從徠卡全站儀發(fā)展歷程談未來全站儀發(fā)展趨勢

劉良富

中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 廣東深圳 518052

摘要：在我國建設(shè)大潮的今天，全站儀在我國的工程建設(shè)、船舶制造、水壩檢測等重點(diǎn)的工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。徠卡測量系統(tǒng)作為全球全站儀測量儀器行業(yè)的佼佼者，先后推出了4代產(chǎn)品，分析這幾代全站儀測量系統(tǒng)可以梳理出全站儀的發(fā)展歷程，本文著重分析了徠卡各代的產(chǎn)品的分類及性能，并對其進(jìn)行分析總結(jié)，同時(shí)預(yù)測未來全站儀測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：徠卡；全站儀；發(fā)展趨勢

導(dǎo)言

在我國建設(shè)大潮的今天，全站儀在我國的地鐵建設(shè)、船舶制造、水壩檢測等重點(diǎn)的工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。徠卡測量系統(tǒng)作為全球全站儀測量儀器行業(yè)的佼佼者先后推出了4代產(chǎn)品，分析這幾代全站儀測量系統(tǒng)可以梳理出全站儀的發(fā)展歷程，同時(shí)可以預(yù)測未來全站儀測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 全站儀綜述

在經(jīng)典測量中，人們把快速測量距離和方位計(jì)算待定點(diǎn)座標(biāo)的方法稱為速測法，或稱速測術(shù)（Tachymetry）。而把用于這類快速測量的儀器稱之為速測儀（Tachymeter）。全站儀，即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。

與光學(xué)經(jīng)緯儀比較，全站儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，將人工光學(xué)測微讀數(shù)代之以自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動(dòng)記錄、儲(chǔ)存、計(jì)算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測量作業(yè)的自動(dòng)化程度。

圖1 徠卡TPS1200系列全站儀結(jié)構(gòu)圖[1]

2 徠卡歷史

2.1 徠卡公司發(fā)展歷史

徠卡測量系統(tǒng)，總部位于瑞士Heerbrugg，擁有近200年的歷史。徠卡測量系統(tǒng)隸屬瑞典?？怂箍导瘓F(tuán)。

1819年，在瑞士Aarau成立Kern公司；1921年，在瑞士Heerbrugg創(chuàng)立Wild公司；1986年，與德國Leitz合并，成為Wild Leitz集團(tuán)；1988年，Wild Leitz收購瑞士Kern公司；1990年，與英國Cambridge儀器公司合組Leica集團(tuán)。

2.2 徠卡全站儀發(fā)展史

徠卡公司于1994年推出了TPS全站儀定位系統(tǒng)的概念?！癟PS” 中的“T”是速測儀（Tachymat）、全站儀（Total station）中的字頭，定位系統(tǒng)（Positioning System）的縮寫。

表1 徠卡全站儀發(fā)展史

Table.1 The history of Leica total station

年份事件典型儀器性能特點(diǎn)實(shí)物圖

1921年全球第一臺(tái)光學(xué)經(jīng)緯儀T2T2

1969年全球第一臺(tái)紅外測距儀DI10DI10

1977年全球第一臺(tái)全站儀TC1TC1

1982年全球第一臺(tái)信息化的電子經(jīng)緯儀T2000/TC2000單軸補(bǔ)償

彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

1986年T3000系列T3000/TM3000雙軸補(bǔ)償

彩色組合功能鍵操作（DOS方式）

1988年全球第一臺(tái)馬達(dá)電子經(jīng)緯儀TM3000VTM3000V馬達(dá)驅(qū)動(dòng)

CCD自動(dòng)照準(zhǔn)

