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全站仪智能化发展历程与应用趋势

时间:2020/2/3 17:18:03

     全站仪的全称是全站式电子速距仪,是一种集经纬仪、电子测距仪外部计算机软件系统为一体的现代光学电子测量仪器。由于它可以在一个站位完成水平角、垂直角、距离、高程差测量等等的测量工作,故得其名。全站仪装备的发展与光电仪器发展密不可分,最早可以追溯到光学经纬仪与光学测距仪的组合,随着电子测角、电子测距、计算机技术得逐步发展,全站仪在各项性能与主要功能上不断发生演变,到了上世纪九十年代终于发展为集光机电于一体的整体式全站仪。      1995年,南方测绘研发出了国内第一台全站仪NTS-202,它是首台完全国产自主研发生产的全站仪,填补了国家空白,由此打破了进口仪器垄断国内测绘装备市场的局面,开启了国产测绘装备快速发展的时代。
    相比国际市场,我国全站仪装备制造虽然起步较晚,但发展十分迅速。经过二十五年的发展,国内全站仪生产工艺水平已经得到了长足进步,先后完成了产业化、规模化、高精度的阶段目标。如今随着国内新的测绘装备层出不穷,技术日新月异,各种测绘装备与测绘方法的应用场景更加细化。面对复杂多变的市场需求,全站仪作为一种已经十分普及的测绘装备也面临着新的发展要求,全站仪系统的智能化发展和应用也成为一种必然趋势。

    操作系统智能化
    如果说全站仪的“光”“机”“电”部件组成了全站仪的“躯干”,那么全站仪的面板及操作系统就是它的“大脑”,所有的信号识别与转换、计算、数据输入与输出都是通过这部分来完成的。操作系统及其面板性能强弱,决定了全站仪的数据处理能力,也就左右了全站仪的应用场景。
全站仪的操作系统发展,大致经历“DOS系统”“Windows Ce系统”,并逐渐发展至今天的智能化安卓系统。

    一、DOS操作系统
    第一代国产全站仪的“大脑”是基于DOS操作系统研发制造的。Dos是Disk Operation System(磁盘操作系统)的简称,是一个基于磁盘管理的操作系统。与我们现在使用的操作系统最大的区别在于,它是命令行形式的,靠输入命令来进行人机对话,并通过命令的形式把指令传给计算机,让计算机实现操作的。由于DOS可以直接访问硬件,因此非常适合拿来控制嵌入式设备。早期的全站仪主要作为基本数据采集工具,要求能够通过基本的指令控制“光”“机”“电”等部件,并将获取的信息通过固定的公式计算得出相应的坐标数据,嵌入式的DOS系统面板在当时是性价比最高的选择。
最初的全站仪受限于硬件的发展,只能通过DOS系统进行较为简单的运算,从而得出相应的测量结果,获取的数据量也十分有限。随着处理芯片和移动存储技术的发展,仪器性能也逐渐提升,目前仍有一批基于DOS操作系统的全站仪活跃在市面上,但由于DOS系统本身的局限性,只能利用有限的内存空间,很难进行高效的浮点运算,同时面对复杂的计算程序时处理能力也不足,大大限制了全站仪的应用场景。

    二、Windows CE系统
    Windows Embedded Compact(即Windows CE)是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础,它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统,可以应用在各种嵌入式系统,或是硬件规格较低的计算机系统(例如很少的存储器,较慢的中央处理器等)。Windows CE系统具备了类桌面的图形化界面,同时也具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口等特点,对于全站仪的使用者来说,友好的操作界面提升了用户体验;并且在该系统下,相应的编程开发工具与桌面Windows系统相同,使得大多数工程计算软件只需简单的修改即可移植到Windows CE系统下使用。在Windows CE时代,全站仪的应用程序得到了扩充,应用场景也随之丰富起来。
    但随着我国基础设施建设逐步加快,工程建设的复杂程度和工程量均日益增长,Windows CE系统也日渐显露出核心能力不足的问题。主要原因是Windows CE系统对于CPU的要求过于局限,同时系统相对封闭,系统灵活性较差,可定制化程度有限。

