閭海慶，康 鑫，雷遠(yuǎn)華，劉佳明

(湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007)

攝影全站儀在電廠煙囪快速監(jiān)測中應(yīng)用研究

閭海慶，康 鑫，雷遠(yuǎn)華，劉佳明

(湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007)

概述了攝影測量方法在煙囪快速監(jiān)測中的應(yīng)用，提出了一種基于攝影全站儀的電廠煙囪變形監(jiān)測方法，并對該方法所應(yīng)用的理論進(jìn)行嚴(yán)格縝密的驗(yàn)證。通過與傳統(tǒng)方法對比表明其具有測量結(jié)果連續(xù)、效率高、周期短和成本低的優(yōu)勢，說明這是一種具有實(shí)用意義值得推廣的好方法。

變形監(jiān)測；攝影全站儀；攝影測量；最小二乘法；精度。

1 基于攝影全站儀的煙囪變形攝影測量方法及其特點(diǎn)

1.1 攝影全站儀

攝影全站儀將數(shù)碼相機(jī)與全站儀有機(jī)結(jié)合在一起，并且配有廣角和長焦兩種照相模式，可以同時(shí)獲取影像的內(nèi)外方位元素等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了全站儀測量和數(shù)字?jǐn)z影測量的結(jié)合。IS攝影全站儀的內(nèi)參數(shù)是固定的(類似于量測相機(jī))，每幅圖像的外方位元素可以直接由儀器生成并保存，無需定向，從而大大簡化了攝影測量的工作流程，而長焦相機(jī)更是可以達(dá)到1.3 mm/100 m的精度，對提高整個(gè)測量的精度非常實(shí)用。另外攝影全站儀還配有操作軟件，該軟件可安裝在筆記本上，通過有線或者無線連接全站儀，從而方便快捷地進(jìn)行測量、拍照、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?，提供圖像所見即所測的功能，在屏幕上拖動鼠標(biāo)就可以旋轉(zhuǎn)全站儀對準(zhǔn)目標(biāo)，可以大大提高測量效率。

1.2 基于攝影全站儀的變形測量

基于攝影全站儀的變形測量基本原理是將空間斷面圓投影到影像上，一般將會得到一個(gè)橢圓，而根據(jù)攝影幾何知識，視線與空間斷面圓的切點(diǎn)在圖像上的投影必定位于影像上煙囪的輪廓線中。利用切點(diǎn)在圖像上的投影點(diǎn)與圖像煙囪輪廓線的距離最小的條件計(jì)算圓心坐標(biāo)(X，Y)和半徑R，至少需要三個(gè)觀測(即三個(gè)視)條件，如果有多余觀測，則可以用最小二乘法，精確定出空間圓的中心坐標(biāo)。

見圖2，設(shè)煙囪空間斷面圓為圓O，空間測站點(diǎn)為S，SZ為豎直向上方向。圓O所在平面為水平面，顯然沿Z負(fù)方向，其在經(jīng)過站點(diǎn)S的水平面上的投影為正圓，設(shè)其投影圓為圓O′，設(shè)SL1′為圓O′的切線，切點(diǎn)為A′，則有O′A′⊥SL1′。設(shè)A是A′投影前點(diǎn)，則有AA′//SZ，所以點(diǎn)A在平面L′SZ上。由AA′//OO′可得AA′OO′共面。SL1′⊥O′A′，SL1′⊥OO′可得SL1′垂直于平面AA′OO′，故SL1′⊥OA，再由OA⊥SZ可得出OA平面L1′SZ。故OA⊥SA，A點(diǎn)即為影像上所看到的輪廓線上點(diǎn)，所有A點(diǎn)在影像上的投影即構(gòu)成輪廓線。故視SL1與空間圓的“切點(diǎn)”A(準(zhǔn)確說是經(jīng)過站點(diǎn)S的鉛垂面與空間斷面圓相切的切點(diǎn))平面坐標(biāo)等價(jià)于由經(jīng)站點(diǎn)S到空間圓O豎直向下在站點(diǎn)S所在水平面的投影圓O′的切線SL1′與圓O′的切點(diǎn)A′的平面坐標(biāo)。