自動(dòng)調(diào)焦

1990年TC1610TC1610·雙軸補(bǔ)償

·菜單功能鍵操作

1994年TPS1000/2000系列TPS1000雙軸補(bǔ)償

軟功能鍵操作（圖標(biāo)操作）

自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別

開放的測量世界

1996年全球第一臺(tái)測量機(jī)器人TCA1800TPS1000系列1″級測量機(jī)器人

1998年推出了TPS2000系列的TCA2003TCA20030.5″級測量機(jī)器人

1999年全球第一臺(tái)具有同軸無反射棱鏡測距功能的全站儀TPS1100無合作目標(biāo)測距

紅色激光測距

2004年TPS1200系列TPS1200超級搜索功能

遙控測量功能

2007年TPS1200+系列TPS1200+全系列56種產(chǎn)品

2008年9月TS02/06/09系列TS02/06/09用于替代TPS1200系列

2009年12月TS30超高精度全站儀TS30/用于替代TPS2000系列

2011年11月TS11/TS15系列TS11/TS15導(dǎo)向光（EGL）功能

自定義熱觸發(fā)鍵

四重角度探測

2013年TS50系列全站儀TS50徠卡最新產(chǎn)品

3 徠卡全站儀系列概述

3.1徠卡各精度系列全站儀

徠卡全站儀產(chǎn)品一般分為四個(gè)類型，精度及性能由高到低依次為：精密監(jiān)測全站儀、專業(yè)測量全站儀、測量工程全站儀和建筑工程全站儀四個(gè)大的類型。

圖2 徠卡各性能全站儀分類

Fig.2 The performance of Leica total station instrumen

徠卡全站儀各精度系列每隔幾年就要更新?lián)Q代，在數(shù)十年的歷程中，精密系列中徠卡已相繼推出了4代產(chǎn)品。各精度系列詳見表2：

表2 徠卡全站儀各精度系列年代

Table.2 The performance of Leica total station instrumen

全站儀系列上市時(shí)間 早 → 晚

精密工程系列T2000T3000TPS2000TS30

專業(yè)測量系列TPS1000TPS1100TPS1200TS11/15

測量工程系列TPS600TPS700TPS800TS02/06/09

建筑工程系列TPS100TPS300TPS400TPS500

3.2 徠卡TPS標(biāo)志

徠卡將字母“TPS”緊跟序列編號作為其全站儀產(chǎn)品系列的標(biāo)志。每一種系列都有不同類型的儀器，每一種類型又具有多種等級精度的產(chǎn)品。每一系列中儀器的精度從其編號上就可以看出來。[2]

3.3 徠卡TPS全站儀系列字符含義

徠卡TPS全站儀系列編號分為前綴+數(shù)字+后綴組合，前綴及后綴含義具體參見表3及表4：

表3 徠卡全站儀各機(jī)型前綴[3]

Table.3 Prefix of Leica total station instrument

英文縮寫中文

TC標(biāo)準(zhǔn)全站儀

TCM馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀

TCR無反射棱鏡全站儀

TCRM無反射棱鏡、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀

TCRA無反射棱鏡、自動(dòng)跟蹤全站儀

TCA馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)跟蹤全站儀

TDM馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)測量全站儀

TDA馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)跟蹤、工業(yè)測量全站儀

表4 徠卡TPS全站儀系列字符含義

Table.3 Character meaning of Leica TPS total station instrument

英文縮寫對應(yīng)英文對應(yīng)中文

DDistancer/Distomat測距儀

IInfra-red紅外光

TTheodolite經(jīng)緯儀、全站儀

CClassical典型的、標(biāo)準(zhǔn)的

MMotorized馬達(dá)驅(qū)動(dòng)

RReflectorless無反射棱鏡

AAutomatic自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別

PPower Search超級搜索

3.4 1994年推出的TPS1000及1998年推出的TPS1100系列

徠卡全站儀如TPS1000系列，1100/1500/1700…，數(shù)字越大，精度越高，TPS300/700/1100系列則是以編號末位來表征其測角精度等級的，末位數(shù)越大，精度越低，如307就比302精度低。[4]

3.5 2004年推出的TPS1200系列

以現(xiàn)在階段最常用的、機(jī)型最多的TPS1200系列為例，同代型號后兩位顯示測角精度，即12XX，如1203，即為1200系列3″精度的全站儀。

3.6 徠卡全站儀在2009年至今，即TS系列

在2009年以后推出的TS02/06/09、TS11/15、TS30/50系列中，同一型號一般有多種測角精度，一般人為習(xí)慣寫為TS06-02，即TS06系列2″精度的全站儀。