    三、安卓操作系统
    随着智能手机及其操作系统的出现和普及,全站仪在操作系统及面板拥有了更多选择,应对更多应用场景的可能性也随之提升。主流的智能手机操作系统包括了安卓(Android)、苹果手机系统(i0s)等等,人们习惯于在日常生活中使用智能手机解决各种日常事务,智能手机改变了人们与计算机的交互方式,使其变得更生动、更高效、体验感更好。
    由于不同智能手机操作系统的特性及成本区别,目前在各类型工控方面安卓操作系统的优势更加明显。安卓是一个基于Linux内核的开放源代码移动操作系统,由Google成立的Open Handset Alliance(OHA,开放手持设备联盟)持续领导与开发,主要设计用于触摸屏移动设备如智能手机、平板电脑与其他便携式设备。安卓操作系统的界面主要基于用户的直接操作,通过触控轻松实现各种交互输入,并支持丰富的高度可定制的应用程序。
    智能手机操作系统的应用也逐步渗透到了测绘与地理信息领域,传统的纸质手簿、电子手簿被智能手机或平板所替代,不仅大大提升了数据采集效率,实现了多元数据高效获取,还发展出针对不同行业的丰富应用。在测绘地理信息领域,不但RTK手簿、数据采集器、各类巡检终端开始使用安卓系统,甚至部分无人机、无人船、三维激光的外业控制平台都选择安卓系统作为主要操作系统,而应对内外业一体化的数据加工流程需求,安卓操作系统有着良好的数据通讯支持,越来越多的行业解决方案在内外业衔接、巡检或监测过程中选择使用安卓系统以便通过无线网络进行实时数据交互。
全站仪作为一款专门用于数据采集与放样的测绘工具,使用在经历了前两代的发展与尝试之后,利用安卓系统,迎来了又一次“大脑”升级。

    全站仪智能应用趋势
    虽然在数据采集方面已经出现了如无人机、三维激光等十分高效的数据采集装备,但根据测绘作业环境的不同,全站仪仍具有大量的不可替代的应用场景,例如:城镇地籍大比例尺测图、航空摄影测量的像控点及修补测建筑工程放样交通工程放样、市政工程放样等。这些应用场景不再是仅仅要求仪器有着良好的精度和质量,以满足“测量”与“放样”等基本作业;更需要仪器在数据处理的性能上进一步提升,高效获取数据的同时能够处理更加复杂的计算,以应对更加专业和复杂的外业场景。
    智能全站仪是新一代全站仪的代表产品,集国内多年全站仪生产制造与测绘外业软件研发经验,在物理硬件上大幅提升了数据处理单元参数,并利用安卓智能操作系统将其性能发挥到了极致,使其能够快速处理复杂运算。