圖2 空間斷面圓投影示意圖

圖3 示意圖

為方便計(jì)算，見圖3，我們選擇將站點(diǎn)S沿豎直方向投影到空間斷面圓所在平面的方式，設(shè)空間圓圓心為O，S為攝影中心，D為S在空間圓所在平面的投影，A、C兩點(diǎn)為視線與圓的切點(diǎn)，在影響上表現(xiàn)為煙囪的輪廓。影像上煙囪的輪廓即為A點(diǎn)在影像上投影的集合。在圖中，設(shè)O點(diǎn)坐標(biāo)為(X0, Y0, Z0)，則A、C兩點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為

由公式⑴⑵⑶⑷⑸可知，如果已知空間圓的位置(X0, Y0, Z0)與半徑R，攝影中心位置(Xs,Ys, Zs)，可以得到θ1和θ2，進(jìn)而求出A、C的空間坐標(biāo)。

攝影測量的共線方程[1][2]表達(dá)式如下：

(XA, YA)和(XC, YC)為觀測值，X0、Y0和R為待求未知數(shù)。給定X0、Y0和R的初始值，可計(jì)算 A、C兩點(diǎn)在影像上的坐標(biāo)(XA, YA)和(XA, YA)， 認(rèn)為輪廓線上距離(XA, YA)和(XA, YA)最近的點(diǎn)為兩點(diǎn)在影像上的真實(shí)坐標(biāo)，與其比較并求解，可以得到X0、Y0和R的改正量，從而依此迭代求出空間圓的真實(shí)位置和半徑。

在公式⑽中根據(jù)最小二乘原理可得

事實(shí)上，每個(gè)站點(diǎn)可以有兩個(gè)視，即觀測到A點(diǎn)和C點(diǎn)。每個(gè)視的約束條件只有一個(gè)，即空間切點(diǎn)在影像上的投影點(diǎn)距離輪廓線距離最小，故每個(gè)視只有一個(gè)觀測值。理論上至少需要3個(gè)視求出空間圓的 X0、Y0和R。但考慮到多余觀測和網(wǎng)形的可靠性，一般建議至少三個(gè)測站環(huán)繞煙囪均勻分布。

1.支撐載體技術(shù)化。新媒體的最典型的特征就是依托現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)提供媒介服務(wù)。新媒體的應(yīng)用技術(shù)，主要表現(xiàn)為數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及移動通信技術(shù)。這三種技術(shù)不是相互獨(dú)立的，而是相互支撐，共同構(gòu)成了新媒體的技術(shù)支撐系統(tǒng)。人類歷史上每一次重大的變革都與新技術(shù)的出現(xiàn)和使用密切相關(guān)。人們在技術(shù)的變革下獲得更加快捷、豐富的信息接受渠道，這些新技術(shù)顛覆了人們過去的習(xí)慣，強(qiáng)迫人們適應(yīng)新的媒介傳播方式。可見不但是人類改變了媒體，媒體也改變了人類。

2 對比分析

對比傳統(tǒng)監(jiān)測方法，新型監(jiān)測方法在理論分析和實(shí)踐應(yīng)用中都有巨大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴理論嚴(yán)密，方法簡便易行

新型監(jiān)測方法依據(jù)攝影測量基本原理，共線條件方程是其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。新方法的每一步都有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，確定了其高度的理論嚴(yán)密性性。攝影測量具有悠久的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量，現(xiàn)已經(jīng)處于數(shù)字?jǐn)z影測量階段，理論和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，將其應(yīng)用于煙囪的變形監(jiān)測中，無疑是最有保障的。且新型測量方法只需拍攝獲取煙囪的輪廓線信息，依次拍全煙囪的輪廓線即可，對外業(yè)無更多要求，外業(yè)人員只需遠(yuǎn)程在電腦上操作，攝影全站儀既可以自動完成全站儀的所有拍攝任務(wù)，自動化程度高。