4 徠卡全站儀系列精度

全站儀的精度也是指角度，是通過一測回測量，來決定儀器的精度，跟經(jīng)緯儀一樣的。

圖2 扇區(qū)式編碼度盤 圖3 條碼式編碼度盤

徠卡全站儀測角精度范圍從0.5″到10″，一般同一系列有不同的精度，同一精度內(nèi)又有不同的類型的產(chǎn)品。

5 徠卡同系列不同類型產(chǎn)品及最新性能

5.1 TPS1200系列的種類

每一種TPS系列里的產(chǎn)品，盡管類型、精度方面，也許會(huì)有些不同，但其用戶界面、整體外觀、鍵盤布局等方面幾乎一樣。內(nèi)部結(jié)構(gòu)除了度盤陣列數(shù)有區(qū)別外，基本上也相同。這樣就極大地方便了生產(chǎn)、使用、升級、培訓(xùn)和維修。以徠卡全站儀前幾年市場上產(chǎn)品類型最廣的1200系列為例，1200單系列可提供56個(gè)型號的全站儀。

5.2 徠卡TS系列的最高參數(shù)

當(dāng)前高端的全站儀工作站已達(dá)到集成了高精度全站儀技術(shù)、高速3D掃描技術(shù)、高分辨率數(shù)字圖像測量技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測技術(shù)，類如新一代超高精度全站儀徠卡TS50、精密監(jiān)測機(jī)器人徠卡TM50、綜合測量工作站徠卡MS50，各項(xiàng)性能指標(biāo)分別達(dá)到：

（1）圓棱鏡模式測量距離可達(dá)10000米，測距精度可達(dá)0.6mm + 1ppm；

（2）免棱鏡模式測量距離可達(dá)2000米，免棱鏡單次測量用時(shí)1.5秒，

（3）自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能（ATR模式）：通過全站儀內(nèi)部的高分辨率CMOS攝像頭，拍攝捕捉棱鏡回光的光強(qiáng)點(diǎn)（棱鏡中心），然后自動(dòng)定位儀器照準(zhǔn)棱鏡中心，ATR自動(dòng)照準(zhǔn)范圍圓棱鏡下可達(dá)3500米。

（4）LOCK功能，即可對單一目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤并鎖定目標(biāo)連續(xù)測量，跟蹤模式可達(dá)800米；

（5）超級搜索能達(dá)到在300米的距離典型時(shí)間達(dá)到5s；

（6）500萬像素CMOS傳感器，全景圖像攝影可達(dá)每秒20幀；

（7）望遠(yuǎn)鏡視場范圍可達(dá)1o30′；望遠(yuǎn)鏡小視場角，指全站儀識(shí)別兩相鄰棱鏡的最短距離，即距離分辨率，最短距離在200米處為0.3米，轉(zhuǎn)化成識(shí)別棱鏡的最小角度是5.16′。

6.徠卡全站儀操作系統(tǒng)及二次開發(fā)軟件

徠卡全站儀的軟件系統(tǒng)主要包括：全站儀系統(tǒng)軟件、全站儀應(yīng)用程序庫、全站儀其它工具類軟件（如SurveyOffice）等。全站儀操作系統(tǒng)軟件類似于計(jì)算機(jī)的Windows或者mac操作系統(tǒng)，是全站儀的底層核心軟件，管理和調(diào)用全站儀的測量、顯示、記錄、鍵盤操作等所有功能。[5]

6.1 操作系統(tǒng)軟件

全站儀作為高集成化、高智能化的工程儀器，受其設(shè)計(jì)工藝和生成水平的影響外，其搭載的操作系統(tǒng)也同樣影響著全站儀的整體性能。徠卡全站儀所使用的幾種操作系統(tǒng)軟件如表7所示：

表5 徠卡全站儀系統(tǒng)軟件

Table.5 Systems software of Lecia

操作系統(tǒng)啟用時(shí)間系列備注

MS-DOS1982年TC2000英文界面

VxWorks2004年1200實(shí)時(shí)，中文可選

WindowsCE 5.02008年TS02-09實(shí)時(shí)，微軟產(chǎn)品

WindowsCE 6.02009年TS30實(shí)時(shí)，微軟產(chǎn)品

6.2 二次開發(fā)軟件

徠卡測量系統(tǒng)為滿足高級用戶復(fù)雜測量工作的需要，提供了一些選配應(yīng)用程序，用戶可利用這些軟件開發(fā)工具，自主開發(fā)一些應(yīng)用程序。徠卡公司提供的開發(fā)工具有：