    1、道桥隧专业应用
    道桥隧全站仪是智能全站仪的升级款,堪称专业应用的典范。众所周知,道路、桥梁以及隧道施工涉及到大量的复杂计算,以往的处理方式往往通过计算器加手工输入的作业模式,或者通过相关设计软件生成数据文件导入全站仪进行放样。利用安卓系统应用程序的可扩展性以及高性能,道桥隧全站仪搭载了道桥隧之星软件,内嵌了针对道路、桥梁和隧道施工测量的多种算法,包括Q2x8交点法程序、Q2X9线元法程序、桥梁墩台桩基计算程序、斜交函洞计算程序和隧道超欠挖测量程序等。利用系统强大的计算能力,既可应对普遍情况,对于复杂项目也能通过程序组合轻松搞定。
    2、专业测图应用
    随着测绘行业信息化程度越来越高,数据生产的流程也越来越科学高效,测绘工作的内外业一体化的工作模式成为共识。这就对数据采集终端的综合能力提出了非常高的要求:
    首先,对作业流程进行信息化管理,利用软件平台合理规划作业任务;
    其次,进一步提升外业采集的效率,利用软硬件配合优化作业步骤; 
    再次,对作业成果进行快速处理,以图形化界面快速进行电子草图绘制:
    最后,利用网络通讯实现数据实时互通,确保数据成果快速上传归档。
    测图版全站仪搭载全新的专业测图成图软件,充分利用了智能操作系统的优势,形成了完善信息化数据采集流程。利用数据处理云平台,在云端制定测绘生产任务,云端分发,任务直接发送到指定设备,跟踪管理外业作业;测图之星软件结合硬件优势,优化外业测绘的各个环节,并通过自定义要素编码在全站仪端即可同步完成数字草图绘制;最后通过移动网络实现数据实时互通,外业成果即时传回内业加工处理,即时入库。
    3、定制开发应用
    各行各业对测绘地理信息数据的依赖程度越来越高,越来越多的行业开始使用测绘工具匹配自身需求的应用。全站仪作为基础测绘工具被应用于各个非传统测绘领域,例如:监测、巡线、考古、林业、石油等等,每个行业对于数据的要求不同、关注程度不同、需求也不同。安卓智能全站仪利用智能系统的特性,封装了二次开发包服务,不同行业用户可根据自身需求,任意调用所需数据,并基于此灵活添加自定义功能,实现应用极大丰富,满足不同层次用户的各类数据获取需求。这也预示着,全站仪作为坐标数据的采集工具,由专业化迈向了普及化。
    4、超站仪应用
    全站仪设备是“光”“机”“电”的结合,利用光信号与电信号的相互转换来获取位置信息;GNSS设备则是在接受到卫星的电磁波信号以后,利用更加复杂的算法来确定使用者的精确位置,两者看似各不相关。通过智能操作系统的开放性,将测量软件进行功能创新,将全站仪与GNSS结合在一起,实现了两者的软硬件一体化,极大地丰富了测绘装备的应用场景。
超站仪在全站仪的基础上引入GNSS后,弥补了传统全站仪在应用场景上的缺陷,例如:
    1,在传统作业模式下,使用全站仪作业前必须进行复杂棘手的控制测量,并执行先定向后测量的作业流程;而利用GNSS测量系统,可直接测定超站仪架站位置,为超站仪架站同步提供控制点信息,实现无加密控制即可作业,并通过优化计算可先测量后定向或边测量边定向。
    2. 传统全站仪作业,测量过程总是基于之前的测点,随着测量作业过程推进,在测区范围内形成不同程度的误差积累;而结合GNSS以后,测区范围内误差已经由CORS网络或RTK作业半径覆盖,在作业范围内,大幅降低了误差积累,确保测区精度一致。 
    3. 传统全站仪作业模式需要多个已知点配合,并且需要满足基本的通视条件,继而引出新的图根点;使用超站仪,即可不受控制点和障碍物影响,通过GNSS弥补通视条件不足的情况。

    未来发展
    全站仪经过几十年的发展,逐步由专业化走向了普及应用,应用领域越来越广泛,涉及的行业越来越丰富。全站仪的功能也因使用行业不同、使用人员不同、甚至使用地区不同而创新出各种新型应用。5G时代的到来,通讯效率将进一步提升,全站仪作为特定场景下的不可替代工具,将可作为一种数据感知工具,融入到物联网应用中,实现数据感知、实时处理、实时应用。
    近几年国产全站仪在结构上也正朝着自动化服方向发展,未来机器人全站仪成本将进一步降低并得到普及;而在操作系统方面,华为鸿蒙系统的发布,也标志着国产智能终端操作系统开始腾飞。中国制造2025的宏观趋势下,借助国内完善的产业链优势,相信未来在测绘装备自主化的道路上,我们不仅能够在性能方面逐步与进口高端仪器匹配,而且在全场景应用上实现突破,引领高端。(秘书处)

作者:不详 来源:网络
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