傳統(tǒng)方法雖然理論上可行，但其對外業(yè)人員要求較高，需要專業(yè)的測量人員對全站儀進(jìn)行全手工操作，此外，傳統(tǒng)方法解算某一斷面圓平面坐標(biāo)和半徑時(shí)，需外業(yè)人員多個(gè)測站均對準(zhǔn)同一個(gè)空間斷面圓，煙囪表面紋理信息缺乏，不可能有空間斷面圓的標(biāo)示環(huán)，故外業(yè)無法滿足理論上的這一要求。

⑵測前精度預(yù)估計(jì)，指導(dǎo)設(shè)站

測站點(diǎn)分布和位置對煙囪變形監(jiān)測的精度是有影響的。傳統(tǒng)監(jiān)測方法在設(shè)站前無法預(yù)估最后的監(jiān)測精度，即便測量后也無法給出一個(gè)精確的誤差范圍，這在工程測量中是無法接受的。新型監(jiān)測方法正是因?yàn)槠溆袊?yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，所以其測量后能給出解算嚴(yán)密的精度估計(jì)。更重要的是，其在測量前能更具測站點(diǎn)的大致分布和位置，預(yù)估測量后的精度。這對測量任務(wù)實(shí)施前確立方案的可行性是具有重大指導(dǎo)意義的。

新型監(jiān)測方法因?yàn)槠淅碚摰膰?yán)密性和實(shí)踐的可操作性，其最后的監(jiān)測結(jié)果具有較高的精度。在湖南華能岳陽電廠和大唐婁底電廠的兩處實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測結(jié)果的精度評估中誤差均在12 mm左右，而煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定200 m以上煙囪的允許傾斜率為2 ‰，即400 mm，所以新型監(jiān)測方法的成果精度上完全滿足對煙囪安全監(jiān)測的要求。

傳統(tǒng)監(jiān)測方法對最后的監(jiān)測成果精度上尚無嚴(yán)密的精度評定，一般只是根據(jù)測量人員經(jīng)驗(yàn)判斷，成果可信度不高。

⑷成果連續(xù)性

新型監(jiān)測方法所測量的空間斷面圓的個(gè)數(shù)與外業(yè)作業(yè)量無關(guān)。內(nèi)業(yè)解算時(shí)設(shè)置不同的斷面圓間隔參數(shù)，可以得到不同密度的空間斷面圓信息。另外可以直接指定空間斷面圓高程，得到空間斷面圓的平面坐標(biāo)和半徑大小。簡單的說，可以認(rèn)為新型監(jiān)測方法測量的空間斷面圓是連續(xù)的。

而傳統(tǒng)監(jiān)測方法外業(yè)工作量和所測量的空間斷面圓的個(gè)數(shù)是成正比的。每增加一個(gè)斷面圓的監(jiān)測任務(wù)，外業(yè)監(jiān)測中的每一測站點(diǎn)就各多一次測量，所以根本無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)。而且考慮到外業(yè)的任務(wù)量，實(shí)際能測到的斷面圓的個(gè)數(shù)也非常有限。無法滿足需要查看指定高程斷面圓參數(shù)的要求。

⑸成果應(yīng)用豐富

新型監(jiān)測方法的監(jiān)測成果具有連續(xù)性，可以很方便的做成各種曲線圖，各個(gè)不同時(shí)期的曲線做比較，斷面層密度大，更能反映細(xì)節(jié)，更能發(fā)現(xiàn)問題，對比分析得出的結(jié)論也更有說服力。同時(shí)也可以利用監(jiān)測成果數(shù)據(jù)恢復(fù)煙囪的三維模型，用于演示展覽或者三維可視化分析等等。