（1）適合于電子手簿開發(fā)的徠卡全站儀鍵盤在線控制程序TPS-Online；

（2）適合徠卡TPS1000/1100及更高系列的機(jī)載軟件開發(fā)的GeoBASIC；

（3）適合徠卡TPS1000/1100及更高系列計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制程序開發(fā)的GeoCOM；

（4）適用于徠卡全站儀和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行軟件和數(shù)據(jù)交換的工具軟SurveyOffice；

（5）以及Infinity辦公軟件、Cyclone掃描軟件、針對AutoCAD軟件的MutiWorx插件及GeoMoS變形監(jiān)測軟件等。

徠卡測量系統(tǒng)提供了兩種編程工具：一類是用GeoBASIC編程工具編寫，可以上傳到全站儀中使用，屬于機(jī)載軟件，用戶可根據(jù)自己的工作需要，自行開發(fā)編寫自己的程序，這類軟件功能相應(yīng)簡單一些。另一類是使用GeoCOM指令，在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用VB、VC++語言編程，控制TCA全站儀自動(dòng)化工作。

7 全站儀未來發(fā)展趨勢

通過以上對徠卡全站儀系統(tǒng)的梳理，分析出未來全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)有一下幾個(gè)發(fā)展趨勢：

7.1集成化、模塊化

現(xiàn)在高技術(shù)產(chǎn)品普遍實(shí)行高度的集成化，未來的全站儀工作站將通過集成各個(gè)功能模塊，組合成超站儀，同時(shí)擁有多種功能，以提高使用率。例如整合圖像技術(shù)，通過內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)記錄觀察情況；通過通信模塊，實(shí)時(shí)與其他移動(dòng)終端互享數(shù)據(jù)；通過集成GPS模塊，多種功能組合。通過選裝不同的功能模塊

7.2數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化

現(xiàn)代測繪工作要求全站儀應(yīng)具有實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的功能，可以實(shí)時(shí)與手簿實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并能通過手簿遙控操作。這樣即提高數(shù)據(jù)效率直接根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行后續(xù)工作，又能減小人員操作對全站儀的精度影響。

同時(shí)基于無線局域網(wǎng)技術(shù)，可以將全站儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中共享，全站儀主機(jī)、工作手簿、其他局域網(wǎng)終端三者之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互傳，這樣大大提高實(shí)時(shí)工作效率。

7.3平臺(tái)開放性

現(xiàn)代工程建設(shè)中，測量設(shè)備、工程軟件日益流行，各種測量設(shè)備互相配合，各種工程軟件互相滲透、這就需要全站儀系統(tǒng)提供一個(gè)高度開放性的軟件平臺(tái)，通過這個(gè)平臺(tái)將各種儀器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)和各種工程軟件計(jì)算得出數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和共享，同時(shí)便于二次開發(fā)，以提高測繪工作的效率和進(jìn)度。

7.4高度的人機(jī)交互性及無人值守化

在當(dāng)今科技高速發(fā)展的今天，人機(jī)交互性越來越被重視，未來的全站儀系統(tǒng)將可能朝著更智能的人機(jī)操作發(fā)展，例如語言智能化，通過語言識(shí)別技術(shù)操作；通過手簿及可穿戴智能設(shè)備，操作人員可遠(yuǎn)程遙控操作全站儀系統(tǒng)。全站儀測量機(jī)器人在無人值守的情況下，通過無線網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程操作，執(zhí)行內(nèi)置常規(guī)和非常規(guī)的監(jiān)測、測量工作。

總結(jié)

本文首先分析了作為測量儀器行業(yè)內(nèi)的佼佼者的徠卡全站儀系統(tǒng)的發(fā)展歷程，論述了各代的主要性能指標(biāo)，并從產(chǎn)品分類、精度性能、軟件平臺(tái)幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)預(yù)測未來全站儀測量系統(tǒng)高度集成模塊化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化、平臺(tái)開放性、高度的人機(jī)交互性及無人值守化幾個(gè)發(fā)展趨勢。通過本文為工程測量、測繪從業(yè)人員梳理出一個(gè)全站儀測量系統(tǒng)的框架，為日后的工作、學(xué)習(xí)提供一些借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]徠卡TPS1200全站儀使用說明書

[2]徠卡公司.徠卡測量系統(tǒng)2009綜合樣本.2009 Licia.Leica measurement system with 2009 synthetic samples.2009

