大尺寸三坐标测量系统

用于大尺寸三坐标测量的系统

大尺寸三坐标测量系统是用于大尺寸三坐标测量的系统，几何量测量主要包括角度、距离、位移、直线度和空间位置等量的测量，其中最为通用的是确定位置的三维坐标测量。

仪器介绍

CMM是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。它的优点是测量准确、效率高、通用性好；其不足是属于接触式测量方式、不易对准特征点，对测量环境要求高、不便携、测量范围小。Brown & Sharpe公司生产的LAMBDA SP型龙门式巨型坐标测量机的最大测量空间达到了3m×10m×2m。

测量方式

数字摄影三坐标测量系统

数字摄影测量是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。其测量原理和经纬仪测量系统一样，均是三角形交会法。

数字近景摄影测量系统一般分为单台像机的脱机测量系统、多台像机的联机测量系统。此类系统与其它类系统一样具有精度高、非接触测量和便携等特点。此外，还具有其它系统所无法比拟的优点：测量现场工作量小、快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰。国外的生产厂家和产品很多，如美国GSI公司的V-STARS系。

经纬仪测量系统（Theodolites）

经纬仪测量系统是由二台以上的高精度电子经纬仪（如Leica的T3000，水平角和垂直角的测角精度皆为0.5＂）构成的空间角度前方交会测量系统，是在大尺寸测量领域应用最早和最多的一种系统，由电子经纬仪、基准尺、通讯接口和联机电缆及微机等组成。

经纬仪测量系统的优点是测量范围较大（2m至几十米）、是光学、非接触式测量方式，测量精度比较高，在二十米范围内的坐标精度可达到10μm/m；其不足是一般采用手动照准目标，逐点测量，测量速度慢、自动化程度不高。但已出现了带马达驱动的经纬仪（如Leica的TM5100A），在重复测量时可不需人眼瞄准目标、实现自动化测量。

全站仪测量系统（Total Station）

全站仪是一种兼有电子测角和电子测距的测量仪器。其坐标测量原理最为简单，是空间极（球）坐标测量的原理，它是测绘行业应用最广和最通用的一种“坐标测量机”。

早在1990年之前，瑞士Leica公司就推出了商业化系统 PCMSplus，其全站仪采用TC2002，测角精度为0.5＂，测距标称精度为1mm+1pp。被称为测量机器人的带自动照准和自动识别目标（ATR）技术的全站仪（如TDA5005）已出现并广为应用。

全站仪坐标测量系统只需单台仪器即可测量，因此仪器设站非常方便和灵活，测程较远，特别适合于测量范围大的情况，Leica的TDA5005构成的系统在120米范围内使用精密角偶棱镜（CCR）的测距精度能达到0.2mm。由于一般必须要合作目标（如棱镜或反射片）才能测距，所以它无法直接测量目标点；测距固定误差的存在，使其在短距离（＜20m）测量时相对精度较低。虽然已出现了无需棱镜测距的全站仪（如Leica的TCR1101），但测距精度均很低，低于3mm。

激光跟踪测量系统（Laser Tracker）

激光跟踪测量系统也是由单台激光跟踪仪构成的球坐标测量系统，其测量原理和全站仪一样，仅仅是测距的方式（单频激光干涉测距）的不同。实际测量时又可以分为单站距离、角度法和多站纯距离法。

由于干涉法距离测量的精度高，测量速度快，因此激光跟踪仪的整体测量性能和精度要优于全站仪。在测量范围内（一般＜50m），坐标重复测量精度达到5ppm（即5μm/m）；绝对坐标测量精度达到10ppm（即10μm/m）。但在单项指标上，如测角精度比全站仪的要低，测量范围也比全站仪要小。

激光扫描测量系统（Laser Scanner）

激光跟踪测量系统具有测距精度高的特点，但是测距为相对测距，需要保持在跟踪过程中激光束不能丢失，另外测距需要合作目标（反射器）配合，因此是一种接触式的测量系统，往往给测量带来诸多不便。

采用其它非干涉法测距方式可以不需要合作目标来实现距离的测量，将这类系统称为激光扫描测量系统。激光扫描仪的测距原理分为三种：一是脉冲法激光测距，二是激光相位法测距，三是激光三角法测距。

基于脉冲法测距的激光扫描仪精度较低，一般为毫米级，但其测程较长，如Leica公司的HDS3000型激光扫描仪（最大测程100m，测距精度为4mm，曲面建模精度优于2mm，故其主要应用在土木工程测量、文物和建筑物的三维测绘等领域）。

相位法测距的精度和调制频率有关，一般全站仪的测距频率最高为50MHz~100MHz，但美国Metric Vision公司推出的激光雷达扫描仪（laser radar scanner）LR200的则达到100GHz，它在10m距离上绝对距离测量精度可以达到0.1mm，测量范围从2~60m。

基于激光三角法测距原理的扫描测量系统又称结构光扫描仪（structured light scanner）。以半导体激光器作光源，使其产生的光束照射被测表面，经表面散射（或反射）后，用面阵CCD摄像机接收，光点在CCD像平面上的位置将反映出表面在法线方向上的变化，即点结构光测量原理。

关节式坐标测量机（Articulated Arms）

关节式坐标测量机是一种便携的接触式测量仪器，对空间不同位置待测点的接触实际上模拟人手臂的运动方式。仪器由测量臂、码盘、测头等组成，各关节之间测量臂的长度是固定的，测量臂之间的转动角可通过光栅编码度盘实时得到，转角读数的分辨力可达 ± 1.02，测头功能同三坐标测量机，甚至可以通用。

关节式坐标测量机利用空间支导线的原理实现三维坐标测量功能，它也是非正交系坐标测量系统的一种。和三坐标测量机比较，关节式坐标测量机的测头安置非常灵活，和其它光学测量系统比较，它不需要测点的通视条件，因此在一些测点通视条件较差的情况下（隐藏点），非常有效，例如汽车车身内点的测量等。但由于关节臂长的限制，它的测量范围有限（最长可以到4m），但可以采用“蛙跳”的方法（公共点坐标转换法），或附加扩展测量导轨支架的方法来扩大其测量范围。

生产关节式坐标测量机的厂家较多，主要有美国Faro公司和ROMER公司，德国ZettMess公司、意大利的Garda公司等。

室内GPS（Indoor GPS）

所谓室内GPS是指利用室内的激光发射装器（基站）不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光，接收器接受到信号后，从中得到发射器与接受器间的两个角度值（类似于经纬仪的水平角和垂直角），在已知了基站的位置和方位信息后，只要有两个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接收器的三维坐标。基站的位置和方位通过光束法来进行系统定向后完成，这样不需要已知控制点，只要一个基准尺度就可以了。

与GPS不同的是，室内GPS采用室内激光发射器来模拟卫星；它不是通过距离交会，而是用角度交会的方法。与经纬仪系统不同的是，它不是通过度盘来直接测量角度，而是通过接收红外激光来间接得到角度值，因而就不再需要人眼去瞄准待测点了。

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