傳統(tǒng)監(jiān)測方法測量的斷面?zhèn)€數(shù)少，除簡單的對比分析外，不能轉(zhuǎn)化成其他成果。成果單一，應(yīng)用范圍小，擴(kuò)展性不好，無法滿足后續(xù)發(fā)展的需要。

⑹監(jiān)測效率高

傳統(tǒng)監(jiān)測方法每一斷面圓都需要人工去觀測、記錄，完成一個(gè)煙囪的監(jiān)測任務(wù)需要兩天左右，而新型監(jiān)測方法除去整平定向等基本操作人工進(jìn)行外，拍攝操作全自動進(jìn)行，數(shù)據(jù)自動記錄。完成一個(gè)煙囪的監(jiān)測任務(wù)僅需要半天左右。

⑺監(jiān)測成本低

新型監(jiān)測方法基本實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測任務(wù)的自動化，大大減輕了外業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。監(jiān)測成本主要是外業(yè)成本。由于可以縮短外業(yè)工時(shí)，降低外業(yè)工作強(qiáng)度，監(jiān)測成本得到大幅降低。成本降低能夠使監(jiān)測頻率得到相應(yīng)的上升，更進(jìn)一步確保的了煙囪的安全。

表1 傳統(tǒng)方法與新型方法對比

3 應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于攝影全站儀的煙囪變形測量方法，開發(fā)了專門的數(shù)據(jù)處理軟件。通過此軟件，可以實(shí)現(xiàn)工程管理，輪廓線自動提取，迭代初值求解，自動平差解算，平差解算精度評定等功能。

同時(shí)，將新型監(jiān)測方法應(yīng)用到華能岳陽電廠，實(shí)踐證明新型方法監(jiān)測的平面精度在12 mm左右，而半徑精度在9 mm左右。完全滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

通過對比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在煙囪變形監(jiān)測中，本項(xiàng)目提出的基于攝影全站儀的變形測量方法相比傳統(tǒng)測量方法，具有理論嚴(yán)密，易于實(shí)施，并能在測量前進(jìn)行精度預(yù)估和指導(dǎo)設(shè)站，測量結(jié)果精度高且有連續(xù)性、具有應(yīng)用豐富，效率高，周期短，成本低的優(yōu)勢，可以在今后的煙囪、冷卻塔和風(fēng)機(jī)變形監(jiān)測中加以推廣應(yīng)用。

[1]馮文灝．工業(yè)測量[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

[2]馮文灝．近景攝影測量——物體外形與運(yùn)動狀態(tài)的攝影法測定[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002．

[3]岡薩雷斯．?dāng)?shù)字圖像處理(第二版)[M]， 北京：電子工業(yè)出版社， 2003．

[4]武漢測繪科技大學(xué)測量平差教研室．測量平差基礎(chǔ)(第三版)[M]．北京：測繪出版社， 2001．

[5]張祖勛， 張劍清．?dāng)?shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002．

Application of Image Station to Quick-monitoring of Power Plant Chimney

LV Hai-qing, KANG Xin , LEI Yuan-hua , LIU Jia-ming
(Hunan Electric Power Design Institute, Hunan 410007, China)

This paper has introduced the photogrammetry method in Quick-Monitoring of Power Plant Chimney,proposed deformation monitoring of Power Plant chimney based on Image Station， and the theory which applies to this method carries on the strict meticulous con fi rmation。Compared with the conventional routes , it has the surveying result， the application to be continuous， ef fi cient， short -cycle and low –cost.So this is a good method which has the practical signi fi cance to be worth promoting.

deformation monitoring; image station; photogrammetry; least squares method; precision.

P2

B

1671-9913(2011)01-0028-06

2010-10-14

閭海慶 (1981-)，男，江蘇南通人 ，碩士，研究方向?yàn)榻皵z影測量及航空攝影測量在電力行業(yè)中的應(yīng)用。