[3]蔡曉江.Win全站儀的歷史與影響[J]，測繪與空間地理信息，30卷2期，2007，P155-156 Cai Xiaojiang.The history and the effect of Win total station[J]，Surveying and spatial information，30 Volume 2 issue，2007，P155-156

[4]上海同徠測量技術(shù)有限公司.徠卡全站儀培訓(xùn)教材.2012.09

[5]蔡曉江.Win全站儀的歷史與影響[J]，測繪與空間地理信息，30卷2期，2007，P155-156 Cai Xiaojiang.The history and the effect of Win total station[J]，Surveying and spatial information，30 Volume 2 issue，2007，P155-156

上接第304頁

的治理上，并取得了成效。在客戶抱怨工單中，第四季度涉及到臺(tái)區(qū)跳閘停電的工單為0宗，有關(guān)此類抱怨已得到有效的控制。

2.對10個(gè)臺(tái)區(qū)的負(fù)荷率變化進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在安裝智能終端斷路器并進(jìn)行用電負(fù)荷管控后，10個(gè)臺(tái)區(qū)的負(fù)荷率都有不同程度的提高。臺(tái)區(qū)的負(fù)荷變化情況見以下統(tǒng)計(jì)表。

表2智能終端斷路器運(yùn)行效果分析表

臺(tái)區(qū)變壓器容量（kVA）安裝前負(fù)荷率（%）安裝后負(fù)荷率（%）負(fù)荷率變化

厚福房地產(chǎn)公用箱變變壓器63056/147=38.1%47/108=43.5%5.40%

珠江新村公用臺(tái)變31523/63=36.5%21/53=39.6%3.10%

珠江村公用臺(tái)變500164/373=44%161/344=46.8%2.80%

四甲村公用臺(tái)變630104/303=34.3%106/306=34.6%0.30%

上倚村公用臺(tái)變50048/189=25.4%44/172=25.6%0.20%

良江村公用臺(tái)變315124/336=36.9%123/299=41.1%4.20%

表2續(xù)

金暉路#3公用配電站變壓器500110/208=52.9%130/229=56.8%3.90%

金貿(mào)東路#1公用臺(tái)變50087/185=47%81/170=47.6%0.60%

金一村一甲經(jīng)濟(jì)#2公用臺(tái)變31545/192=23.4%48/202=24%0.60%

黃江村公用臺(tái)變315108/358=30.1%106/323=32.8%2.70%

以厚福房地產(chǎn)公用箱變變壓器為例，在安裝智能終端斷路器之前，在9月份其平均負(fù)荷為56kW，最大負(fù)荷為147 kW，負(fù)荷率為38.1%；安裝智能終端斷路器后，其平均負(fù)荷為47 kW，最大負(fù)荷為108kW，負(fù)荷率為43.5%，負(fù)荷率提升了5.4個(gè)百分點(diǎn)。基本上達(dá)到了削峰填谷的效果。下圖為兩個(gè)月的負(fù)荷曲線圖對比。

九、結(jié)論

基于需求側(cè)管控構(gòu)建的智能臺(tái)區(qū)用電監(jiān)控系統(tǒng)，是以分界負(fù)荷開關(guān)、框架斷路器、分時(shí)段智能斷路器組成的通訊控制網(wǎng)絡(luò)，通過對臺(tái)區(qū)內(nèi)的各類負(fù)荷進(jìn)行智能監(jiān)控，利用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和預(yù)測。在采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)，傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等國內(nèi)外先進(jìn)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)符合專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的配電通訊軟件，允許用戶根據(jù)具體的情況來設(shè)置各種保護(hù)整定參數(shù)，具有自檢測功能和報(bào)警功能，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)通信接口，方便和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。構(gòu)建滿足電力生產(chǎn)管理服務(wù)需求的配電專用智能臺(tái)區(qū)管理系統(tǒng)，為組建智能電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)智能化管理打下基礎(chǔ)。

在現(xiàn)有電網(wǎng)供電能力下最大限度滿足用戶用電需求，減少變壓器備用容量、提高線路過載能力，達(dá)到移峰填谷、均衡負(fù)荷的良好效果，從而大幅度提高電能利用率，有效地減少了資源消耗、環(huán)境污染和資金的投入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供需資源的協(xié)同優(yōu)化整合。