反馈环（见上图）。

经纬仪的驱动以及控制范围，包括两个轴，每一轴均由伺服马达、传动和度盘扫描系统组成。

ATR是一个测量系统，它不仅提供实际值，而且也提供实际值与所需值之间的偏差，以及来自电子或光学视准线的在水平和垂直方向上的改正值。

自动控制系统试图使测量值偏差最小，而不考虑目标的速度和加速度。

偏差以视频速度读出，通过仪器控制电路来确定马达转动所需要的电流，以便获得所需目标位置。

这个过程连续运行在整个测量活动中。

如果与目标的联系丢失，例如，棱镜员走到障碍物的后面，跟踪就会中断。

此时代替上述偏差值的为一估计值，该值基于一个运动模型，这个模型假定棱镜员在水平和垂直方向的速度是不变的。

这个假定的速度源自对失去目标前几秒中内运动的数学处理，即滤波。

滤波的作用是为了消除重叠的抖动如行走时垂直部分的运动。

由于该模型只是对以前运动的估计值，所以它的应用周期仅有几秒钟的时间。

例如，当棱镜员走到一些小的障碍物后，如树、小建筑物或者卡车，ATR将会中断一小会儿，在这种情况下，仪器将保持在它所预测的棱镜的轨迹移动3秒钟。

这种预测的根据是其对失去目标前几秒钟里棱镜的移动情况计算出来的平均速度和方向。

一旦棱镜重新进入望远镜的视场，仪器将会立即锁住它。

然而，如果在3秒钟内没有找到棱镜，仪器将会自动开始对失去棱镜前后的区域进行搜索。

此时实际的搜索窗口大小依赖于它预测的路径长度和方向。

安装有版本2的TPS 1100系列，搜索路径的形状已经改变，即从螺旋形变成矩形。

这是以为，在许多应用里，当进入目标跟踪方式后，棱镜主要在水平方向移动而不是在垂直方向移动。

为了提高效率，徕卡将经常性的搜索集中在水平方向上，这样，获得目标的速度得到加快。

1，5自动观测软件1，5，1自动观测软件简介本全圆测回软件是按照我国测量规范、利用徕卡公司提供的GeoBASIC编程语言编写而成，使用它能完成水平角、天顶距、斜距的野外观测记录工作，在观测记录过程中可自动检查各种限差，当有超限情况出现时，会自动报警，并及时采取相应处理措施，使视野观测记录工作得以快速顺利地完成。